劉 敏,陳凌宇,朱宇勛,伍廉奎

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院,浙江 杭州 310014;2.浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院,浙江 杭州 310014;3.中山大學 材料學院,廣東 深圳 518107)

鉛酸蓄電池自1859年被法國化學家Gaston Plante發(fā)明以來[1-2],以其造價低廉、安全性高、運行穩(wěn)定和使用壽命長等特點,被廣泛應用于通信、運輸、金融、電力和建筑等行業(yè)。目前,鉛酸蓄電池按結構大致可分為4類:開口式[3]、排氣式[4]、防酸隔爆式[5]和密封閥控式。其中,密封閥控式鉛酸蓄電池由于電解液的消耗量極小,且具有體積小、抗震、耐高溫和自放電小等特點,在電信部門得到迅速推廣及使用[6]。密封閥控式鉛酸蓄電池(簡稱鉛酸蓄電池)是電網(wǎng)中重要的直流供電部分,其與充電機共同承擔繼電保護、自動裝置、自動化設備和斷路器跳合閘設備等的供電任務[7]。當交流電出現(xiàn)故障時,鉛酸蓄電池作為唯一的直流電源對外供電。因此,鉛酸蓄電池失效可能導致緊急情況下變電站發(fā)生的重大運行事故。2019年3月,浙江某110 kV變電站因蓄電池負極匯流排的焊接工藝缺陷和負極腐蝕裕度設計不足引起匯流排出現(xiàn)腐蝕斷裂,無法對站內(nèi)保護裝置提供直流電源,引發(fā)全站停電[8]。

綜上,鉛酸蓄電池的服役狀態(tài)和實際輸出容量監(jiān)測對電力設施的安全運行具有重要意義。為確保電力系統(tǒng)后備電源供電的可靠性,必須對鉛酸蓄電池的狀況進行實時監(jiān)測和管理。鉛酸蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度等參數(shù)與蓄電池的性能直接相關,因此監(jiān)測這些參數(shù)可以預測蓄電池的健康狀況[9-10]。此外,相當一部分電網(wǎng)企業(yè)退役下來的蓄電池狀態(tài)較好,在一些要求并不十分嚴格的場景仍有利用價值,可進行梯次利用。這既避免了資源浪費,也有效保護了環(huán)境,可為“碳達峰”和“碳中和”作出積極貢獻[11]。因此,應充分了解鉛酸蓄電池的特點和工作原理,開展電網(wǎng)用鉛酸蓄電池的健康監(jiān)測和梯次利用。

1 鉛酸蓄電池原理及特性

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電解液正負極接線柱、安全閥和外殼構成,其中并聯(lián)焊接的正(負)極板是活性物質(zhì)的載體。PbO2是正極的活性物質(zhì),海綿纖維狀Pb是負極的活性物質(zhì),該結構可減緩鉛酸蓄電池的自放電,長時間維持蓄電池容量[12]。隔板一般由超細玻璃棉組成,不僅可防止正負極板短路,而且是電解液水和硫酸的載體,同時也是電池充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣進入負極的通道。鉛酸蓄電池的電解液為稀H2SO4,由于蓄電池采用貧液式設計,電解液被吸附在極板和超細玻璃棉內(nèi)。

閥控式鉛酸蓄電池的正負極板在H2SO4溶液中由于發(fā)生不同的電極反應而產(chǎn)生不同的電極電位[13]。鉛酸蓄電池在放電時,兩極板都會不斷反應生成PbSO4。由于PbSO4導電性較差,在放電過程中,鉛酸蓄電池的內(nèi)阻會不斷增大。此外,隨著放電不斷進行,硫酸逐漸被消耗,導致電解液中硫酸濃度逐漸減小。蓄電池貯存期間,還可能存在副反應,負極析出H2,正極析出O2。鉛酸蓄電池充電時發(fā)生的反應是其放電時的逆反應,同時充電期間水的分解會造成電解液失水,從而導致其容量下降。

2 鉛酸蓄電池典型故障及原因

鉛酸蓄電池由于運行環(huán)境溫度過高、充放電電流不當?shù)葐栴},容易引發(fā)熱失控、燃燒和早期容量衰退等失效現(xiàn)象。以下介紹典型故障并分析其成因。

