蓄電池組在線遠程核容放電控制技術(shù)研究與應(yīng)用

王廷旺 耿保華 魏偉 南東亮 周杰

摘要：蓄電池組是站用直流系統(tǒng)的核心組成部分，是保障直流系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到站用直流系統(tǒng)的質(zhì)量?，F(xiàn)研究和設(shè)計一種蓄電池組遠程控制在線放電裝置與系統(tǒng)，通過蓄電池遠程放電系統(tǒng)實現(xiàn)蓄電池組遠程控制放電;在運行中出現(xiàn)電池故障時通過蓄電池開路續(xù)流裝置提供直流系統(tǒng)事故電流，防止保護拒動。研究成果對蓄電池組進行核容放電可以做到遠程遙控和無人值守，且工作安全可靠，可有效避免蓄電池故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)失壓引發(fā)電力系統(tǒng)重大事故等，確保站用直流電源系統(tǒng)的正常供電，提高電力系統(tǒng)的運行可靠性及電力系統(tǒng)自動化運行水平。

關(guān)鍵詞：蓄電池;遠程控制;在線監(jiān)控;充放電

0 ? ?引言

蓄電池組是站用直流系統(tǒng)的核心組成部分，是保障直流系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)，蓄電池的質(zhì)量直接關(guān)系到站用直流系統(tǒng)的質(zhì)量。為保障蓄電池安全可靠運行，電力標準對于蓄電池組核容放電周期、均充周期、核對電壓周期和測量內(nèi)阻周期等維護工作提出了明確要求。在諸多蓄電池維護工作里，能夠確定蓄電池容量是否滿足運行要求的維護工作只有蓄電池組核容放電，其他維護只能發(fā)現(xiàn)蓄電池運行過程中的一些明顯故障或通過這些維護工作提高蓄電池運行的安全系數(shù)。蓄電池組核容放電是以0.1C電流對蓄電池組容量進行核對性放電，放電時長小于等于10 h;放電結(jié)束后需要對蓄電池組進行充電，充電過程前幾個小時是大電流工作過程。每個電力檢修公司都在蓄電池組核容放電維護工作上花費了大量人力、物力，基于上述分析，本文設(shè)計了一種蓄電池組遠程控制在線放電裝置與系統(tǒng)，通過改造蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)、加裝蓄電池開路續(xù)流裝置和蓄電池在線放電系統(tǒng)，實現(xiàn)蓄電池遠程智能運維管理功能與蓄電池維護自動化目標。

1 ? ?現(xiàn)狀分析

為使蓄電池更加高效、長時地供人們使用，其監(jiān)控技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者及電力工作人員的高度重視。美國、日本與歐洲的發(fā)達國家在了解研究鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了電池模型，研發(fā)蓄電池的監(jiān)測控制系統(tǒng)。從實際生產(chǎn)方面，大量制造使用電池管理系統(tǒng)的有美國Tesla公司的Tesla Roadster和SmartGuard系統(tǒng)、日本研制的Leaf、德國研發(fā)制造的BADICHEQ和BATTMAN系統(tǒng)等[1]。BATTMAN系統(tǒng)能通過軟硬件的簡單調(diào)整，適用于多種型號的電池組[2]，具有廣泛的實用性和普遍性。國內(nèi)方面也很重視對蓄電池充放電監(jiān)測與控制技術(shù)的研究，從2003年開始，國家已經(jīng)把關(guān)于蓄電池的科研項目落實到實際行動上，逐漸進入關(guān)鍵技術(shù)探索和電池制造使用的環(huán)節(jié)[3]。為提高蓄電池的生產(chǎn)質(zhì)量和工作技術(shù)，許多大學(xué)的科研實驗室和蓄電池生產(chǎn)企業(yè)分享了各自的科研技術(shù)，并獲得了一定的成就，在一些有針對性的技術(shù)要點上已經(jīng)趕上了國外發(fā)達國家的水平[4]。國內(nèi)的比亞迪公司、湖南神州公司、天能動力集團有限公司等都為鉛酸蓄電池充放電監(jiān)測與控制技術(shù)的研究貢獻了自己的力量。從蓄電池的全生命周期來看，主要維護手段有蓄電池核容放電、蓄電池均充、蓄電池活化、蓄電池電壓核對測試、蓄電池內(nèi)阻核對測量，這些方法主要存在的問題是耗費大量的人力、物力，而在電力電子高速發(fā)展的今天，我們需要向自動化、智能化方向發(fā)展。在實踐中，大多供電局還在采用放電儀定期對蓄電池組進行全核容或半核容放電;而部分廠家推廣的在線放電裝置，由于散熱處理問題沒能得到廣泛運用。目前該類技術(shù)的主要瓶頸就是蓄電池放電產(chǎn)生的熱量耗散問題。

