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(yùn)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(jì)一種蓄電池組遠(yuǎn)程控制在線放電裝置與系統(tǒng)，通過蓄電池遠(yuǎn)程放電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蓄電池組遠(yuǎn)程控制放電;在運(yùn)行中出現(xiàn)電池故障時(shí)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(hù)拒動(dòng)。研究成果對(duì)蓄電池組進(jìn)行核容放電可以做到遠(yuǎn)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(yùn)行可靠性及電力系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：蓄電池;遠(yuǎn)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(yùn)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(yùn)行，電力標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于蓄電池組核容放電周期、均充周期、核對(duì)電壓周期和測(cè)量?jī)?nèi)阻周期等維護(hù)工作提出了明確要求。在諸多蓄電池維護(hù)工作里，能夠確定蓄電池容量是否滿足運(yùn)行要求的維護(hù)工作只有蓄電池組核容放電，其他維護(hù)只能發(fā)現(xiàn)蓄電池運(yùn)行過程中的一些明顯故障或通過這些維護(hù)工作提高蓄電池運(yùn)行的安全系數(shù)。蓄電池組核容放電是以0.1C電流對(duì)蓄電池組容量進(jìn)行核對(duì)性放電，放電時(shí)長(zhǎng)小于等于10 h;放電結(jié)束后需要對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，充電過程前幾個(gè)小時(shí)是大電流工作過程。每個(gè)電力檢修公司都在蓄電池組核容放電維護(hù)工作上花費(fèi)了大量人力、物力，基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一種蓄電池組遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)蓄電池遠(yuǎn)程智能運(yùn)維管理功能與蓄電池維護(hù)自動(dòng)化目標(biāo)。

1 ? ?現(xiàn)狀分析

為使蓄電池更加高效、長(zhǎng)時(shí)地供人們使用，其監(jiān)控技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及電力工作人員的高度重視。美國(guó)、日本與歐洲的發(fā)達(dá)國(guó)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(cè)控制系統(tǒng)。從實(shí)際生產(chǎn)方面，大量制造使用電池管理系統(tǒng)的有美國(guó)Tesla公司的Tesla Roadster和SmartGuard系統(tǒng)、日本研制的Leaf、德國(guó)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(jiǎn)單調(diào)整，適用于多種型號(hào)的電池組[2]，具有廣泛的實(shí)用性和普遍性。國(guó)內(nèi)方面也很重視對(duì)蓄電池充放電監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)的研究，從2003年開始，國(guó)家已經(jīng)把關(guān)于蓄電池的科研項(xiàng)目落實(shí)到實(shí)際行動(dòng)上，逐漸進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(duì)性的技術(shù)要點(diǎn)上已經(jīng)趕上了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的水平[4]。國(guó)內(nèi)的比亞迪公司、湖南神州公司、天能動(dòng)力集團(tuán)有限公司等都為鉛酸蓄電池充放電監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)的研究貢獻(xiàn)了自己的力量。從蓄電池的全生命周期來看，主要維護(hù)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(duì)測(cè)試、蓄電池內(nèi)阻核對(duì)測(cè)量，這些方法主要存在的問題是耗費(fèi)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(dòng)化、智能化方向發(fā)展。在實(shí)踐中，大多供電局還在采用放電儀定期對(duì)蓄電池組進(jìn)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(yùn)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(yuǎn)程核容放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?系統(tǒng)組成

蓄電池組在線遠(yuǎn)程核容放電控制系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)蓄電池組運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)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(hù)人員隨時(shí)掌握蓄電池組運(yùn)行工況，準(zhǔn)確得知蓄電池組的實(shí)際容量，預(yù)判蓄電池組的可備用時(shí)間，保證直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：蓄電池在線監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)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(jìn)行告警判斷和告警信號(hào)輸出，并通過RS485與外部機(jī)通信。該子系統(tǒng)由主機(jī)、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(fù)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(jī)，主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示以及告警和節(jié)點(diǎn)輸出。

