一種能量回饋型電池核容裝置

劉忠祥 歐陽建 劉承虎

摘? 要：直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站站用電源系統(tǒng)的重要組成部分，相當于發(fā)電廠、變電站的“心臟”，保障了發(fā)電廠、變電站信號、控制、繼電保護和事故照明等操作電源的供應。作為直流系統(tǒng)后備電源的蓄電池又是直流電源的最核心部件之一，是保障直流系統(tǒng)可靠性的最后一道防線。閥控式鉛酸電池占據(jù)電廠和變電站直流系統(tǒng)蓄電池的絕對份額，檢驗蓄電池好壞的最可靠的辦法仍然是核容。目前普遍采用電子或電阻發(fā)熱型核容裝置，需要人在現(xiàn)場看守，費時費力。文章提出的能量回饋型核容裝置發(fā)熱少，可以支持遠程無人值守的核容方式，大大節(jié)省人力。

關鍵詞：直流電源;電池核容;放電儀;有源逆變;能量回饋

中圖分類號：TM912? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0081-03

Abstract： DC power supply system is an important part of power supply system for power plants and substations， which is equivalent to the "heart" of power plants and substations. It ensures the supply of operating power supply such as power plant， substation signal， control， relay protection and accident lighting. As the backup power supply of DC system， battery is one of the core components of DC power supply， and it is the last line of defense to ensure the reliability of DC system. Valve-controlled lead-acid batteries account for the absolute share of batteries in DC systems of power plants and substations. The most reliable way to test the quality of batteries is still nuclear capacity. At present， it is widely used as an electronic or resistive heating nuclear capacitance device， which needs to be guarded on the spot， so it is time-consuming and laborious. The energy feedback nuclear capacity device proposed in this paper has less heat， can support the remote unattended nuclear capacity mode， and greatly saves manpower.

Keywords： DC power supply; battery core capacity; discharge meter; active inverter; energy feedback

引言

直流電源系統(tǒng)廣泛應用于發(fā)電廠、各類變電站和其它使用直流設備的場合，給信號設備、保護、自動裝置、事故照明、應急電源及斷路器分、合閘操作提供不間斷直流電源，一般分為220VDC和110VDC兩個額定電壓等級。直流系統(tǒng)的主要部件包括充電機、蓄電池、直流監(jiān)控、絕緣監(jiān)測儀、電池巡檢儀、降壓硅鏈（可選），其中蓄電池起著舉足輕重的作用。

發(fā)電廠、變電站正式投運以后，交流停電的幾率很小，特別是重要的發(fā)電廠和變電站更是微乎其微，因此直流系統(tǒng)中的充電機絕大部分時間都在工作，而蓄電池則處于浮充狀態(tài)。浮充狀態(tài)下的蓄電池健康狀態(tài)很難監(jiān)測，即使性能較差的電池在浮充狀態(tài)下的電壓也可能是正常的，而到了交流失電時往往頂不上，由于蓄電池問題導致的變電站事故不在少數(shù)。因此，最直接最可靠的檢測蓄電池好壞的方法是核容。

市面上生產放電儀的廠家眾多，絕大部分是采用電子或電阻發(fā)熱式放電法，電池放出的能量通過熱量的方式消耗掉，一方面造成能源浪費，另一方面放電儀產生的高溫很容易引起火災。通常閥控式鉛酸蓄電池按100%全容量核容需要10小時，放電完后再靜置24小時，然后再充電10小時，因此一組蓄電池完成整個核容過程一般至少需要兩天的時間，且必須有2～3個人守在現(xiàn)場，費時費力。

供電局運維人員的不足，呼喚高效的電源運維方式，蓄電池核容占據(jù)了電源運維的很大一部分工作量。因此，遠程核容的需求日益迫切，原有的放電儀不能滿足要求。

1 方案簡介

本文提出的核容裝置采用有源逆變技術，蓄電池放出的能量仍然以電能的方式回饋到交流電網。一方面節(jié)能環(huán)保，減少能源的浪費;另一方面，由于核容裝置自身所消耗的能量很少，不存在高溫發(fā)熱問題，大大減少了火災的風險，從而為遠程自動核容創(chuàng)造了必要的條件。人員不需要在現(xiàn)場看守，為供電局節(jié)約了大量的人力物力。

