李偉杰++魏合民++李志波++王曉強(qiáng)

摘 要：隨著電力電子技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用，直流電源系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)智能自動(dòng)化方面得到飛速提升甚至已實(shí)現(xiàn)監(jiān)控對(duì)象的無(wú)人值守，例如電站、銀行、通信基站、調(diào)度機(jī)房等。而作為直流電源系統(tǒng)核心部件的蓄電池組在日常維護(hù)定期核容方面相較于完善的智能監(jiān)控系統(tǒng)而言技術(shù)措施嚴(yán)重落后，因此本文就復(fù)雜配置情況下的多組并聯(lián)蓄電池組實(shí)現(xiàn)在線逐組核容關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要論述，為相關(guān)領(lǐng)域檢測(cè)與監(jiān)護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)人員提供技術(shù)實(shí)現(xiàn)參考。

關(guān)鍵詞：蓄電池；在線核容；逐組放電；內(nèi)阻檢測(cè)；電池活化

Abstract： with the rapid advancement and wide range of application of the power eletronics technology， communication network and the artific intelligence， the DC power system has got rappid development both in networked and intelligentize， even has realized unattended to substation， bank， base station， engine room， etc. As the core components of the DC powersystem，the technical measures of maintenance and capacity testing regulary for battery is lagging behind the perfect intelligent monitoring system. Therefore this article makes some short specification on capacity testing of parallel battery online through group by group under the complex configuration， in order to give technical support for researchers in related fields of testing and monitoring equipment.

Keywords： storage battery； capacity testing online； group by group discharge； internal resistance detection； battery activation

中圖分類號(hào)：F273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

直流電源系統(tǒng)被稱為發(fā)電廠與變電站的心臟，同時(shí)也是通信基站、調(diào)度機(jī)房等重要場(chǎng)所設(shè)備可靠運(yùn)行的保障力量，而如何實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)全面完善地檢測(cè)與監(jiān)護(hù)，就成了設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

在通信基站、調(diào)度機(jī)房等場(chǎng)所，直流電源系統(tǒng)在市電正常的情況下是作為后備電源運(yùn)行，長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，極易造成極板硫化，蓄電池內(nèi)阻增大甚至單節(jié)電池開(kāi)路。在一些地區(qū)的變電站雖然實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，綜自系統(tǒng)覆蓋了部分直流系統(tǒng)信息，但由于蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，常規(guī)巡檢各節(jié)單體電池電壓的方法很難確認(rèn)蓄電池組的好壞，一旦發(fā)生事故蓄電池由浮充狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電，放電瞬間可能出現(xiàn)開(kāi)路無(wú)法輸出的情況，造成事故擴(kuò)大的嚴(yán)重后果，在深圳、吉林等一些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)類似嚴(yán)重事故。國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的《直流電源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范》明確要求：“新安裝的閥控蓄電池在驗(yàn)收時(shí)應(yīng)進(jìn)行核對(duì)性充放電，以后每2～3年應(yīng)進(jìn)行一次核對(duì)性充放電，運(yùn)行了6年以后的蓄電池，宜每年進(jìn)行一次核對(duì)性充放電?！痹谕ㄐ判袠I(yè)中由中國(guó)移動(dòng)頒布的《中國(guó)移動(dòng)通信蓄電池維護(hù)管理規(guī)定》中要求：“一、二類蓄電池每?jī)赡陸?yīng)做1次容量放電試驗(yàn)，使用4年后應(yīng)每年1次。三、四類蓄電池每3年應(yīng)做1次容量放電試驗(yàn)，使用6年后應(yīng)每年1次。”雖然相關(guān)部門對(duì)蓄電池測(cè)試維護(hù)頒布了一些政策舉措，并且一個(gè)站點(diǎn)的核容測(cè)試時(shí)間間隔已經(jīng)很大，但是由于站點(diǎn)分布具有全國(guó)廣域性，數(shù)量眾多，每個(gè)站點(diǎn)充放電1次至少兩天測(cè)試時(shí)間，時(shí)間跨度長(zhǎng)，從技術(shù)操作層面上很難百分之百執(zhí)行到位。在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力并且在測(cè)試過(guò)程中存在人為操作失誤等潛在危險(xiǎn)，所以對(duì)蓄電池組的有效監(jiān)護(hù)一直是困擾維護(hù)人員的一個(gè)難題。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)有幾家直流電源廠商及BMS廠商研發(fā)設(shè)計(jì)了具有自身特色的應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)蓄電池組的在線式核容測(cè)試監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，一些系統(tǒng)已在內(nèi)蒙、河北及青海等地一些電站進(jìn)行試運(yùn)用，但是從使用效果來(lái)看，幾家廠商做的測(cè)試維護(hù)系統(tǒng)良莠不齊，實(shí)現(xiàn)方案也不盡相同、控制技術(shù)不完善、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，系統(tǒng)在穩(wěn)定可靠成熟度上以及功能便捷性上還不夠理想，較早投入運(yùn)用的內(nèi)蒙試點(diǎn)項(xiàng)目在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備通信中斷等異常情況，使得運(yùn)維人員還需到測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)人工介入才能完成放電核容測(cè)試。此外目前所有直流系統(tǒng)廠家所研發(fā)的在線式核容測(cè)試系統(tǒng)都是針對(duì)變電站直流系統(tǒng)應(yīng)用，在通信基站、調(diào)度機(jī)房等其他場(chǎng)所應(yīng)用還鮮有聞之。在變電站內(nèi)直流系統(tǒng)通常是一段母線上只掛接一組蓄電池組，不存在多組在線核容的問(wèn)題。而在通信基站及調(diào)度機(jī)房一般是多組蓄電池組并接在母線上，對(duì)于此種多組并聯(lián)蓄電池組在線逐組核容測(cè)試在國(guó)內(nèi)外尚未有案例，廠家通常做法是跨接一組中的單塊或少數(shù)幾塊電池使其脫離供電系統(tǒng)然后單獨(dú)進(jìn)行充放電，此種方案附加器件繁多，接線繁亂，操作煩瑣，降低了電源系統(tǒng)整體可靠性。所以目前針對(duì)通信基站及調(diào)度機(jī)房多組并聯(lián)蓄電池組情況的在線式逐組整體核容急需提出一種可行與可靠的實(shí)現(xiàn)方案，填補(bǔ)此領(lǐng)域的技術(shù)空白。

