變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池組核容技術(shù)研究

徐 崢

（國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

直流電源系統(tǒng)在變電站中具有重要作用，是保證變電站內(nèi)部各項設(shè)備穩(wěn)定運行的重點。變電站設(shè)備的直流供電一般通過直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為交流電。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，蓄電池組為充電狀態(tài)，即不帶負(fù)載。一旦出現(xiàn)事故且造成變電站交流系統(tǒng)失電時，蓄電池組可以作為變電站的應(yīng)急電源，為設(shè)備的運行提供直流電?？梢?，蓄電池組供電不僅能夠應(yīng)對事故的處理，還可以使電網(wǎng)快速恢復(fù)正常運行。考慮技術(shù)的限制，固有電力運行管控方法缺乏有效性，智能監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋面積也較小，系統(tǒng)維護(hù)依然存在人工巡視與核對蓄電池容量的現(xiàn)象，效率較低。由于蓄電池容量核對需要花費較長的時間，必然會導(dǎo)致人力資源的浪費。如果變電站與蓄電池的數(shù)量持續(xù)增多，而運維人員人數(shù)并未增多，則將難以支持各組蓄電池的維護(hù)。本文將核容技術(shù)應(yīng)用于并聯(lián)蓄電池組，可有效處理交流系統(tǒng)面臨的故障，保證變電站內(nèi)部設(shè)備的穩(wěn)定運行。

1 變電站直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)變電站直流系統(tǒng)的維護(hù)經(jīng)驗，它的工作電壓以220 V、110 V、48 V為主。在不考慮交流配電的情況下，直流系統(tǒng)內(nèi)部主要包括蓄電池、電池管理系統(tǒng)、直流充電模塊以及直流負(fù)載等[1]。

蓄電池作為直流系統(tǒng)的重要組成部分，有防酸式蓄電池、閥控密封鉛酸蓄電池以及鎘鎳蓄電池3種，其中以閥控密封鉛酸蓄電池最為常見。直流系統(tǒng)的充電模塊包括工頻交流整流器和微機(jī)模塊化充電機(jī)。直流回路在直流母線的作用下，為所有直流負(fù)荷中間環(huán)節(jié)提供電能，并按照負(fù)荷形式與供電路徑劃分為獨立分支，具體包括斷路器合閘供電分支和事故照明供電分支[2]。對于直流負(fù)載，按照功能分類，可以分為控制負(fù)荷和動力負(fù)荷。若按照形式分類，則可以分為經(jīng)常性負(fù)荷、事故負(fù)荷以及沖擊負(fù)荷3種。具體的直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流系統(tǒng)

2 并聯(lián)蓄電池組的應(yīng)用原理

蓄電池串聯(lián)不僅會降低單節(jié)蓄電池的質(zhì)量，而且連接線會降低整組電池的穩(wěn)定性。此外，串聯(lián)蓄電池還有可能面臨無法在線更換、新舊電池不匹配以及冗余配置投入成本高等問題。蓄電池并聯(lián)技術(shù)受到從業(yè)者的極大關(guān)注，但考慮技術(shù)條件難以滿足需求，一直未達(dá)到理想的應(yīng)用效果。隨著電力電子技術(shù)水平的不斷提升，交流轉(zhuǎn)直流技術(shù)、直流轉(zhuǎn)直流技術(shù)、通信協(xié)議以及模塊設(shè)計技術(shù)等愈發(fā)成熟，使得蓄電池并聯(lián)的應(yīng)用更為廣泛[3-5]。并聯(lián)蓄電池組如圖2所示。

圖2 并聯(lián)蓄電池組

設(shè)計研發(fā)并聯(lián)蓄電池模塊，其中電壓原理、電流原理以及容量原理分別如下。

2.1 電壓原理

每節(jié)蓄電池需要獨立配置交流轉(zhuǎn)直流充電模塊、直流升壓模塊以及中央處理器（Central Processing Unit，CPU）智能回路控制模塊，從而構(gòu)成智能蓄電池模塊。蓄電池的電壓為12 V，需要應(yīng)用升壓裝置使各模塊均能夠獨立輸出直流電壓（220 V或110 V）。

2.2 電流原理

110 kV變電站的設(shè)備常規(guī)直流負(fù)荷在10 A以下，因此前期設(shè)置參數(shù)以10 A為基準(zhǔn)，按照2倍負(fù)荷加以配置。配置220 V輸出電壓、2 A輸出電流，獲得10組智能蓄電池模塊，將其并聯(lián)后，確定與20 A負(fù)荷要求相符。

2.3 容量原理

當(dāng)變電站的交流系統(tǒng)失電時，蓄電池組為設(shè)備提供直流負(fù)荷。由于存在應(yīng)急負(fù)荷，假設(shè)蓄電池組持續(xù)放電4 h且放電電流為20 A，在該條件下進(jìn)行計算，得出單節(jié)蓄電池在持續(xù)放電4 h的放電電流為2 A，遵循能量守恒定律，與實際要求相符，可以確定單節(jié)蓄電池的容量為200 Ah。