2.1 極板硫酸鹽化

閥控式鉛酸蓄電池須避免過度放電,尤其是深度放電。若鉛酸蓄電池長期充電不足或處于半放電狀態(tài)下長期儲存,將會使正負極板上生成堅硬而粗大的PbSO4結晶[17],PbSO4長期存在會導致電池放電容量降低。隨著PbSO4的積累,極板的孔隙率逐漸減小,進而引起蓄電池內(nèi)阻提高,電極反應速率下降,蓄電池的使用壽命逐漸降低。為了有效阻止極板硫酸鹽化,延長蓄電池壽命,須使蓄電池處于充足電狀態(tài)下,同時嚴禁過度放電情況的發(fā)生。

2.2 負極匯流排腐蝕

負極匯流排腐蝕是閥控式鉛酸蓄電池固有結構引起的一種失效模式。由于閥控鉛酸蓄電池的電解液只能浸潤極耳底部,難以到達極耳上部和匯流排,隔板以上的匯流排、極柱連接部位均處于氧氣氛圍中,易發(fā)生腐蝕。當腐蝕嚴重時,匯流排會發(fā)生粉化導致其機械強度下降,在應力作用下發(fā)生斷裂,引起電池斷路失效。

2.3 熱 失 控

蓄電池相對密閉的結構導致其在充電過程中產(chǎn)生的熱量無法及時散發(fā),進而逐步損壞電池。熱失控將導致鉛酸蓄電池鼓包、漏氣和容量下降,甚至發(fā)生爆炸,造成嚴重后果。充電電壓過高是導致蓄電池熱失控的主要原因。研究發(fā)現(xiàn):在25 ℃時,鉛酸蓄電池單格在2.35 V電壓下浮充4個月將引發(fā)電池的熱失控[18]?？刂聘〕潆妷菏潜苊忏U酸蓄電池出現(xiàn)熱失控最有效的手段之一。

2.4 失水與正極板腐蝕

鉛酸蓄電池充電過程中,正極會發(fā)生水的分解。正常狀況下,由于鉛酸蓄電池的負極氧吸收技術,蓄電池內(nèi)部并不會損失水。然而,蓄電池過充電會加速水的分解反應,正極析出大量O2,負極析出大量H2。不斷產(chǎn)生的氣體導致鉛酸蓄電池內(nèi)部壓力增大,需要通過排氣閥向外排氣,這將導致電解液中水分減少,造成電解液中硫酸濃度提高,進而促進正極板的腐蝕。相關資料表明:當水損失達到3.5 mL/Ah時,鉛酸蓄電池容量降至75%以下;當水損失達到25%時,蓄電池將會完全失效。需要指出的是,一些因失水而引起容量下降的蓄電池經(jīng)加水后可使蓄電池容量恢復到接近正常值[19]。

3 主要監(jiān)測參數(shù)及健康狀況評估策略

電網(wǎng)企業(yè)一般使用2 V鉛酸蓄電池串并聯(lián)構成的電池組作為直流系統(tǒng),按《儲能用鉛酸蓄電池》(GB/T 22473—2008)規(guī)定,其必須在下列環(huán)境中平穩(wěn)運行:溫度為-30～50 ℃、濕度<90%、最高海拔高度<4 500 m。同時要求,蓄電池在10 h率容量測試時,實際容量在第6次或之前應不低于額定容量;容量一致性測試中,最大實際容量與最小實際容量差值不應大于5%;密封性能測試中,在與空氣隔絕后5 s內(nèi)電池內(nèi)部壓力不變等。

