直流系统中蓄电池组远程控制放电装置的研究与设计

直流系统中蓄电池组远程控制放电装置的研究与设计

0蓄电池组核容放电电池组是直流系统的核心组成部分，是确保直流系统的可靠运行的基础。蓄电池的质量直接关系到直流系统的质量。为保障蓄电池安全可靠运行，电力标准对于蓄电池组核容放电周期、均充周期、核对电压周期和测量内阻周期等维护工作提出了明确要求。在诸多蓄电池维护工作里，能够确定蓄电池容量是否满足运行要求的维护工作只有蓄电池组核容放电，其他维护只能发现蓄电池运行过程中的一些明显故障或通过这些维护工作提高蓄电池运行的安全系数。蓄电池组核容放电是以0.1C电流对蓄电池组容量进行核对性放电，放电时长小于等于10h；放电结束后需要对蓄电池组进行充电，充电过程前几个小时是大电流工作过程。每个电力检修公司都在蓄电池组核容放电维护工作上花费了大量人力、物力，基于上述分析，本文设计了一种蓄电池组远程控制在线放电装置与系统，通过改造蓄电池在线监控系统、加装蓄电池开路续流装置和蓄电池在线放电系统，实现蓄电池远程智能运维管理功能与蓄电池维护自动化目标。1国外铅酸蓄电池的研究为使蓄电池更加高效、长时地供人们使用，其监控技术受到了国内外学者及电力工作人员的高度重视。美国、日本与欧洲的发达国家在了解研究铅酸蓄电池结构的基础上，建立了电池模型，研发蓄电池的监测控制系统。从实际生产方面，大量制造使用电池管理系统的有美国Tesla公司的TeslaRoadster和SmartGuard系统、日本研制的Leaf、德国研发制造的BADICHEQ和BATTMAN系统等2在线远程能源管理系统的设计2.1单节电池并合理运行蓄电池组在线远程核容放电控制系统是用于实现蓄电池组运行工况的实时在线监测，及时发现新落后的单节电池并告警的系统。它能使维护人员随时掌握蓄电池组运行工况，准确得知蓄电池组的实际容量，预判蓄电池组的可备用时间，保证直流系统的可靠运行。该系统包括4个子系统：蓄电池在线监测系统、逆变放电控制系统、蓄电池开路续流系统与智能型母联系统。系统原理如图1所示。2.2单体电池采集系统的组成蓄电池在线监测系统主要检测母线电压、电池组电流、电池组充放电容量、单体电池电压、单体电池内阻、单体电池温度，可按设置量进行告警判断和告警信号输出，并通过RS485与外部机通信。该子系统由主机、终端和模块三部分组成，模块主要是采集单体电池的电压、内阻和温度，终端负责采集母线电压、电流以及收集模块采集的数据然后上传到主机，主机负责数据处理、存储、显示以及告警和节点输出。蓄电池在线监测系统能自动识别电池状态，根据当前蓄电池的电压和电流，自动识别当前蓄电池处于浮充、均充或放电状态。该子系统不仅可以测量单体电池端电压、极柱温度、内阻等，还可以测量电池组整体电压、电流。当测量值不在门限值范围时，告警指示灯会亮起，恢复正常告警会自动消除。该系统还能够自动计算电池充入容量、记录充放电过程，具有B码对时功能，提供时钟同步的接口，可以方便地和卫星时间同步。2.3逆变放电控制系统在电力、通信行业，直流系统中的蓄电池每组容量一般在100～3000Ah，在进行检修及维护时，通常采用电热式放电法，即用几个电炉丝作模拟负载对蓄电池进行放电，放电时采用电阻来消耗电能，将电能转换成热能释放，采用风机强制散热，这种最原始的放电方式虽然简单、廉价，但存在以下问题：(1）大量的热量消耗，造成环境温升，带来安全隐患，缩短了周围设备的使用寿命；(2）在放电过程中，随着电池端电压的变化及电阻值随温度的变化，放电电流不能保持恒定，对蓄电池的测量造成较大偏差；(3）将电能转化为热能造成能量的巨大浪费；(4）维护人员劳动强度大，不适合无人值守。