最优拓扑本质安全化直流电源系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911108165.X (22)申请日 2019.11.13 (71)申请人 国网四川省电力公司电力科学研究 院 地址 610000 四川省成都市青羊区青华路 24号25栋1-7号 (72)发明人 李晶罗洋陈文波 (74)专利代理机构 成都路航知识产权代理有限 公司 51256 代理人 徐海林 (51)Int.Cl. H02J 7/34(2006.01) H02J 9/06(2006.01) (54)发明名称 一种最优拓扑本质安全化直流电源系统 (57)摘要 本发明公开了一。

2、种最优拓扑本质安全化直 流电源系统， 直流电源系统蓄电池组所有蓄电池 分成两组分别为电池组I和电池组II； 电池组I和 电池组II通过电路并联， 电池组I和电池组II通 过冗余电源供电； 冗余电源包括三相交流电源I 和三相交流电源II； 电池组I电路输出端分成两 个分支电路， 两个分支电路分别经升压后连接到 控制母线和合闸母线； 电池组II电路输出端分成 两个分支电路， 两个分支电路分别经升压后连接 到控制母线和合闸母线。 针对蓄电池组故障导致 的直流母线失压故障， 本发明通过为蓄电池组合 理分组、 并接入升压变换模块的方法， 提供了一 种本质安全化不间断直流的供电方案， 从而为电 力厂站直流。

3、电源系统的安全稳定运行提供保障。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 110943525 A 2020.03.31 CN 110943525 A 1.一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 其特征在于， 直流电源系统蓄电池组所有 电池分成两组分别为电池组I和电池组II； 所述电池组I和电池组II通过电路并联， 电池组I 和电池组II通过冗余电源供电； 所述冗余电源包括三相交流电源I和三相交流电源II； 电池组I电路输出端分成两个分支电路， 两个分支电路分别经升压后连接到控制母线 和合闸母线； 电池组II电路输出端分成两个分支电路， 两个分支电路分别经升压后连接到 控制母线和合闸母线。 2。

4、.根据权利要求1所述的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 其特征在于， 所述电 池组I和电池组II连接至控制母线的分支电路均通过隔离型DC/DC变换器升压； 所述隔离型 DC/DC变换器配有静态旁路。 3.根据权利要求1或2所述的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 其特征在于， 所 述电池组I和电池组II均通过充电机、 机械联锁开关或者ATS自动转换开关与冗余电源连 接。 4.根据权利要求3所述的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 其特征在于， 所述充 电机用于为蓄电池组充电、 且同时为直流经常性负荷提供电源。 5.根据权利要求1所述的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 其特征在于， 。

5、所述三 相交流电源I和三相交流电源II均用于提供380V电压， 电池组I和电池组II分别经升压后输 出220V直流电源至控制母线和合闸母线。 6.根据权利要求1所述的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 其特征在于， 所述蓄 电池组在交流电源中断时为直流事故负荷提供电源； 在交流电源正常时， 蓄电池组处于浮 充电运行状态。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110943525 A 2 一种最优拓扑本质安全化直流电源系统 技术领域 0001 本发明涉及发输变电技术领域， 具体涉及一种最优拓扑本质安全化直流电源系 统。 背景技术 0002 直流电源系统不但在正常时为发电厂、 变电站、 换流站(以下。

6、简称电力厂站)中的 继电保护、 监控系统及安全自动装置等二次设备提供工作电源和控制电源， 还是电力厂站 出现事故及交流电源中断时的保安电源。 当直流电源系统母线失(电)压时， 将造成二次设 备等失去工作电源或控制电源， 使其无法正常工作或无法进行相关分合操作， 直接威胁着 电力厂站的安全运行。 随着电厂装机容量的增大、 电网规模的扩展和运行电压等级的提高， 电力系统综合自动化与智能化技术水平的不断提升和大量应用， 也对电力厂站的直流电源 系统的供电可靠性和安全性提出了更高的要求。 0003 电力厂站直流电源系统在电网事故及交流中断时， 由蓄电池组为事故负荷(二次 设备等) 进行不间断供电， 当。