1.1 有源逆變器

有源逆變器采用DC/DC-DC/AC鏈接結構，其中前級DC/DC實現(xiàn)直流輸入和交流輸出的隔離。輸入直流先經過輸入EMI濾波器后，通過LLC全橋諧振變換器，隔離輸出760V左右直流（±380VDC），再通過半橋逆變電路，將760V直流轉換為與交流旁路同頻同相和同幅電壓。并網逆變器工作時相當于一個交流電流源，按照設定的功率（電流）將直流能量轉換為交流能量回饋到電網中。其工作原理框圖如圖1所示。

1.2 單相回饋核容放電儀

系統(tǒng)框圖如圖2，裝置主要包括一個單相有源逆變器、核容監(jiān)控觸摸屏、電池電壓和電流檢測模塊。有源逆變模塊的功率范圍為1～10kVA，對應220V電池輸入端的電流約為5～50A，按蓄電池0.1C核容折算，可以給300Ah以下容量的電池核容用。考慮到在蓄電池室或蓄電池屏中，沒有三相交流電，或者不方便取三相電，故采用單相回饋核容放電儀。

1.3 三相核容放電儀

可用三個單相有源逆變模塊或一個三相有源逆變模塊構成三相核容放電儀，系統(tǒng)框圖如圖3、4。單相有源逆變模塊的功率范圍為1～10kVA，構成三相有源逆變的功率范圍為3～30kVA，對應220V電池輸入端的電流約為15～150A，按蓄電池0.1C核容折算，可以給1200Ah以下容量的電池核容用。在蓄電池室或蓄電池屏中，要能夠方便取三相電，否則不宜采用三相回饋核容放電儀。

方案一的三相核容放電儀采用三個單相有源逆變模塊并聯(lián)而成，若某個有源逆變模塊出現(xiàn)故障不工作，則會導致回饋到交流電網中的三相電流不平衡。這種情況下，核容監(jiān)控觸摸屏必須下發(fā)指令讓另外兩臺有源逆變模塊也停止工作，核容工作中斷。而圖4的方案二可以克服此缺點，當三相有源逆變模塊出現(xiàn)故障時，三相交流電同時停止回饋，從而不會導致三相電流不平衡。

2 核容裝置工作流程

核容裝置的工作原理大致如下：

核容監(jiān)控觸摸屏根據(jù)電池檢測模塊采樣得到的電池電壓、電流參數(shù)，以及0.1C核容所需的電流進行計算，下發(fā)指令給有源逆變模塊，并隨著電池電壓的下降做相應的調整，確保電池放電電流基本維持在0.1C。控制精度一方面依賴于電池采集模塊的電壓、電流誤差，另一方面要采用負反饋的閉環(huán)算法調節(jié)指令值。

整個裝置的工作流程如圖5。

3 與常規(guī)放電儀的對比

能量回饋式的電池核容裝置與常規(guī)的發(fā)熱式核容裝置相比，優(yōu)勢如表1。

能量回饋式放電儀帶來的有益效果有如下幾點：

（1）蓄電池放出的90%以上能量回饋到交流電網，大大降低了能源浪費。

（2）采用本裝置對電池核容時，不需要額外增加風扇進行散熱;也可以遠程控制裝置進行自動核容，不需要人員到現(xiàn)場看守，大大節(jié)約了人力費用。

（3）本裝置可以放到運行中的直流電源系統(tǒng)中，通過周期性地自動對電池淺放電，可以檢測出蓄電池開路、嚴重劣化等故障并告警，從而降低蓄電池帶病運行的風險，提高直流電源可靠性。

4 結束語

隨著供電局減員增效的嚴峻形勢，變電站交直流電源運維高效的需求日益迫切，而蓄電池核容占據(jù)了很大一部分的電源運維工作量，因此遠程核容的方式勢在必行。傳統(tǒng)的發(fā)熱式放電儀由于存在不安全因素，必須要有專人現(xiàn)場看守;而有源逆變式的放電裝置因其轉換效率高，發(fā)熱少，大部分能量都回饋到交流電網，因而是遠程核容的得力助手，同時蓄電池放出的能量大部分得以利用，順應了當下社會節(jié)能、環(huán)保的潮流。

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