2 ? ?蓄電池組在線遠程核容放電控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ? ?系統(tǒng)組成

蓄電池組在線遠程核容放電控制系統(tǒng)是用于實現(xiàn)蓄電池組運行工況的實時在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)新落后的單節(jié)電池并告警的系統(tǒng)。它能使維護人員隨時掌握蓄電池組運行工況，準確得知蓄電池組的實際容量，預(yù)判蓄電池組的可備用時間，保證直流系統(tǒng)的可靠運行。該系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)：蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)、逆變放電控制系統(tǒng)、蓄電池開路續(xù)流系統(tǒng)與智能型母聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.2 ? ?蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主要檢測母線電壓、電池組電流、電池組充放電容量、單體電池電壓、單體電池內(nèi)阻、單體電池溫度，可按設(shè)置量進行告警判斷和告警信號輸出，并通過RS485與外部機通信。該子系統(tǒng)由主機、終端和模塊三部分組成，模塊主要是采集單體電池的電壓、內(nèi)阻和溫度，終端負責(zé)采集母線電壓、電流以及收集模塊采集的數(shù)據(jù)然后上傳到主機，主機負責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示以及告警和節(jié)點輸出。

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)能自動識別電池狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前蓄電池的電壓和電流，自動識別當(dāng)前蓄電池處于浮充、均充或放電狀態(tài)。該子系統(tǒng)不僅可以測量單體電池端電壓、極柱溫度、內(nèi)阻等，還可以測量電池組整體電壓、電流。當(dāng)測量值不在門限值范圍時，告警指示燈會亮起，恢復(fù)正常告警會自動消除。該系統(tǒng)還能夠自動計算電池充入容量、記錄充放電過程，具有B碼對時功能，提供時鐘同步的接口，可以方便地和衛(wèi)星時間同步。

2.3 ? ?逆變放電控制系統(tǒng)

在電力、通信行業(yè)，直流系統(tǒng)中的蓄電池每組容量一般在100～3 000 Ah，在進行檢修及維護時，通常采用電熱式放電法，即用幾個電爐絲作模擬負載對蓄電池進行放電，放電時采用電阻來消耗電能，將電能轉(zhuǎn)換成熱能釋放，采用風(fēng)機強制散熱，這種最原始的放電方式雖然簡單、廉價，但存在以下問題：

（1）大量的熱量消耗，造成環(huán)境溫升，帶來安全隱患，縮短了周圍設(shè)備的使用壽命;

（2）在放電過程中，隨著電池端電壓的變化及電阻值隨溫度的變化，放電電流不能保持恒定，對蓄電池的測量造成較大偏差;

（3）將電能轉(zhuǎn)化為熱能造成能量的巨大浪費;

（4）維護人員勞動強度大，不適合無人值守。

針對上述問題，提出逆變放電控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采取逆變式放電，即對90%的能源進行循環(huán)利用，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣骱蠓答伣o站內(nèi)電網(wǎng)。與其他放電裝置相比，其具有安全、易控、節(jié)能、準確度高等特點，尤其適合工作在無人值守電站。圖2為蓄電池充電時拓撲圖，對兩組蓄電池進行控制，正常運行時，K1、K4為兩個常閉的直流接觸器，空開1和2閉合，K2、K3、K5、K6為常開直流接觸器。充電機與蓄電池組并聯(lián)，正常運行時，只有蓄電池組的充電回路正在運行，而放電負載回路由于K2、K3、K5、K6為常開已被切斷，使系統(tǒng)在浮充狀態(tài)下能安全運行。

圖3為蓄電池放電時拓撲圖，需要對一組蓄電池放電時，系統(tǒng)將控制K1斷開，K2、K3閉合，蓄電池組放電時，利用二極管（Q1）的反向截止特性阻止充電機的充電電流流向蓄電池組，充電機無法向蓄電池組進行充電，也不能對放電負載進行放電，逆變裝置將放電電流下發(fā)至逆變模塊組，此時由逆變模塊組進行0.1C電流放電至站內(nèi)電網(wǎng)，以達到在線放電時不需要脫離母線也能實現(xiàn)放電的效果。

圖4為放電控制主回路原理圖，同一套放電控制裝置控制兩段蓄電池放電，做到邏輯高度互鎖。D1、KM1、QF1、KM2和KM3控制一段蓄電池放電，D2、KM4、QF2、KM5和KM6控制二段蓄電池放電。