7、蓄电池组出现故障或其输出回路的保护电器(熔断器与断路 器)异常开断， 都将导致直流母线失压。 经对电力工程中多起事故的分析， 引起直流电源系 统的直流母线失压， 常见的两种原因是蓄电池组的电池内部开路和保护电器异常断开， 而 蓄电池组的电池内部开路故障引发的直流母线失压会占到非常大的比例。 电力厂站直流电 源220V系统常用的阀控铅酸蓄电池组是由104108只蓄电池串联组成， 若一只蓄电池发生 故障则会导致整个蓄电池组无法正常输出， 阀控铅酸蓄电池内部开路故障现有技术尚不能 有效预测， 蓄电池内部开路故障基本是在需要蓄电池组大电流工作时突然发生， 故对电力 系统产生的危害非常大。 0004 对。

8、由蓄电池组出现故障造成直流母线失压保护的方案， 基本采用蓄电池自动跨接 技术， 在蓄电池组出现故障后， 检测出开路故障的蓄电池并进行跨接， 从而使蓄电池组的供 电输出恢复。 电池自动跨接技术能够有效的避免单只蓄电池出现工作而使整个蓄电池组失 效的问题， 而且出现较多蓄电池进行跨接时， 蓄电池组将无法保证能为直流母线提供足够 而可靠的直流电压值， 当直流电压低于供电设备的最低运行电压， 同样会造成二次设备不 能正常工作， 没能有效解决直流母线失压， 同时该技术也不能解决保护电器断开造成的直 流母线失压风险。 另外， 在原蓄电池组上再分成很多组装设DC/DC模块并联输出做热备用的 方式， 在直流母。

9、线电压出现波动时， 部分DC/DC模块会出现短时输出并由此使所连蓄电池产 生放电， 会严重影响蓄电池组电压一致性， 而蓄电池组又是采用整组浮充电运行方式， 其结 果就是最终造成整组蓄电池提前报废。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题是： 基于电力厂站直流系统中蓄电池组故障原因， 导 致直流电源系统母线失压的问题， 本发明提出利用冗余技术解决蓄电池组故障问题， 提供 了解决上述问题的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统。 说明书 1/4 页 3 CN 110943525 A 3 0006 本发明通过下述技术方案实现： 0007 一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 将直流电源系统蓄电池组。

10、所有电池分成 两组分别为电池组I和电池组II； 所述电池组I和电池组II通过电路并联， 电池组I和电池组 II通过冗余电源供电； 所述冗余电源包括三相交流电源I和三相交流电源II； 0008 电池组I电路输出端分成两个分支电路， 两个分支电路分别经升压后连接到控制 母线和合闸母线； 电池组II电路输出端分成两个分支电路， 两个分支电路分别经升压后连 接到控制母线和合闸母线。 0009 本发明电池组I、 II电路输出端都分成两个分支电路， 两个分支电路分别经升压变 换模块升压后连接到控制母线和合闸母线； 电池组I、 II电路输出端形成的两条支电路同时 供电， 避免太多支路且处于热备用状态在转入运。

11、行工作状态过程中模块均流困难。 本发明 打破厂站用直流电源系统多年来的拓扑结构， 构建了一种新型拓扑结构的直流电源系统， 主要思路就是将蓄电池组进行合理分组， 达到在原蓄电池组上实现冗余的效果， 同时通过 升压变换模块， 将分组后的蓄电池电压(约110V)升高到负荷所需的供电电压等级(约 220V)， 同时避免蓄电池组电压过低升压变换模块性能下降(稳定性、 效率等)； 蓄电池组任 何一组出现故障均不影响另一组蓄电池组的正常输出， 保证了直流母线的安全不间断供 电， 现实厂站用直流电源系统的本质安全化。 0010 进一步地， 所述电池组I和电池组II连接至控制母线的分支电路均通过隔离型DC/ D。