通常220 kV變電站基本配置了200～300 Ah兩組單體電池額定電壓為2 V的蓄電池,110 kV變電站基本配置了200 Ah或以下的一組單體電池額定電壓為2 V的蓄電池?！豆潭ㄐ烷y控式鉛酸蓄電池第一部分:技術條件》(GB/T 19638.1—2014)規(guī)定要對鉛酸蓄電池容量進行一次完全放電,按此方法可甄別出各單體電池的故障,因此比較可靠。然而,該容量檢測方法也有諸多限制:放電過程蓄電池須在脫機狀態(tài)下進行,無法實現(xiàn)在線檢測;一次完全放電花費數(shù)十個小時,耗費大量人力和時間;對電池進行完全放電會損害電池壽命。對電網(wǎng)來說,約半年對直流供電系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池進行一次完全放電的檢測,平時蓄電池處于浮充備電狀態(tài)。若在檢測期間鉛酸蓄電池發(fā)生故障,且遇到交流失電時,將會導致變電站的重大運行事故。因此,為了保證電力系統(tǒng)后備電源的可靠性,對于鉛酸蓄電池的實時監(jiān)測管理必不可少。鉛酸蓄電池的在線監(jiān)測管理主要通過實時采集蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻和電流等數(shù)據(jù)進行分析,從而評估其健康狀態(tài)。

3.1 蓄電池電壓

電壓是鉛酸蓄電池運行狀態(tài)最直接的表征,也是電網(wǎng)用鉛酸蓄電池最容易監(jiān)控的參數(shù)。電網(wǎng)直流系統(tǒng)使用的鉛酸蓄電池組,通常以120個單體電池串聯(lián)成一組,工作個數(shù)可調(diào),單個電池額定電壓2 V(1.875～2.25 V)。電網(wǎng)企業(yè)大部分采用直流屏系統(tǒng)對鉛酸蓄電池單只蓄電池及整組蓄電池端電壓進行監(jiān)控。對于鉛酸蓄電池電壓的監(jiān)測,一方面是為了防止其在放電過程中,由于過度放電造成極板硫酸鹽化;另一方面是防止其充電過程中,由于過度充電造成失水與正極板柵腐蝕。此外,有研究表明:鉛酸蓄電池的端電壓與荷電狀態(tài)具有較強的相關性[20]。然而,鉛酸蓄電池在不同工作狀態(tài)下,端電壓具有較大差異,無法采用固定的端電壓值對其健康狀況進行判斷。因此,尹春杰等[20]將鉛酸蓄電池工作狀態(tài)分為充電狀態(tài)與放電狀態(tài)分別予以判定,針對同組蓄電池,將組內(nèi)單體蓄電池端電壓偏離平均端電壓30 mV視為異常。

3.2 蓄電池工作溫度

鉛酸蓄電池性能與環(huán)境溫度直接相關。通過監(jiān)測蓄電池的表面溫度及環(huán)境服役溫度,不僅可校正蓄電池充放電時端電壓的基準值,還可防止出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。在預測鉛酸蓄電池健康狀態(tài)方面,溫度這一參數(shù)也是非常重要的。在測得鉛酸蓄電池其余相關參數(shù)的基礎上,增加溫度參數(shù)可進一步優(yōu)化健康狀態(tài)預估算法。如Santos等[21]通過改變電池溫度,采集了10～70 ℃時鉛酸電池的各參數(shù),采用擴展卡爾曼濾波,預測了鉛酸蓄電池的健康狀態(tài),并將其用于驗證卡爾曼濾波器的有效性和性能。

3.3 蓄電池內(nèi)阻

鉛酸蓄電池內(nèi)阻由歐姆電阻、電化學極化電阻和濃差極化電阻。歐姆電阻主要由正負電極、連接條和電解液等部件的電阻組成。電化學極化電阻由電化學反應引起,蓄電池正負極的電化學極化內(nèi)阻與其結構體系直接相關。濃差極化電阻則是由于反應性離子傳質(zhì)供應不足引起的,并隨反應的進行而不斷變化。有研究表明:定期測量浮充狀態(tài)下的蓄電池內(nèi)阻可以判斷鉛酸蓄電池的健康狀況,在實際應用中更是可以測出95%的故障電池[22]。因此,業(yè)界已廣泛認同使用鉛酸蓄電池內(nèi)阻進行健康狀況評估的方法。