KM1和KM4選用常閉直流接觸器，防止設(shè)備失電蓄電池脫離母線故障;KM2、KM3、KM5和KM6選用常開直流接觸器，控制邏輯互鎖，防止直流母線環(huán)網(wǎng);QF1和QF2分別為手動控制開關(guān)和過流保護開關(guān);D1和D2為隔離二極管，保證蓄電池時刻為負載提供事故電流。

2.4 ? ?蓄電池開路續(xù)流系統(tǒng)

蓄電池不能提供直流系統(tǒng)事故電流主要原因為蓄電池組內(nèi)有開路，蓄電池開路故障多半是落后電池在大電流沖擊下內(nèi)部極板與匯流排間焊接點熔斷所致，一節(jié)蓄電池開路將直接導(dǎo)致蓄電池組失去作用。對蓄電池組中的每節(jié)蓄電池并聯(lián)開路續(xù)流裝置，當(dāng)蓄電池組放電時，任意一節(jié)電池開路，蓄電池組的放電電流Id將自動不間斷地經(jīng)QKL-01蓄電池開路續(xù)流裝置續(xù)流，如圖5中粗線所示，可確保蓄電池組正常工作，防止保護控制等裝置拒動。

2.5 ? ?智能型母聯(lián)系統(tǒng)

為保障電力系統(tǒng)的安全運行，發(fā)電廠、變電站的控制及保護設(shè)備均采用直流電源供電，直流系統(tǒng)采用AC/DC作為主電源，設(shè)計蓄電池作為后備電源;直流系統(tǒng)在設(shè)計時還配置兩套直流系統(tǒng)作為備用。但兩段互為備用的直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)設(shè)計為手動模式，只有在檢修直流系統(tǒng)電源時才合閘母聯(lián)開關(guān)，兩套獨立直流系統(tǒng)才能互為備用。某一段直流系統(tǒng)蓄電池和充電機系統(tǒng)同時發(fā)生事故時，直流系統(tǒng)失電，互為備用的備用系統(tǒng)不能起到備用作用。智能型母聯(lián)系統(tǒng)很好地解決了上述問題，具有自動投入、高電壓隔離、短路保護等特性。

3 ? ?蓄電池組在線遠程核容放電控制系統(tǒng)優(yōu)勢分析

3.1 ? ?可解決放電熱量散耗問題

為解決蓄電池放電過程中產(chǎn)生大量熱量及熱量耗散問題，項目選用DC/AC逆變模塊進行能量轉(zhuǎn)換，把蓄電池儲能轉(zhuǎn)換成交流電能回饋到電網(wǎng)，既安全又環(huán)保。逆變模塊效率大于等于95%，工作過程中產(chǎn)生熱量極少，可以安全可靠地實現(xiàn)遠程無人值守對蓄電池組進行放電。

3.2 ? ?直流系統(tǒng)備用電源問題

蓄電池組在線核容期間，設(shè)備控制直流接觸器斷開蓄電池與直流母線主回路，在斷開位置并聯(lián)接功率二極管，保證蓄電池能不間斷為直流系統(tǒng)提供事故電源。某段直流系統(tǒng)整組蓄電池容量不足且充電機輸出異常時，系統(tǒng)內(nèi)智能型母聯(lián)裝置自動啟動備用電源系統(tǒng)為故障電源系統(tǒng)供電。

3.3 ? ?能有效分析落后蓄電池

該系統(tǒng)能準確測量蓄電池組狀態(tài)電流、單體蓄電池端電壓、蓄電池內(nèi)阻及每一節(jié)蓄電池極柱溫度，用這些參數(shù)能夠有效分析落后蓄電池。

3.4 ? ?開路蓄電池續(xù)流功能

該系統(tǒng)設(shè)計蓄電池開路續(xù)流裝置，以消除蓄電池組在運行過程中發(fā)生開路故障給電力系統(tǒng)帶來的重大安全隱患。

4 ? ?結(jié)語

蓄電池組在線遠程核容放電控制系統(tǒng)能夠安全可靠地對蓄電池進行遠程核容放電查找，能夠提前預(yù)判落后電池，能對運行中的開路故障蓄電池提供事故電流續(xù)流，真正意義上使蓄電池運維工作實現(xiàn)了自動化、智能化。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-02-19

作者簡介：王廷旺（1987—），男，四川南充人，工程師，研究方向：二次設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷。

耿保華（1986—），男，新疆阿勒泰人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。

魏偉（1987—），男，甘肅正寧人，工程師，研究方向：二次設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷。