發(fā)電廠動(dòng)力蓄電池組的可靠性研究

陳航

摘 要：動(dòng)力蓄電池組是廣泛存在于發(fā)電企業(yè)直流系統(tǒng)的重要元件。其設(shè)置原因，就是為了提高直流系統(tǒng)供電的可靠性，為重要設(shè)備提供應(yīng)急控制電源及動(dòng)力電源。本文對(duì)直流系統(tǒng)蓄電池組進(jìn)行可靠性研究和分析，指出一般的分析方法。

關(guān)鍵詞：蓄電池；可靠性；重要度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.158

0 引言

蓄電池是直流系統(tǒng)重要的系統(tǒng)元件，它作為備用電源在緊急情況下為系統(tǒng)供電。一般情況下，直流系統(tǒng)是通過電池充電機(jī)或者交直流設(shè)備供電的。當(dāng)直流系統(tǒng)負(fù)荷超過蓄電池充電機(jī)最大輸出能力時(shí)，其便會(huì)投入運(yùn)行?，F(xiàn)在的閥控鉛酸蓄電池往往因?yàn)槭褂帽ｐB(yǎng)不當(dāng)，存在使用壽命縮短的問題。

1 蓄電池組的工作循環(huán)及壽命的確定

蓄電池設(shè)備主要工作特點(diǎn)是周期性充放電，所以它的工作周期是電池所供電的所有負(fù)荷工作周期的總和，一般進(jìn)行直流潮流計(jì)算得出。一個(gè)典型企業(yè)用220V蓄電池組一般有104塊單體電池組成，單體電池浮充電壓：2.23-2.25V，單體電池均充電電壓：2.35-2.40V，C10放電終止電壓：1.87V。

每組蓄電池的數(shù)量滿足充電器件最大的系統(tǒng)電壓與放電期間最小系統(tǒng)電壓的要求。一般根據(jù)IEEE485標(biāo)準(zhǔn)，由工作周期確定蓄電池組的電池?cái)?shù)量和單個(gè)蓄電池容量。對(duì)于已經(jīng)存在的系統(tǒng)，則按實(shí)際設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析。用最小二乘法擬合剩余容量下的電壓和內(nèi)阻的關(guān)系曲線，并比對(duì)廠家相關(guān)曲線數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)該電池的壽命。其壽命可以使用剩余時(shí)間，也可以應(yīng)用剩余循環(huán)數(shù)。在得到積累樣本時(shí)，選擇其一即可。

根據(jù)IEEE Std 1188-1996的方法，電池容量用以下等式計(jì)算：

在25℃時(shí)百分比容量：

其中是到達(dá)指定終止電壓時(shí)的實(shí)際測(cè)試時(shí)間（帶溫度補(bǔ)償）；指定終止電壓的額定時(shí)間。其溫度補(bǔ)償參閱IEEE Std 1188-1996附錄C。電池更換標(biāo)準(zhǔn)為容量低于額定值的80%。

2 蓄電池組的失效率模型特點(diǎn)及分析

由于蓄電池的充放電過程，是一個(gè)連續(xù)變化的過程，在整個(gè)系統(tǒng)可靠性分析上，一般定義為蓄電池容量的下降和內(nèi)阻的上升。當(dāng)蓄電池的容量降到額定容量的80%的時(shí)候，就認(rèn)為蓄電池失效，或者內(nèi)阻上升到R時(shí)，認(rèn)為蓄電池有更換的必要。

結(jié)合一般電廠用蓄電池最近幾年出現(xiàn)新的特點(diǎn)，主要是168試運(yùn)時(shí)機(jī)組啟停頻繁，蓄電池使用比較過度，所以早期失效區(qū)有再抬高的可能；隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大和煤炭?jī)r(jià)格高企，30萬機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)下降嚴(yán)重，常值失效區(qū)被拉長(zhǎng)；機(jī)組壽命接近尾聲，又有變調(diào)峰機(jī)組的可能，損耗區(qū)又被抬高。