目前,鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測分為直流放電法和交流注入法。直流放電法是分別測試負載接通和斷開時的瞬間電壓,根據(jù)歐姆定律計算求得內(nèi)阻[23]。直流放電法雖然抗干擾能力強,但是其測量重復性能有待提高且必須在靜態(tài)或脫機狀態(tài)下完成。同時,直流放電法測試時的放電電流十分大,長期測量將會損害鉛酸蓄電池的容量。因此,研究人員針對這一現(xiàn)象對直流放電法進行了改良。如Liu等[24]基于全電容放電法,通過建立分析數(shù)學模型得到50%額定容量鉛酸蓄電池的直流放電測試。實驗結果表明,該方法能有效的解決變電所直流電力系統(tǒng)單組鉛酸蓄電池放電時間長、安全性低的問題。張超等[25]則針對大容量鉛酸蓄電池內(nèi)阻測量提出瞬時直流放電法:即將負載電流控制在30 ms內(nèi),以減小負載發(fā)熱,此時為電壓信號的最佳采集時刻。

交流注入法是對鉛酸蓄電池施加一個小電流,監(jiān)測蓄電池兩端的電壓及相位差來計算蓄電池的內(nèi)阻。交流放電法測試時電池無須處于靜態(tài)或者脫機狀態(tài)進行測量,可實現(xiàn)在線監(jiān)測管理;其施加的電流較小,不會影響鉛酸蓄電池的使用壽命。然而,由于注入的交流電流比較小,在測量時會受到用電負載等噪聲干擾,影響測量精度。正弦激勵算法、數(shù)字濾波技術、DDS技術和鎖相放大技術等方法也被應用于交流內(nèi)阻測試以提高交流注入法的測量精度。如張佳民等[26]采用信號幅度可調(diào)、頻率精確的DDS信號源,不僅獲得了高精度的同步信號,還實現(xiàn)了電壓和電流兩路信號相位差的測量。李磊明等[27]使用數(shù)字濾波器提取響應信號,提高了內(nèi)阻測試的可靠性和信噪比。苑彬等[28]搭建正交鎖相放大器以消除被測信號與參考信號之間相位差產(chǎn)生的干擾,實現(xiàn)了鉛酸蓄電池內(nèi)阻的高精度與快速檢測。

3.4 蓄電池充放電電流

對鉛酸蓄電池電流的檢測主要分為兩個方面:放電電流與充電電流。放電電流表征鉛酸蓄電池有負載時,外部電流的大小,其值隨著負載變化而變化。放電電流過大時可能引起PbSO4從正極脫落,從而影響蓄電池的壽命。充電電流過大時產(chǎn)生的大量氣體會沖擊極板活性物質(zhì),甚至引起活性物質(zhì)脫落。因此,在線監(jiān)測鉛酸蓄電池充放電電流具有重要意義。然而,由于其充放電電流受到外部負載的影響,因此難以通過充放電電流判斷鉛酸蓄電池的健康狀況。

3.5 其他健康狀況評估策略

除了上述幾種在線監(jiān)測鉛酸蓄電池參數(shù)并評估其健康狀況的方式之外,許多研究人員也嘗試使用其他參數(shù)來評估鉛酸蓄電池的健康狀況。如Zainuri等[29]提出了一種基于充放電時間來估算電池健康狀態(tài)的方法。觀察和測量結果表明:新舊電池的充電時間不同,不健康的電池往往有更快的充放電時間。健康電池和不健康電池充電—放電時間的相關性對于開發(fā)一種不需要任何傳感器進行數(shù)據(jù)采集的電池充電器非常具有前景。Coleman等[30]采用了一種新型雙脈沖電流測試評估鉛酸蓄電池的健康狀態(tài)。第一個脈沖用于確定電池的開路電壓,第二個脈沖使用電壓變化(ΔV)來確定最大可用容量。隨著電池老化退化,ΔV增大,電池最大可用容量減小。Pascoe等[31]則基于其他健康狀態(tài)指標:累積熱應力、浮充電壓及初始放電區(qū)域獲得的參數(shù)對鉛酸蓄電池壽命進行準確的評估。實驗表明:該方案能在鉛酸蓄電池使用壽命結束之前很長一段時間內(nèi)對其進行準確的評估。此外,當電池壽命接近終止時,評估精度將會提高。