针对上述问题，提出逆变放电控制系统，该系统采取逆变式放电，即对90%的能源进行循环利用，将直流电转变为交流后反馈给站内电网。与其他放电装置相比，其具有安全、易控、节能、准确度高等特点，尤其适合工作在无人值守电站。图2为蓄电池充电时拓扑图，对两组蓄电池进行控制，正常运行时，K1、K4为两个常闭的直流接触器，空开1和2闭合，K2、K3、K5、K6为常开直流接触器。充电机与蓄电池组并联，正常运行时，只有蓄电池组的充电回路正在运行，而放电负载回路由于K2、K3、K5、K6为常开已被切断，使系统在浮充状态下能安全运行。图3为蓄电池放电时拓扑图，需要对一组蓄电池放电时，系统将控制K1断开，K2、K3闭合，蓄电池组放电时，利用二极管（Q1）的反向截止特性阻止充电机的充电电流流向蓄电池组，充电机无法向蓄电池组进行充电，也不能对放电负载进行放电，逆变装置将放电电流下发至逆变模块组，此时由逆变模块组进行0.1C电流放电至站内电网，以达到在线放电时不需要脱离母线也能实现放电的效果。图4为放电控制主回路原理图，同一套放电控制装置控制两段蓄电池放电，做到逻辑高度互锁。D1、KM1、QF1、KM2和KM3控制一段蓄电池放电，D2、KM4、QF2、KM5和KM6控制二段蓄电池放电。KM1和KM4选用常闭直流接触器，防止设备失电蓄电池脱离母线故障；KM2、KM3、KM5和KM6选用常开直流接触器，控制逻辑互锁，防止直流母线环网；QF1和QF2分别为手动控制开关和过流保护开关；D1和D2为隔离二极管，保证蓄电池时刻为负载提供事故电流。2.4落后蓄电池组失效蓄电池不能提供直流系统事故电流主要原因为蓄电池组内有开路，蓄电池开路故障多半是落后电池在大电流冲击下内部极板与汇流排间焊接点熔断所致，一节蓄电池开路将直接导致蓄电池组失去作用。对蓄电池组中的每节蓄电池并联开路续流装置，当蓄电池组放电时，任意一节电池开路，蓄电池组的放电电流I2.5直流系统已配置数字化为保障电力系统的安全运行，发电厂、变电站的控制及保护设备均采用直流电源供电，直流系统采用AC/DC作为主电源，设计蓄电池作为后备电源；直流系统在设计时还配置两套直流系统作为备用。但两段互为备用的直流系统母联开关设计为手动模式，只有在检修直流系统电源时才合闸母联开关，两套独立直流系统才能互为备用。某一段直流系统蓄电池和充电机系统同时发生事故时，直流系统失电，互为备用的备用系统不能起到备用作用。智能型母联系统很好地解决了上述问题，具有自动投入、高电压隔离、短路保护等特性。3电池组在线远程能源管理系统的优势分析3.1逆变模块测试为解决蓄电池放电过程中产生大量热量及热量耗散问题，项目选用DC/AC逆变模块进行能量转换，把蓄电池储能转换成交流电能回馈到电网，既安全又环保。逆变模块效率大于等于95%，工作过程中产生热量极少，可以安全可靠地实现远程无人值守对蓄电池组进行放电。3.2功率培养回路蓄电池组在线核容期间，设备控制直流接触器断开蓄电池与直流母线主回路，在断开位置并联接功率二极管，保证蓄电池能不间断为直流系统提供事故电源。某段直流系统整组蓄电池容量不足且充电机输出异常时，系统内智能型母联装置自动启动备用电源系统为故障电源系统供电。3.3有效分析滞后蓄积层该系统能准确测量蓄电池组状态电流、单体蓄电池端电压、蓄电池内阻及每一节蓄电池极柱温度，用这些参数能够有效分析落后蓄电池。3.4开路蓄水的连续