在常值失效區(qū)，失效一般是難以預(yù)測(cè)的。特別是低負(fù)載使用造成電池降額這種情況，在大電網(wǎng)下的運(yùn)行機(jī)組中特別常見。就國內(nèi)運(yùn)營電廠實(shí)際情況而言，由于近年來電網(wǎng)規(guī)模比較大，供電可靠性顯著提升，雙母線雙機(jī)配置很常見，所以其機(jī)組蓄電池使用率并不高。當(dāng)機(jī)組啟停機(jī)時(shí)，使用的往往是由可靠性比較高的保安電源經(jīng)交直流變換設(shè)備供電的直流電。由于電廠投資的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裕量往往還比較大。這就導(dǎo)致其存在低負(fù)載長(zhǎng)期運(yùn)行的情況。不確定的檢修和維護(hù)保養(yǎng)周期，導(dǎo)致了實(shí)際電池充放電保養(yǎng)遠(yuǎn)不是計(jì)劃中的那么標(biāo)準(zhǔn)。分析時(shí)這些特點(diǎn)都要考慮。

3 蓄電池系統(tǒng)的可靠性建模分析和評(píng)估

蓄電池組是一個(gè)典型的串聯(lián)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是任何組件的任意一種失效都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。比如某一蓄電池開路或起火，導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組供電停止。

由n個(gè)電池構(gòu)成的系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求是所有電池都必須正常運(yùn)行，因而蓄電池組的可靠度可以表示為：

以上公式說明，失效的某電池組件其潛在失效機(jī)理會(huì)影響其他電池組件，比如某編號(hào)蓄電池內(nèi)阻上升導(dǎo)致電池發(fā)熱量顯著上升，其發(fā)熱量影響臨近電池的電化學(xué)反應(yīng)速率，縮短臨近蓄電池壽命，也使得相鄰電池的失效率上升。

如某串聯(lián)系統(tǒng)有10塊額定電壓為20V的單體蓄電池，其各單體電池組件的運(yùn)行概率分別為0.99876，0.99754，0.98921，0.90922，0.99277，0.98835，0.95411，0.89277，0.97027，0.99773。

因而其整個(gè)蓄電池組的可靠度計(jì)算為0.72502，低于最差組件的可靠度。由此可見對(duì)于大型蓄電池系統(tǒng)，剔除并更換低可靠性組件很有必要。

4 電池組件的重要度計(jì)算

重要度計(jì)算是系統(tǒng)可靠性優(yōu)化的前提。

某些大型電站，往往擁有數(shù)臺(tái)在役機(jī)組，每個(gè)機(jī)組都至少有兩組并聯(lián)的直流蓄電池組，這還不包括開關(guān)站的直流系統(tǒng)蓄電池組，數(shù)量足有上千塊之多。因而，分析重要度并優(yōu)化全站電池組件，有著顯著的重要意義。

一般通過計(jì)算電池組件的Birnbaum重要度、FUSSELL-VESELY重要度等來綜合分析。對(duì)于其他串并聯(lián)綜合模型，其單組件i的重要度最后也可以進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算后比較。不過其綜合模型不能簡(jiǎn)單用串并聯(lián)公式套用，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù)化簡(jiǎn)后再行計(jì)算。

文中電池失效率取恒值模型，如果前期建模后，分段擬合澡盆曲線，則應(yīng)該在不同失效區(qū)內(nèi)，用不同模型進(jìn)行替代后計(jì)算。電池的失效機(jī)理比較單一，所以選擇失效率模型的時(shí)候，不必考慮過多。參數(shù)越多，當(dāng)然模型也越精確，但模型過于復(fù)雜反而對(duì)簡(jiǎn)化模型的選取不利，畢竟樣本數(shù)和系統(tǒng)組件數(shù)是有限集。

5 小結(jié)

（1）建模或者采取實(shí)驗(yàn)的方法得到預(yù)研究電池系統(tǒng)組件的樣本數(shù)據(jù)；

（2）分析其樣本數(shù)據(jù)，要結(jié)合其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于失效率曲線，選擇或者推導(dǎo)能夠擬合反映其狀態(tài)的確信度高的失效率模型，確定可靠度、失效率等參數(shù)；

（3）利用上述樣本進(jìn)而計(jì)算并評(píng)估本系統(tǒng)模型的可靠度、組件的重要度等相關(guān)分析參數(shù)；

（4）確定自己的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)和方法，適當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]ELSAYED A.ELSAYED著，楊舟譯.可靠性工程[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[2]IEEE Std 1188-1996[S].Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.1996.