由于鉛酸蓄電池健康狀況與其電流、電阻和電壓等因素有密切關聯(lián),利用單一因素對其健康狀況的評估無法做到十分準確。因此,近年來許多研究人員利用機器學習算法對鉛酸蓄電池健康狀況進行評估,將蓄電池各參數(shù)通過非線性函數(shù)逼近進行數(shù)學建模,如BP/徑向神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機和卡爾曼濾波器等[32-34]。如臧鑫善[35]利用改進的最小二乘支持向量機算法,將非恒流放電的電壓差、時間、溫度及內(nèi)阻作為輸入量,以預測鉛酸蓄電池的健康狀況。周興博[36]基于雙重自適應無跡卡爾曼濾波器算法,結合Thevenin電池模型,對電池剩余容量與內(nèi)阻進行估算以評估電池的健康狀況。

4 電網(wǎng)退役鉛酸蓄電池的梯次利用

通常,對電網(wǎng)企業(yè)用的鉛酸蓄電池組而言,在使用3～5年后,其容量已低于單只或整組蓄電池標稱容量80%的要求。對這些低于標稱容量80%的電池組,無論外觀是否完好,都必須報廢,這就造成了巨大的浪費。因此,為避免環(huán)境污染、資源浪費,對這些退役蓄電池組的二次利用成了當務之急。2016年10月,國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院等16家單位完成了《鉛酸蓄電池二次利用》標準的制定[37],該標準填補了國家團體標準和行業(yè)團體標準在鉛酸蓄電池二次利用領域的空白。

不僅如此,退役下來可二次利用的鉛酸蓄電池在家庭光伏發(fā)電儲能、家庭儲能以及儲能電站等場景均可得到應用[38]。光伏發(fā)電為解決全球能源危機和環(huán)境污染問題提供了一種方法,發(fā)展前景廣闊。針對光伏發(fā)電間歇性、波動性和隨機性的問題,可在發(fā)電高峰或用電低谷時對蓄電池進行充電,而在用電高峰時放電來解決。鉛酸蓄電池電壓穩(wěn)定、易于串聯(lián),特別是閥控式鉛酸蓄電池無須定期維護,在光伏發(fā)電中具有重要應用前景[39]。目前,國內(nèi)光伏發(fā)展建設主要依靠國家和地方補貼,其主要原因就是使用新的蓄電池導致成本居高不下。倘若將電網(wǎng)退役鉛酸蓄電池在光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)進行梯次利用,則可大幅降低光伏發(fā)電成本,推動光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展。

5 結 論

為確保鉛酸蓄電池在電網(wǎng)中安全、可靠地作為后備電源運行,必須對其健康狀況進行有效實時監(jiān)測。因為對鉛酸蓄電池電壓的監(jiān)控較為簡便,所以利用鉛酸蓄電池電壓對其健康狀況的評估在電網(wǎng)企業(yè)應用較廣。利用內(nèi)阻評估的交流注入法由于無須處于靜態(tài)或脫機狀態(tài)下就可檢測,不影響鉛酸蓄電池壽命也是一種值得關注的評估手段。基于多參數(shù)的監(jiān)測管理以評估鉛酸蓄電池健康狀況則是未來的主要發(fā)展方向。此外,為保障電網(wǎng)的用電安全,鉛酸蓄電池在使用一段時間需要強制退役,然而相當部分電網(wǎng)退役下來的蓄電池狀態(tài)較好,可用于某些要求并不十分嚴格的場景,實現(xiàn)鉛酸蓄電池的梯次利用。然而,現(xiàn)階段我國電網(wǎng)用鉛酸蓄電池的梯次利用缺少相關規(guī)章制度,電網(wǎng)企業(yè)對潛在的梯次利用下游用戶需求了解不透徹,而下游用戶由于對電網(wǎng)退役鉛酸蓄電池性能了解不充分導致信任度不高,從而導致電網(wǎng)用鉛酸蓄電池梯次利用程度較低。因此,有必要進一步健全規(guī)章制度、統(tǒng)籌發(fā)展,從源頭上為促進鉛酸蓄電池的梯次利用提供制度保障。