變電站蓄電池遠(yuǎn)程核容控制系統(tǒng)研究

王鳳祥 袁煥炯

(1、龍灘水電開發(fā)有限公司,廣西 天峨547300 2、廣州市仟順電子設(shè)備有限公司,廣東 廣州510000)

1 背景介紹

蓄電池組是發(fā)電站、變電站直流系統(tǒng)的后備電源,其可靠性極其重要。當(dāng)充電機(jī)出現(xiàn)交流失電或者故障等情況停止工作,蓄電池將成為直流系統(tǒng)唯一電源供給。此時蓄電池組出現(xiàn)問題,將導(dǎo)致直流系統(tǒng)失電,供電系統(tǒng)面臨癱瘓,引發(fā)重大運(yùn)行事故。經(jīng)研究,當(dāng)前判斷蓄電池性能最準(zhǔn)確、最權(quán)威的方法就是對蓄電池進(jìn)行核對性放電試驗(yàn)。

目前主流的核容放電儀器大多使用PTC 等電阻材料作為負(fù)載,通過電阻發(fā)熱將電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的的方式進(jìn)行放電。電阻性放電儀放電特性良好,但也存在以下幾個缺點(diǎn)：

1.1 安全性低,需要風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱,需要人工值守。放電試驗(yàn)是大電流設(shè)備運(yùn)行,放電負(fù)載電阻的表面積可達(dá)200～300 攝氏度,高溫始終是一個安全隱患,可能損壞設(shè)備,傷害作業(yè)人員甚至引發(fā)火在等。

1.2 放電時間較長,人工參與度高、效率低。如蓄電池以0.1C 核容放電,就需要10 小時。

1.3 能源浪費(fèi)。如220V/300AH 的蓄電池組采取0.1C 熱放電法放電,電能將以6600W 的放電功耗全部散發(fā)到空氣中。21實(shí)際提倡節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)方式,在保證安全、穩(wěn)定的情況下應(yīng)盡量解決能源浪費(fèi)問題。

2 功能分析

本文基于智能、安全、高效的基本理念,針對現(xiàn)有核容技術(shù)人工成本高、效率低、安全性低、資源浪費(fèi)等缺點(diǎn),研究一個能夠遠(yuǎn)程控制管理蓄電池充放電及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理的智能核容系統(tǒng)。系統(tǒng)分為站端控制系統(tǒng)和后臺系統(tǒng),后臺系統(tǒng)為后臺服務(wù)器和用戶端,是遠(yuǎn)程管理和控制的窗口,一般位于發(fā)電廠、站的辦公區(qū)域；站端控制系統(tǒng)由放電控制裝置、放電負(fù)載等站端設(shè)備組成,是充放電試驗(yàn)的執(zhí)行者。系統(tǒng)設(shè)計具備以下幾種功能：

2.1 能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視蓄電池組充放電狀態(tài)(充電電壓、放電電壓、充放電電流),能夠遠(yuǎn)程控制放電試驗(yàn)的開始和停止。

2.2 具備系統(tǒng)巡檢功能,實(shí)時獲取蓄電池組、放電負(fù)載和通訊功能的狀態(tài),判斷是否存在故障。

2.3 具備參數(shù)可設(shè)置的核容試驗(yàn)功能,可設(shè)置的參數(shù)為放電電流、放電終止時間、放電終止端電壓和放電終止單體電池電壓。放電過程具備緊急停止功能和故障停止功能。

2.4 數(shù)據(jù)管理功能,實(shí)時獲取充放電電流、蓄電池端電壓、單體蓄電池,單體蓄電池溫度等數(shù)據(jù)。記錄充放電的時間、運(yùn)行狀況、和故障記錄等數(shù)據(jù),并在歷史中可以查看。

2.5 權(quán)限管理功能,對不同用戶實(shí)行權(quán)限管理,避免無經(jīng)驗(yàn)人誤啟動和誤終止。

3 工作原理

3.1 放電控制原理

圖1 放電控制原理

圖2 逆變器工作原理圖

系統(tǒng)由放電控制裝置對一系列開關(guān)的控制來實(shí)現(xiàn)放電管理。如圖1,以逆變模塊組作為蓄電池放電負(fù)載。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時,開關(guān)DK11 和DK21 為閉合狀態(tài),充電機(jī)可以通過開關(guān)DK11 和DK21 給蓄電池進(jìn)行浮充電；K1、K2、K3、K4 為斷開狀態(tài),逆變模塊組不工作。當(dāng)需要給一段蓄電池進(jìn)行放電試驗(yàn)時,放電控制裝置將控制開關(guān)DK11 斷開,使充電機(jī)無法給蓄電池充電,再控制閉合開關(guān)K1、K2,蓄電池接入逆變模塊組,開始進(jìn)行放電試驗(yàn)。當(dāng)放電終止時,斷開開關(guān)K1、K2,重新閉合開關(guān)DK11,充電機(jī)通過開關(guān)DK11 給蓄電池組進(jìn)行均充。

3.2 逆變模塊組

逆變模塊組由多個有源逆變器組成。有源逆變器是新興的蓄電池放電負(fù)載,能夠把直流電轉(zhuǎn)換成交流電回饋到站內(nèi)交流系統(tǒng)。有源逆變器的應(yīng)用解決了電阻性負(fù)載放電時的熱安全問題和能源浪費(fèi)問題。

