王有强，豆红于，王龙龙，沈涵玉，侯毅侠，买尔旦·居热提，张立

（国网新疆电力有限公司吐鲁番供电公司，新疆维吾尔自治区 吐鲁番 838000）

0 引言

中国是蓄电池第一生产大国、消费大国和出口大国。中国蓄电池的产量约占世界总产量的1/3——这是该行业留给大众最普遍的印象[1]。近年来，在环保压力下一些政策法规相继实施，要求企业进行清洁化生产，而且一直以来存在的产能过剩、低价竞争、高端产品不足、高端人才匮乏、用工紧张的行业环境并未得到有力改善，因此蓄电池企业面临的政策环境和市场环境也愈发严苛起来[2]。

蓄电池作为站端事故的重要支撑能源之一，是电网运行的坚实后盾。日常站用电来自站用变的输入，经各级差供给各个装置，但是一旦发生紧急停电或者电网大波动时，蓄电池可以给整个电站有效的支撑与补给，使检修人员足够的时间检修恢复供电[3]。

为了保障大电网有序供电，要对蓄电池进行日常维护工作。但是，传统的人工巡检、人工放电导致维护任务繁重以及放电回路电能的浪费。尤其是，现在的带负荷放电仍未解决资源浪费问题。本文中，笔者通过已有的理论结构推演，构建了蓄电池远程智能维护系统[4]。

1 改造前直流系统电网结构

220 kV 交河变电站是最早的一批改造智能变电站。当初的直流系统构架以单母线分段为基础骨架，参见图1。正常情况下，三路双交流经切换分别连至三组逆变模块，给负荷供电。每一路都有直流监控装置。一旦发生失电，由两组蓄电池进行紧急供电。现在，由于要增设远程充放电功能，最初构想在中间一路双交流进行整改，以避免电网再改造期间的波动性，保证电能质量在规定范围以内[5]。

图1 传统直流系统原理框图

2 蓄电池远程智能维护系统介绍及关键技术

2.1 蓄电池远程智能维护系统简介

蓄电池远程智能维护系统是一种新型的用于电站蓄电池的实时在线远程控制的智能系统。其独特的功能有蓄电池监控远程放电、在线式内阻和温度等数据的采集，自动核算蓄电池容量情况，及时发现问题并报警[6]。各个发电厂、变电站以及换流站直流系统所采用的电池的标称容量在 100～1 000 Ah。传统的电池维护方式下所采用的放电仪比较笨重，而且采用的是电阻式放热法。电阻式放热法是通过将放电电流消耗在电阻上以热量的形式释放出来，然后利用装置内的风机排出热量的方法。虽然电阻式放热法简单、有效，但是相比起来，蓄电池远程智能维护系统解决了现场放电时局部温度过高造成的消防隐患，并且减少了阻值受温度的影响，避免了放电电流不稳，而且放电装置就地化很明显地减少了劳动强度。同时，该系统采用的是逆变式放电方式，能够将 90 % 的能源循环利用，把直流逆变成交流输送给电网，提高了能源的利用效率，补偿回馈电网[7]。

2.2 隔离式双向 DC/DC 模块（智能母联）基本原理

2.2.1 MOSFET 晶闸管及软开关

MOSFET 晶闸管和普通的三极管不一样之处是它不是由电流控制电流。MOSFET 晶闸管是用电压的微小变化控制开关的装置，基本上用作微开关，降低功率和保护电器[8]。它就像是管道系统的阀门一样，只不过受控制的不是水流而是电流。其结构包含栅极（门极）G、源极 S 和漏极 D。当栅极（门极）达到触发导通电压时，晶闸管就会导通，否则就不会导通，即栅极（门极）和源极的电压差控制输入电流。同时，它有 3 种工作状态，分别是截止、变阻和饱和（与普通三极管不同。普通三极管达到饱和之后没办法放大信号）。在日常应用中，一般希望它达到饱和状态。如果用VTN表示导通电压，用VGS表示栅极和源极之间的电压，用VDS表示栅极和漏极之间的电压，那么：当VGS≤VTN时，D 和 S 之间不会有电流，晶闸管不会导通；当VGS＞VTN且VDS＜(VGS-VTN) 时，晶闸管导通，处于变阻状态，通过 D、S 的电流ID与(VGS-VTN)、VDS有关；当VGS＞VTN且VDS≥(VGSVTN) 时，晶闸管导通，处于饱和状态，通过 D、S的电流ID与 (VGS-VTN) 有关[9]。由于 MOSFET 晶闸管具有以上特性，可以将其作为电路中的一个通断模块，起着软开关的作用。

2.2.2 DC-DC 变换器

以全桥隔离式 DC-DC 变换器为例，最直接的是两侧电路无电气联系，不共地，没有干扰（参见图2）。下面就用 MATLAB 构建双向隔离 DCDC 开环模型，如图3 所示以从左到右为例来模拟零点压开通的情况[10]。如图4 所示，建立一个离散系统环境。整体的采样时间取 2×10-8s。通过将两个 MOS 管串联后并联构成一个单向的开关。将这个结构倒置后与倒置前的结构串联构成一个双向通道，当一段母线无电压时就能导通输出电压。