12、C变换器升压； 所述隔离型DC/DC变换器配有静态旁路。 0011 进一步地， 所述电池组I和电池组II均通过充电机、 机械联锁开关或者ATS自动转 换开关与冗余电源连接。 0012 蓄电池组通过充电机、 机械联锁开关或者ATS自动转换开关与双路交流电源连接， 由于机械联锁开关或者ATS自动转换开关的存在， 双路电源任何时刻均只能有一路输入充 电机。 0013 进一步地， 所述充电机用于为蓄电池组充电、 且同时为直流经常性负荷提供电源。 0014 进一步地， 所述三相交流电源I和三相交流电源II均用于提供380V电压， 电池组I 和电池组II分别经升压后输出220V直流电源至控制母线和合闸母线。

13、。 0015 进一步地， 所述蓄电池组在交流电源中断时为直流事故负荷提供电源； 在交流电 源正常时， 蓄电池组处于浮充电运行状态。 0016 本发明具有如下的优点和有益效果： 0017 1、 蓄电池组是由100多只阀控铅酸蓄电池组成， 通过相互串联的方式， 若一只发生 故障则会导致蓄电池组无法正常输出， 从而会导致直流母线失压。 蓄电池组出现故障造成 直流母线失压， 具有突发性， 对电力系统危害性较大， 现有的电池自动跨接技术只能有限地 解决直流母线失压， 当出现保护电器断开、 跨接蓄电池数量多等现象时， 仍然会导致直流母 线失压。 本发明针对蓄电池整组串联易出故障， 跨接技术的不足， 在不增。

14、加蓄电池总只数的 情况下， 采用蓄电池组合理分组冗余加升压变换器输出的方式， 在一组蓄电池故障时仍可 以不间断地进行供电， 能够避免直流母线失压故障的出现， 提高了直流电源系统的运行安 全稳定性。 0018 2、 电力厂站直流电源系统所配的阀控铅酸蓄电池组放电平台较短， 会表现出配置 容量有较大的 “富裕量” ， 这是因为： 为了保证系统直流母线电压符合继电保护等二次设备 说明书 2/4 页 4 CN 110943525 A 4 供电电压要求， 蓄电池组容量设计计算的放电时间， 是按其端电压下降到不满足继电保护 等装置供电要求的电压值为条件， 而蓄电池放电后期并未达到蓄电池的放电终止电压(即 。

15、蓄电池容量尚有剩余)； 其二， 设计的负荷统计容量会比实际事故用电负荷的容量大(即设 计的蓄电池容量尚有剩余)。 所以， 分组后当只有一组蓄电池正常时， 也能保证事故情况下 蓄电池组1小时(有人值守)或2小时(无人值守)供电时间。 附图说明 0019 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解， 构成本申请的一部 分， 并不构成对本发明实施例的限定。 在附图中： 0020 图1为本发明的本质安全化直流电源系统原理图； 0021 图2为本发明的阀控铅酸蓄电池供电时间； 0022 图3为本发明的蓄电池组正常情况和故障情况的运行原理图； 其中， 附图(1)表示 正常供电状态； 附图(2)右表。

16、示故障情况供电状态， A区域表示故障电路。 具体实施方式 0023 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 下面结合实施例和附图， 对本 发明作进一步的详细说明， 本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明， 并不作 为对本发明的限定。 0024 实施例1 0025 本实施例提供了一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 将直流电源系统蓄电池 组所有蓄电池分成两组分别为电池组I和电池组II； 电池组I和电池组II通过电路并联， 电 池组I 和电池组II通过冗余电源供电； 冗余电源包括三相交流电源I和三相交流电源II； 电 池组I 电路输出端分成两个分支电路， 两个分支电路分别经隔离型。

17、DC/DC变换器升压后连 接到控制母线和合闸母线； 电池组II电路输出端分成两个分支电路， 两个分支电路分别经 隔离型DC/DC 变换器升压后连接到控制母线和合闸母线。 优选隔离型DC/DC变换器配有静 态旁路。 电池组 I和电池组II均通过充电机、 机械联锁开关或者ATS自动转换开关与冗余电 源连接， 充电机用于为蓄电池组充电、 且同时为直流经常性负荷提供电源。 0026 三相交流电源I和三相交流电源II均用于提供380V电压， 将蓄电池组原有的104 108 节电池分为两组， 每组电压约为110V， 再通过升压变换器升为负荷所需的220V直流电 压， 给直流负荷供电。 当一组蓄电池出现故障。