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別電池狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前蓄電池的電壓和電流，自動(dòng)識(shí)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(cè)量單體電池端電壓、極柱溫度、內(nèi)阻等，還可以測(cè)量電池組整體電壓、電流。當(dāng)測(cè)量值不在門限值范圍時(shí)，告警指示燈會(huì)亮起，恢復(fù)正常告警會(huì)自動(dòng)消除。該系統(tǒng)還能夠自動(dòng)計(jì)算電池充入容量、記錄充放電過程，具有B碼對(duì)時(shí)功能，提供時(shí)鐘同步的接口，可以方便地和衛(wèi)星時(shí)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(jìn)行檢修及維護(hù)時(shí)，通常采用電熱式放電法，即用幾個(gè)電爐絲作模擬負(fù)載對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，放電時(shí)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(jī)強(qiáng)制散熱，這種最原始的放電方式雖然簡(jiǎn)單、廉價(jià)，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(duì)蓄電池的測(cè)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(fèi);

（4）維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合無人值守。

針對(duì)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(duì)90%的能源進(jìn)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(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，尤其適合工作在無人值守電站。圖2為蓄電池充電時(shí)拓?fù)鋱D，對(duì)兩組蓄電池進(jìn)行控制，正常運(yùn)行時(shí)，K1、K4為兩個(gè)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(jī)與蓄電池組并聯(lián)，正常運(yùn)行時(shí)，只有蓄電池組的充電回路正在運(yùn)行，而放電負(fù)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(yùn)行。

圖3為蓄電池放電時(shí)拓?fù)鋱D，需要對(duì)一組蓄電池放電時(shí)，系統(tǒng)將控制K1斷開，K2、K3閉合，蓄電池組放電時(shí)，利用二極管（Q1）的反向截止特性阻止充電機(jī)的充電電流流向蓄電池組，充電機(jī)無法向蓄電池組進(jìn)行充電，也不能對(duì)放電負(fù)載進(jìn)行放電，逆變裝置將放電電流下發(fā)至逆變模塊組，此時(shí)由逆變模塊組進(jìn)行0.1C電流放電至站內(nèi)電網(wǎng)，以達(dá)到在線放電時(shí)不需要脫離母線也能實(shí)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(dòng)控制開關(guān)和過流保護(hù)開關(guān);D1和D2為隔離二極管，保證蓄電池時(shí)刻為負(fù)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?yàn)樾铍姵亟M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(diǎn)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(duì)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(shí)，任意一節(jié)電池開路，蓄電池組的放電電流Id將自動(dòng)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(hù)控制等裝置拒動(dòng)。

2.5 ? ?智能型母聯(lián)系統(tǒng)

為保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，發(fā)電廠、變電站的控制及保護(hù)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(jì)蓄電池作為后備電源;直流系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)為手動(dòng)模式，只有在檢修直流系統(tǒng)電源時(shí)才合閘母聯(lián)開關(guān)，兩套獨(dú)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(jī)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生事故時(shí)，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(dòng)投入、高電壓隔離、短路保護(hù)等特性。

3 ? ?蓄電池組在線遠(yuǎn)程核容放電控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)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(xiàng)目選用DC/AC逆變模塊進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，把蓄電池儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人值守對(duì)蓄電池組進(jìn)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(jī)輸出異常時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)智能型母聯(lián)裝置自動(dòng)啟動(dòng)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(zhǔn)確測(cè)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(jì)蓄電池開路續(xù)流裝置，以消除蓄電池組在運(yùn)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(yuǎn)程核容放電控制系統(tǒng)能夠安全可靠地對(duì)蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程核容放電查找，能夠提前預(yù)判落后電池，能對(duì)運(yùn)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(yùn)維工作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化。

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收稿日期：2020-02-19

作者簡(jiǎn)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(cè)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(hù)。

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(cè)及故障診斷。