图2 全桥隔离 DC-DC 变换器

图3 隔离双向 DC-DC 图

图4 powergui 参数图

首先对所用 8 个 MOSFET 管参数进行设置。MOSFET 管的电阻为 0.1 Ω。内部二极管电阻为0.01 Ω。缓冲电阻为 1×105Ω。门极触发电压具体设置如图5 所示。如图6 所示，设置一个重复序列，用来和常数叠加。设开关频率为 50 kHz，则周期时间T是开关频率的倒数，为 1/50 kHz，在波形图上取 3 个点，作为起点、中点和终点，并设置其值分别为 0、3、0。

图5 MOSFET 参数图

图6 重复序列参数图

按图7 所示那样，另外加一个关系运算符（如符号＞）来形成一个矩形方波[11]。接下来是移相，给电感足够的反馈时间，具体设置见图8。图9 显示的是移相前后的图像。通过反向导通电压来实现软开关的双向导通。导通电压大于 1.4 V 的设置运算逻辑值为 0，导通电压小于 1.4 V 的设置为1。这样就产生了其中一组 MOSFET 管正向门极触发电压波形，而反向波形则是由正向波形倒置而成。

图7 关系运算符参数图

图8 移相参数图

图9 示波器显示图

如图10，从左到右，从上到下依次是门极导通电压US1、极导通电压US2、极导通电压US5、极导通电压US6、正向晶闸管输入电压Ui、正向晶闸管输出电压Uo、输入电感电流iL、输入电感电压uL（此电感是为测量电流而安装）。由于原件本身具有延时，在 0.001 67 s 之前的波形不够平稳，所以采取其后平稳段波形来具体讲解一个周期的波形变化（参见图11）：

图10 整体录波图

图11 局部录波图

（1）在 h0～h1时段，US1、US6大于 0，即其对应的 4 个晶闸管应该导通，但是电感中流过的电流不能突变。考虑到晶闸管反并联了一个二极管，实质是二极管起到了续流作用，所以流过电感的电流为负值。输出端的晶闸管也没有真正导通，即无电压和电流，所以实现了无电压导通。这时候Ui＞0，Uo＜0，uL＞0。电感电流则是从一个负值开始增加，直至在其中的某一时刻达到 0 A。

（2）在 h1～h2时段，晶闸管的导通信号不变，且电感电流为正值，所以US1、US6对应的晶闸管开始导通。这时候Ui＞0，Uo＜0，uL＞0。电感电流保持递增速率不变，一直增加至最大值。

（3）在 h2～h3时段，US1、US5大于零，即其对应的 4 个晶闸管应该导通。US6对应的晶闸管开始关断。但是，电感中流过的电流不能突变，所以US5对应晶闸管反并联二极管导通了。这时候Ui＞0，Uo＞0，uL＞0。电感电流开始逐渐减小，直至一个极值。

（4）在 h3～h4时段，US2、US5大于 0，即其对应的 4 个晶闸管应该导通。US1对应的晶闸管开始关断。但是，电感中流过的电流不能突变，所以还是反并联的二极管导通了。这时候Ui＜0，Uo＞0，uL＜0。电感电流下降的速率逐渐增加，直到某一时刻下降至 0 A。

（5）在 h4～h5时段，晶闸管导通状态不变，电感电流开始由零变为负值，US2、US5对应的 4 个晶闸管开始导通。这时候Ui＜0，Uo＞0，uL＜0。电感电流减速不变，所以电流值继续减小。

（6）在 h5～h6时段，US2、US6大于 0，即其对应的 4 个晶闸管应该导通。US5对应的晶闸管开始关断，而US2对应的晶闸管继续导通。US6对应晶闸管电感中流过的电流不能突变，导致其二极管导通续流。

可以根据现实，按照上述原理将以上所谓的隔离式双向 DC/DC 模块优化，保持输入输出电压极性不变，只改变电流方向。这样得到的双向直直变换器是一种高效的电源转换装置[12]。

2.3 QKF-01 放电控制装置

QKF-01 放电控制装置采取的是在线式放电技术，可以减轻工作记录的必要性，自动地将放电记录通过 U 盘导出，并且为了稳定装置的容错率，默认装置在任何异常情况下都能准确停止放电，能够及时记录相关异常问题[13]（包括蓄电池电压低于充电机，以及一些装置参数设置异常所带来的问题）。

蓄电池在放电过程中已锁死放电电流，保持放电电流均衡，只能有一组蓄电池放电，同时监控逆变模块的状态是否良好，保证了电网事故供电的可靠性，具体设计如图12、13 所示[14]。

