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        變電站蓄電池剩余容量在線監(jiān)測(cè)淺析

        2017-12-10 11:01:12高俊彥林筱慧黃景婧國(guó)網(wǎng)廈門供電公司
        大陸橋視野 2017年20期
        關(guān)鍵詞:紋波內(nèi)阻蓄電池

        曾 麟 高俊彥 陳 海 林筱慧 黃景婧/國(guó)網(wǎng)廈門供電公司

        變電站蓄電池剩余容量在線監(jiān)測(cè)淺析

        曾 麟 高俊彥 陳 海 林筱慧 黃景婧/國(guó)網(wǎng)廈門供電公司

        閥控鉛酸蓄電池作為直流系統(tǒng)后備電源被廣泛的應(yīng)用在變電站中,但由于在具體的使用過(guò)程中缺乏完善的監(jiān)測(cè)手段,導(dǎo)致直流電源常常由于電池問(wèn)題引發(fā)一些不必要的事故。設(shè)計(jì)選擇一種有效的蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案,通過(guò)監(jiān)控軟件準(zhǔn)確地掌握蓄電池的內(nèi)阻、電壓以及剩余容量等參數(shù)顯得十分重要,論文介紹和分析了蓄電池剩余容量在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)發(fā)展及各類方法。

        蓄電池內(nèi)阻;在線監(jiān)測(cè);剩余容量

        一、蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能完善方案

        傳統(tǒng)核對(duì)性放電設(shè)備普遍都是采用電阻絲對(duì)電池進(jìn)行放電,而且都是人工操作,它的程序很繁瑣,還存在一定人身危險(xiǎn),現(xiàn)在這種傳統(tǒng)的核對(duì)性放電試驗(yàn)正在被逐步淘汰。單一頻率的交流測(cè)試法幾乎可以用來(lái)測(cè)量所有種類電池;交流法的測(cè)量對(duì)電池的本身不會(huì)造成大的損害。單頻率的交流測(cè)試法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度比不上直流內(nèi)阻測(cè)試法,其測(cè)量精度可能會(huì)受紋波電流影響,有時(shí)還受到電磁波電流干擾,測(cè)試電路的抗干擾能力還需要加強(qiáng)。使用單一頻率交流法來(lái)提取電池阻抗信息來(lái)判斷蓄電池剩余容量(SOC)以及健康狀態(tài)的判據(jù)還不是很充足,且單一頻率的方法難以平衡測(cè)量的準(zhǔn)確性、復(fù)雜度的等因素。上述方法都各有優(yōu)缺點(diǎn),我們要根據(jù)不同的應(yīng)用情況和測(cè)試要求來(lái)選擇在線監(jiān)測(cè)的方法,可以綜合考慮采用兩種或兩種以上的方法進(jìn)行判斷和分析,以完善對(duì)蓄電池組的在線監(jiān)測(cè)水平。

        二、幾種常用的剩余容量預(yù)測(cè)方法

        (一)密度法

        蓄電池剩余容量和其內(nèi)部電解液密度密切相關(guān)。其電解液密度由硫酸鉛、氧化鉛和鉛三者決定。通過(guò)測(cè)量電解液的密度值,可間接推算其剩余電量。但在電池使用后期,隨著正負(fù)極板的腐蝕、斷筋,上述三種物質(zhì)的比例發(fā)生較大差異,從而導(dǎo)致用密度值推算剩余電量不再準(zhǔn)確。另外密度法常用于開口式鉛酸電池內(nèi)阻的測(cè)量,不適合密封式蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。

        (二)開路電壓法

        開路電壓法是通過(guò)測(cè)量蓄電池的直流端電壓來(lái)估計(jì)蓄電池的剩余容量,精度很差,甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。因?yàn)榧词挂粋€(gè)容量已經(jīng)變得很小的蓄電池,在浮充狀態(tài)下其端電壓仍可能表現(xiàn)得很正常。

        (三)放電法

        通過(guò)對(duì)蓄電池施加一負(fù)載,計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的電池端電壓變化率,根據(jù)變化率的大小推算剩余電量。變化量小意味著剩余電量大,否則反之。為了縮短測(cè)量時(shí)間,需要對(duì)蓄電池大電流放電,而大電流放電對(duì)蓄電池將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷,影響電池的使用壽命。另外,此方法也不適合在線測(cè)量。

        (四)交流注入法

        通過(guò)對(duì)蓄電池注入一個(gè)低頻交流電流信號(hào),測(cè)出蓄電池兩端的低頻電壓和流過(guò)的低頻電流以及兩者的相位差,從而計(jì)算出內(nèi)阻。這種方法由于測(cè)試時(shí)不需要將蓄電池系統(tǒng)退出運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。但這種方法容易受到各種因素的干擾以及本身是一個(gè)很大的容性器件,造成它的測(cè)量精度不高。

        三、交流紋波法測(cè)量測(cè)試方案的實(shí)施

        (一)硬件設(shè)計(jì)