18、时， 该组升压变换器停止工作， 则另一组蓄电 池仍然保持直流输出。 蓄电池组任何一组出现故障均不影响另一组蓄电池组的正常输出， 保证了直流母线的安全不间断供电， 从而达到了直流电源系统本质安全化的目的。 0027 实施例2 0028 基于实施例1提供的一种最优拓扑本质安全化直流电源系统， 实际具体操作方法 如下： 0029 步骤1， 分析直流电源系统发生故障的现象及原因 0030 事故前直流电源系统运行状态， 直流母线分 、 运行， 段母线带1号直流馈线柜 35 路负荷， 负荷电流11A， 1号充电装置浮充方式， 浮充电流0.5A； 段母线带2号直流馈线 柜35路负荷， 负荷电流8A， 2号充。

19、电装置浮充方式， 浮充电流0.5A。 说明书 3/4 页 5 CN 110943525 A 5 0031 在110kV系统发生电网事故时， 造成站用0.4kV系统电压下降至68Un(Un为额定 电压)， 引起直流电源系统的充电装置自动保护而退出运行(充电装置交流输入工作电压在 85Un118Un范围之内)。 此时站用直流电源系统转由蓄电池组提供事故， 之后两组蓄 电池发生故障， 造成全站直流电源系统不能正常工作。 依据直流电源母线失压现象， 辨别出 不同故障类型下蓄电池组放电异常的情况。 0032 步骤2， 筛选出由于蓄电池组问题导致的故障类型 0033 事故后， 对两组蓄电池内阻进行测试， 。

20、判断该批蓄电池大量出现损坏， 两组蓄电池 组中出现了内阻达到欧姆级的电池， 对放电形成了极大阻碍。 用蓄电池两端的放电可以检 测出故障电池组中的失效电池。 在蓄电池放电的瞬间， 电池内阻的影响会产生电压跌落， 当 蓄电池的内部性能发生变化时， 其内阻的变化可以通过电压跌落的特征曲线来表征， 放电 电流越大， 电压偏差值也越大。 0034 解体检测表明该批蓄电池故障状况为部分电池内部出现不可逆硫酸盐化及硫酸 盐化引起的极耳严重腐蚀现象。 0035 步骤3， 根据分析结果制定解决方案 0036 蓄电池组是由100多只阀控铅酸蓄电池组成， 通过相互串联的方式， 若一只发生故 障则会导致蓄电池组无法正。

21、常输出， 从而会导致直流母线失压。 若采用传统的电池自动跨 接技术， 则只能有限地解决直流母线失压， 当出现保护电器断开、 跨接蓄电池数量多等现象 时， 仍然会导致直流母线失压。 0037 综上所述， 利用冗余技术可提高系统或设备的可靠性， 在选用更好的元器件和强 化设计设备可靠性要求时， 冗余技术成为可供采用的方法。 当一组蓄电池出现问题时， 将会 由另一组蓄电池供电， 能够避免直流母线失压故障的出现。 0038 以110kV变电站直流电源系统为例， 全停电时间按2h考虑， 当2组蓄电池均无故障 时， 在事故初期01min蓄电池组以0.3C放电， 超过1min蓄电池组以0.2C放电， 从放电。

22、曲线 可以看出， 直流系统供电时间超过2h。 当2组蓄电池中一组故障， 负荷集中到无故障蓄电池 组， 事故初期01min蓄电池组以0.6C放电， 超过1min蓄电池组以0.4C放电， 供电时间接近 2h， 如图1所示。 因此， 在不增加蓄电池总数量的前提下， 由于形成的2组蓄电池并联运行， 可 靠性能达到2组蓄电池组的直流电源系统水平， 其系统运行的供电可靠性达到本质提高。 0039 以上所述的具体实施方式， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施方式而已， 并不用于限定本发明 的保护范围， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含 在本发明的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 110943525 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 110943525 A 7 图3 说明书附图 2/2 页 8 CN 110943525 A 8 。