图12 逆变器工作原理框图

2.4 逆变模块

逆变模块采用数字信号过程处理和控制技术、高频软开关采集技术[15]，具有效率高、可靠性高的优点。逆变器直流输入与交流输出可实现完全电气隔离，满足国家标准和行业标准相关要求。逆变器内置 CPU，自带独立 LCD 显示。正常运行时逆变模块处于一个热备用状态，自动检测交流系统电压、相位、频率。当接收到放电指令后，根据检测到的交流参数，自动匹配逆变交流电压输出。交流输出电压比系统电压略高 1～2 V，便于优先消耗蓄电池的放电电能。单独的模块并不能将大的直流有效逆变[16]，所以采取的是逆变模块组的形式。工作原理框图如图12 所示，电网位置如图13 所示。放电后输入直流先经过输入 EMI 滤波器后，通过LLC 全桥谐振变换器，隔离输出 760 V 左右直流电（± 380 V DC），再通过半桥逆变电路，将 760 V直流电转换为与交流旁路同频同相和同幅电压的电流。并网逆变器工作时相当于一个交流电流源，按照设定的功率（电流）将直流能量转换为交流能量回馈到电网中[17-18]。

图13 远程充放电原理框图

目前，该模块采用的是全数字化控制 TI 的DSP 控制器，将整个模块的故障排查、锁相、声光报警集于一体，有很好的抗干扰性和一致性，将整体的效率提高 90 %。另外，逆变装置的交直流回路完全实现电气隔离，避免了相互干扰。而且，由于采用的控制算法比较先进，一旦受到电网严重波动的影响，逆变装置就不再输出交流电，模块也自动停止回馈。因此，采用该逆变模块降低了电网再波动的风险，满足一体化电源系统的设计要求。

3 远程充放电功能的基本原理

如图13 所示，Q1、Q2 为单向导通二极管，K1、K4 为两个常闭的电操，K2、K3、K5、K6 为常开直流接触器。空气开关 1、2、3、4 处于闭合状态，充电机与蓄电池组并联[19]。正常运行时，只有蓄电池组的充电回路正在运行。同时，放电负载回路由于 K2、K3、K5、K6 为常开已被切断，使系统在浮充状态下能安全运行。

需要 1 组蓄电池放电时，放电控制装置将控制K1 断开，而 K2、K3 闭合。蓄电池组放电时，利用二极管（Q1）的反向截止特性阻止充电机的充电电流流向蓄电池组，使充电机无法向蓄电池组进行充电，也不能让放电负载进行放电。逆变装置将放电电流下发至逆变模块组。此时，由逆变模块组进行 0.1C电流放电至站内电网，以实现在线放电时不需要脱离母线也能达到放电效果[20]。

4 远程核放电的工程应用

结合理论推演，根据现场实际情况，制定了图14所示改造方案。实施过程包括：⑴ 安装及固定蓄电池在线放电屏；⑵ 敷设电缆；⑶ 安装 I 段直流系统设备，做安全措施（母联操作，合上联络断路器，退第 1 组蓄电池）；⑷ 测量核对蓄电池组电压，确保蓄电池已退出直流系统；⑸ 接入放电屏 I 段母线；⑹ 令两段直流系统退出母联，恢复至正常运行状态；⑺ 安装 II 段直流系统设备，方法同 I 段直流系统设备安装过程；⑻ 恢复至正常运行状态；⑼ 接入逆变交流电源；⑽ 调试站端设备整体；⑾ 最后，接入整体通信后台告警信号，部署蓄电池远程维护管理平台。

图14 110 kV 改造方案部分原理图

5 远程核放电通信网络应用

向主站申请对应区网络使用权，申请 3 个 IP地址。其中 2 个 IP 地址用于在线放电屏，另 1 个IP 地址用于服务器电脑。修改接入设备的 IP 地址[21]。将在线放电屏后台网口和后台服务器电脑接入同一网区交换机。通过远程控制维护管理平台控制蓄电池进行远程蓄电池核对性试验（参见图15）。在蓄电池核对性试验过程中，需核对监测数据的准确性及通信稳定性，保证蓄电池远程维护系统的可靠性。在系统各项指标均达到设计要求后，将系统连续运行 24 h 以上。若无异常，则调试、试验结束[22]。

图15 110 kV 变电站监控后台画面

6 结束语

现行蓄电池放电技术中远程放电功能是智慧化变电站发展的先导，而在线远程监控是确保电网智慧运行，不间断测控的关键因素，对于数量庞大或人员紧缺来说，是一个良好的释压渠道。蓄电池远程智能维护系统集远程监视、自动调控、危机缺陷上报为一体，在综合主站监控、安排运维、对点消缺上有卓越的优点。如果采用蓄电池远程智能维护系统，那么每年例行的蓄电池放电计划就可以适当集中缩减，也就减少了维护量和管控成本。

目前站端控制可调，下一步要实施的工作是站内入网，实现省内监控，优化全网监控主结构，缩减检修人员的时间，以及提高主电网后背能源的可靠性。