        1.單片機(jī)Atmega16

        本系統(tǒng)采用Atmel公司的新一代AVR單片機(jī)(Atmega16)是一種功能非常強(qiáng)大的單片機(jī),片內(nèi)不僅集成了許多外圍接口功能電路,而且運(yùn)算速度快、功耗低、可靠性高,非常適合在智能儀器儀表應(yīng)用。該單片機(jī)具有如下優(yōu)越性能:

        (1)超功能精簡(jiǎn)指令,高速度、低功耗,每一條指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns;

        (2)片內(nèi)有16kBFlash程序存儲(chǔ)器,512字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,1k字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器;

        (3)32個(gè)通用I/O口線,32個(gè)通用工作寄存器;

        (4)三個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷,內(nèi)置看門狗Watchdog定時(shí)器,防止程序跑飛;

        (5)8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝)的ADC;

        (6)工作電壓范圍為2.7~5.5V,電源抗干擾性能較強(qiáng)。

        2.前置放大電路

        由于電池的內(nèi)阻很小,一般為幾十微歐到幾十豪歐,充電設(shè)備施加到蓄電池上的紋波電流安培級(jí)而紋波電壓僅為幾十毫伏,因此在本裝置中差動(dòng)放大器采用高精密的儀器用放大器AD620,其內(nèi)部核心為三運(yùn)放電路,有較高的共模抑制比CMRR,溫度穩(wěn)定性好,噪聲系數(shù)小,只要外接一個(gè)電阻可以設(shè)置1~3000的增益。

        3.鑒相處理電路

        由前面的分析,交流紋波法預(yù)測(cè)蓄電池內(nèi)阻,需要測(cè)量紋波電壓U、紋波電流I及二者之間的的相位差θ,由于紋波電壓信號(hào)是毫伏級(jí)的交流信號(hào),需要進(jìn)行放大、交流采樣等一系列軟硬件處理才能得出其有效值,另外還需專門電路求相位差θ并將它轉(zhuǎn)化為cosθ處理,既影響了精度,又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。故采用鑒相處理的方法,即將蓄電池兩端上的交流紋波電壓信號(hào)與相應(yīng)的經(jīng)過(guò)一定處理措施所測(cè)量的正弦電流信號(hào)相乘,通過(guò)濾波器濾掉交流成分,再將cosθ映射到內(nèi)阻中。

        4.A/D轉(zhuǎn)換器

        單片機(jī)Atmega16雖然內(nèi)置8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝)的ADC,但無(wú)法滿足本套裝置的測(cè)量精度。為獲得較高的剩余電量預(yù)測(cè)精度,被測(cè)值必須有足夠多的有效位數(shù),為此我們?nèi)?位有效數(shù)字,這樣就要求A/D轉(zhuǎn)換器必須在14位以上。由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為變化緩慢的低時(shí)變信號(hào),所以只需選低速串行A/D轉(zhuǎn)換器,為此選用AD7715、AD7715為16位A/D轉(zhuǎn)換器,具有自校零、自校量程功能,具有很高的測(cè)量精度,另外還有SPI接口,便于與單片機(jī)高速通信。

        (二)軟件設(shè)計(jì)

        本套測(cè)試系統(tǒng)中的Atmega16單片機(jī)采用目前流行的CodeVision編譯器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),編譯語(yǔ)言為嵌入式C語(yǔ)言,包括主程序、液晶顯示程序、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)/設(shè)置程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理程序、A/D程序、串口通訊程序等。

        四、高噪聲情況下在線測(cè)量方法的改進(jìn)

        測(cè)量蓄電池剩余容量具有較高精度,離線測(cè)量時(shí)誤差優(yōu)于7%。然而在實(shí)時(shí)的在線測(cè)量中,卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際所測(cè)得的蓄電池剩余容量精度不盡人意,有時(shí)誤差甚至超過(guò)10%。是什么原因引起這種誤差呢?為此,我們對(duì)蓄電池的幾種工作狀態(tài),即供電正常情況下的浮充狀態(tài),市電故障情況下的放電狀態(tài)以及逆變器故障時(shí)的狀態(tài)分別進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在逆變器故障情況下,可以達(dá)到與離線測(cè)試時(shí)近似的精度。至此,可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的,為此,我們嘗試采用低通濾波器的方法來(lái)提高測(cè)試精度,效果很好。

        五、結(jié)語(yǔ)

        在分析研究了當(dāng)前幾種常見蓄電池剩余容量預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上,本文提出了一種利用充電機(jī)交流紋波來(lái)獲得蓄電池容量相關(guān)信息的新方法— —交流紋波法,并詳盡的闡述了其硬件與軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)本裝置真正實(shí)現(xiàn)了蓄電池剩余容量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)提高直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行、提高供電系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度,有著十分重要的意義。

        [1]史相玲.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].河北:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2009,12.

        [2]高鵬,崔君瑩,白瑞雪.閥控密封式鉛酸善電池的原理及其運(yùn)行維護(hù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2009(11):23-25.

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