如圖2 所示,有源逆變器的原理是：采用DC/DC-DC/AC 鏈接結(jié)構(gòu)。輸入直流先經(jīng)過輸入EMI 濾波器后,通過LLC 全橋諧振變換器,隔離輸出760V(±380VDC)左右直流電,再通過半橋逆變電路,將760V 直流轉(zhuǎn)換為與交流旁路同頻同相和同幅值的交流電壓。并網(wǎng)逆變器工作時相當(dāng)于一個交流電流源,按照設(shè)定的功率將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量回饋到電網(wǎng)中。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 站端控制系統(tǒng)

整個放電控制系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、蓄電池監(jiān)控終端、蓄電池監(jiān)控模塊、放電控制裝置和逆變模塊組成。

后臺通過TCP/IP 協(xié)議與監(jiān)控主機(jī)通信,來獲取數(shù)據(jù)以及發(fā)送放電試驗(yàn)的開始和終止的指令。監(jiān)控主機(jī)是站端系統(tǒng)的管理中心,它負(fù)責(zé)獲取蓄電池監(jiān)控終端傳來的數(shù)據(jù),判斷蓄電池狀態(tài)和是否存在故障,依此決定是否給放電控制裝置發(fā)送核容開始和終止的命令。

放電控制裝置是控制中樞,他能夠接受監(jiān)控主機(jī)發(fā)來的命令,獲取放電系統(tǒng)中各個開關(guān)的狀態(tài)(開關(guān)量信號),控制放電系統(tǒng)中各個開關(guān)的開合和逆變模塊工作,繼而控制放電試驗(yàn)的開始和終止。

蓄電池監(jiān)控終端和修電池監(jiān)控模塊相當(dāng)于蓄電池巡檢儀,負(fù)責(zé)監(jiān)測蓄電池的端電壓、端電流、單體電壓和單體溫度的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過蓄電池監(jiān)控終端進(jìn)行處理和計算然后傳輸給監(jiān)控主機(jī)。

4.2 后臺系統(tǒng)

后臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩個模塊：數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和數(shù)據(jù)后臺。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控采用分布式架構(gòu),由服務(wù)器對站端監(jiān)控主機(jī)發(fā)送命令和獲取數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。數(shù)據(jù)后臺采用B/S 架構(gòu),即瀏覽器/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,用戶端可以通過瀏覽器登陸服務(wù)器進(jìn)行訪問和發(fā)送控制命令。

服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)與站端裝置(監(jiān)控主機(jī))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,并將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲存。數(shù)據(jù)后臺是用戶進(jìn)入系統(tǒng)查看數(shù)據(jù)的窗口,通過瀏覽器訪問后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),查看系統(tǒng)采樣和存儲的數(shù)據(jù)。

基于分部式架構(gòu)和B/S 架構(gòu)的后臺設(shè)計,一方面大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)升級的成本,提高系統(tǒng)性能；另一方面也極大的簡化了客戶端,提升了用戶體驗(yàn)感,用戶只需要通過瀏覽器登陸就可以瀏覽服務(wù)器數(shù)據(jù)。

5 安全措施

蓄電池核容放電試驗(yàn)是高電流,大功率的運(yùn)行試驗(yàn),為了保證系統(tǒng)安全可靠性,必須對遠(yuǎn)程核容放電試驗(yàn)設(shè)定完善的安全措施:

5.1 核容封閉條件。當(dāng)監(jiān)控主機(jī)判斷放電控制系統(tǒng)存在通訊故障、蓄電池端電壓欠壓、單體蓄電池欠壓、單體蓄電池內(nèi)阻過高、單體蓄電池溫度過高、逆變器故障等故障時,應(yīng)禁止遠(yuǎn)程核容放電控制。避免核容放電試驗(yàn)造成故障擴(kuò)大、損壞蓄電池等事故。

5.2 核容終止條件。當(dāng)正在執(zhí)行核容放電試驗(yàn)過程中,系統(tǒng)出現(xiàn)通訊故障、蓄電池端電壓欠壓、單體蓄電池欠壓、單體蓄電池內(nèi)阻過高、單體蓄電池溫度過高、逆變器溫度過高等故障時,系統(tǒng)立即終止放電試驗(yàn)。并記錄終止原因、終止時間等數(shù)據(jù)。

5.3 優(yōu)先級設(shè)定。即遠(yuǎn)端控制的放電試驗(yàn)和站端工作人員執(zhí)行控制的放電試驗(yàn)之間的優(yōu)先級。站端放電控制應(yīng)優(yōu)先于遠(yuǎn)端控制；站端控制可終止遠(yuǎn)端控制執(zhí)行的放電試驗(yàn)；遠(yuǎn)端控制禁止終止站端執(zhí)行的放電試驗(yàn)。

6 結(jié)論

本文研究設(shè)計了一個變電站蓄電池遠(yuǎn)程核容控制系統(tǒng),系統(tǒng)以站端控制系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)組成,以有源逆變器作為放電負(fù)載,以分布式架構(gòu)和B/S 架構(gòu)設(shè)計后臺系統(tǒng)。設(shè)計的系統(tǒng)解決了熱放電負(fù)載存在的熱安全問題和能源浪費(fèi)問題,以分布式架構(gòu)和B/S 架構(gòu)設(shè)計的后臺系統(tǒng)大大減少了開發(fā)成本和維護(hù)陳本,簡化了客戶端,無需用戶升級,提升了用戶的體驗(yàn)感。