智能蓄電池模塊并聯(lián)后，可以組成并聯(lián)蓄電池模塊組。利用該并聯(lián)模式代替固有設(shè)計的多塊蓄電池串聯(lián)模式，能夠滿足額定電壓要求。同時，充電模塊采用蓄電池組整體充電形式，使得蓄電池可以更好地服務(wù)設(shè)備，配置整組蓄電池。

3 直流系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池組核容技術(shù)應(yīng)用

3.1 核容技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計

針對直流系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池組核容技術(shù)的應(yīng)用，可以將其作為系統(tǒng)設(shè)計的一種技術(shù)手段。該技術(shù)除了適用于單組蓄電池，還可以在若干蓄電池組并聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用，使蓄電池組與直流母線遠(yuǎn)程核容脫離，也可以杜絕交流失電造成的斷電問題。系統(tǒng)設(shè)計的對象主要包括核容管理平臺、電池管理模塊、核容模塊以及遠(yuǎn)程放電控制盒。其中，遠(yuǎn)程放電控制盒由二極管和故障診斷模塊等組成。按照電池組容量和電壓等級，可以選擇電力二極管或者直流接觸器。

在設(shè)計階段應(yīng)用遠(yuǎn)程放電控制盒故障診斷機(jī)制，處于正常運行工況時，電力二極管導(dǎo)通壓降設(shè)置為0.5 V，處于額定電流時的壓降為1.6 V，選擇直流接觸器閉合接觸電阻以1 mΩ為準(zhǔn)。根據(jù)該診斷機(jī)制，判斷二極管和接觸器是否存在故障，具體判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示?；谠撨\行原理，可以在核容技術(shù)的作用下檢測遠(yuǎn)程放電控制盒的運行狀態(tài)。

表1 遠(yuǎn)程放電控制盒故障判斷標(biāo)準(zhǔn)

3.2 核容模塊

設(shè)計中，對于純消耗型的負(fù)載核容模塊，建議按照設(shè)備型號選擇若干電阻條并聯(lián)的形式。其中，電阻條的主要材質(zhì)為鎳鉻扁絲，能夠支持10 A電流。如果設(shè)備要求是50 A電流，那么在設(shè)計時可以選擇5個電阻條并聯(lián)。投入運行時，為減少單管功耗，建議增加金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管的數(shù)量，從而擴(kuò)大散熱面積，并采用獨立的恒流電路加以驅(qū)動。核容技術(shù)在應(yīng)用中可以選擇6個單管恒流單元，節(jié)點P和節(jié)點A均為并接方式，節(jié)點A能夠調(diào)節(jié)恒流支路等負(fù)反饋電路，節(jié)點B采取接地處理，且與電流采樣電阻相連。當(dāng)有電流通過時，電流采樣電阻會生成電壓信號。放大該信號，且與電流基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對比，隨后將其輸出至A點，從而實現(xiàn)對MOS管開通電壓的控制，再控制導(dǎo)通電阻和支路電流。

此外，核容技術(shù)可以應(yīng)用于饋電式放電模塊。該模塊包括純阻性假負(fù)載和電源模塊等。其中，電源模塊可以應(yīng)用于恒流模式中的BOOST拓?fù)?，能夠提升核容環(huán)節(jié)的電壓，直至稍高于充電機(jī)輸出電壓，從而提高直流端負(fù)載供電電壓的穩(wěn)定性。核容時，一般先以實際負(fù)載達(dá)到核容為目的，純阻性假負(fù)載斷開。電流通過電源模塊，經(jīng)過升壓后為電路提供電能。若實際負(fù)載難以支持放電電流的要求，則按照實際缺失的電流，啟動假負(fù)載運行。

核容期間，需要保證充電機(jī)的輸出電壓不變，被測蓄電池組為實際負(fù)荷提供恒流供電，從而達(dá)到在線恒流放電的目標(biāo)。該過程中，另一組蓄電池組依然處于滿浮充備份狀態(tài)，以免放電時系統(tǒng)因故障而無法運行。

3.3 管理平臺

當(dāng)蓄電池組處于浮充運行狀態(tài)時，對于核容模塊內(nèi)蓄電池組而言，其放電開關(guān)與母聯(lián)開關(guān)均斷開，遠(yuǎn)程放電控制盒中的蓄電池組輸出開關(guān)閉合。應(yīng)用核容技術(shù)創(chuàng)建管理平臺，可以為該平臺賦予遙測、遙信、遙控以及遙調(diào)等功能。選擇核容蓄電池組時，工作人員需要科學(xué)設(shè)置技術(shù)參數(shù)，具體包括核容放電電流、放電容量、放電時間、溫度、電流以及電壓等。工作人員需要登錄核容管理平臺，確定遠(yuǎn)程核容蓄電池組無異常報警后，按照規(guī)定選取全容量/設(shè)定容量，并結(jié)合實際情況設(shè)置核容參數(shù)。電池管理模塊按照發(fā)出的指令，控制遠(yuǎn)程放電控制盒中的蓄電池組輸出開關(guān)斷開。此時蓄電池組不再充電，直流系統(tǒng)的輸出供電隨之中斷，蓄電池組放電開關(guān)閉合，隨即開啟負(fù)載模塊，從而達(dá)到放電的目的。蓄電池遠(yuǎn)程核容平臺發(fā)出指令后，便可以開啟放電模塊的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)蓄電池組放電。

基于管理平臺的運行原理，應(yīng)用核容技術(shù)設(shè)計管理平臺，可以選擇如下3種模式。第一，處于正常核容狀態(tài)時，如果沒有出現(xiàn)交流失電現(xiàn)象，那么在結(jié)束后可以獲得具體的核容分析結(jié)果，隨后可以恢復(fù)蓄電池電路繼續(xù)充電。若控制負(fù)載模塊已經(jīng)退出，則蓄電池組在充電過程中也會為直流系統(tǒng)輸出供電。第二，若核容時出現(xiàn)交流失電現(xiàn)象，則工作人員必須馬上中斷核容，保護(hù)系統(tǒng)的運行安全。交流電恢復(fù)正常開始恢復(fù)蓄電池電量時，可以按照計劃循序漸進(jìn)實施核容。第三，正常核容后，若充電時依然出現(xiàn)交流失電現(xiàn)象，則需要立即對系統(tǒng)采取相應(yīng)的維護(hù)措施。交流電恢復(fù)后，需要再次給蓄電池充電，待電能充滿后，方可按照計劃內(nèi)容實施核容。

3.4 核容評估

站點蓄電池核容時，可能會發(fā)生交流失電，且很難達(dá)到完全深度核容。即便能夠?qū)崿F(xiàn)完全放電，也會因鉛酸蓄電池的特性而導(dǎo)致很多蓄電池在未達(dá)到截止電壓時出現(xiàn)難以準(zhǔn)確評估性能的現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行核容評估。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中包括大量處理單元，用于描述非線性與多數(shù)據(jù)的并行問題。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于核容技術(shù)，選定輸入樣本，分別設(shè)定為A、C，且歸一化處理樣本得出隱層，表達(dá)式為

式中：By為隱層；f為[-1，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；YMxy為輸入與隱層權(quán)值；Ax為輸入樣本；θy為隱層觸發(fā)閾值。

隨后獲得輸出層，表達(dá)式為

式中：Cz為輸出層；SWyz為隱藏與輸出權(quán)值。

如果誤差超出前期預(yù)設(shè)誤差，那么權(quán)值與閾值需要在此階段按照公式進(jìn)行糾正，即

式中：n為變量；ηz為輸出觸發(fā)閾值；Sez和Yey為輸出層與隱層的校正誤差；α和β為學(xué)習(xí)系數(shù)。

該環(huán)節(jié)還需要應(yīng)用MATLAB構(gòu)建“一輸入一輸處”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用newff函數(shù)完成反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練階段應(yīng)用多輸入學(xué)習(xí)樣本和單輸出教師樣本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要求當(dāng)下容量和標(biāo)稱容量比值小于100%。輸入樣本是各蓄電池性能的放電數(shù)據(jù)，如果需要大量蓄電池放電，那么可以將各個蓄電池性能相應(yīng)的放電曲線數(shù)組視為訓(xùn)練集。如果結(jié)束一次核容放電放出容量為50%的情況，那么采取每5%的樣本集參與訓(xùn)練。因為輸出樣本范圍為0%～100%，所以不需要采取深入的歸一化措施。輸入放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即

式中：vmin為放電截止電壓；vmax為完全充滿后的起始電壓。歸一化處理完成后，以2 V鉛酸蓄電池為對象進(jìn)行計算，得出vmin為1.80 V，vmax為2.15 V。若f(v)≥1，則記為1。此外，核容技術(shù)很難準(zhǔn)確預(yù)測放電時電壓發(fā)生突變的情況，需要探索其他輸出，以達(dá)到補(bǔ)充效果。

4 結(jié) 論

針對變電站中的直流系統(tǒng)，若采用并聯(lián)蓄電池組進(jìn)行供電，則應(yīng)用核容技術(shù)非常重要。通過該技術(shù)可以實現(xiàn)降本增效，且可以進(jìn)一步提升變電站內(nèi)部設(shè)備的運行安全性?；诤巳菁夹g(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗，需要在今后直流系統(tǒng)運維管理中深入探索，總結(jié)實效性更高的技術(shù)手段，以保障變電站的安全穩(wěn)定運行。