三、在線式核容充放電方案論述

1.母線常規(guī)只掛接單組蓄電池時(shí)的基本方案

第一種為蓄電池正負(fù)極兩端串接逆止整流管結(jié)合并接接觸器和放電假負(fù)載，如圖1所示。正常運(yùn)行狀態(tài)下接觸器常閉接點(diǎn)和逆止管同時(shí)導(dǎo)通蓄電池組掛接在直流母線上，當(dāng)執(zhí)行放電測(cè)試時(shí)接觸器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)打開(kāi)，此時(shí)蓄電池組單向?qū)ǚ聪蚋綦x充電機(jī)的充電功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外掛放電假負(fù)載對(duì)蓄電池的放電。此種方案適用于變電站有兩段母線各掛一組電池的情況，當(dāng)一組電池做放電測(cè)試時(shí)母聯(lián)開(kāi)關(guān)閉合兩母線短時(shí)并列運(yùn)行由另一套電池臨時(shí)帶兩段母線，核容完畢時(shí)恢復(fù)獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)直流系統(tǒng)只有一組電池組時(shí)通常是做部分容量放電然后結(jié)合出廠標(biāo)稱曲線預(yù)估整體容量。但是對(duì)于多組并聯(lián)蓄電池組情況在做電池組回充電時(shí)會(huì)出現(xiàn)電池組間的大環(huán)流所以不適用于多組并聯(lián)逐組放電場(chǎng)合。

第二種為蓄電池組中每節(jié)電池并接終端單元，在做放電核容測(cè)試時(shí)通過(guò)隔離電池組中小部分串接電池進(jìn)行局部充放電測(cè)試。如圖2所示：此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)單節(jié)電池的電壓補(bǔ)償和跨接剔除。但是此方案配置附件繁多操作復(fù)雜增加了系統(tǒng)的不可靠程度，一旦附加在每節(jié)電池上的導(dǎo)流器件或控制單元出現(xiàn)問(wèn)題可能導(dǎo)致整組電池不能正常工作甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)，此方案雖然實(shí)現(xiàn)了內(nèi)阻檢測(cè)但只能通過(guò)小電流放電實(shí)現(xiàn)，無(wú)法通過(guò)整組放電大電流放電法實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻檢測(cè)，內(nèi)阻檢測(cè)精度不容易保證?？偟膩?lái)說(shuō)，此種方案在成熟度上還有很多的問(wèn)題待解決，此外此種方案也和第一種方案一樣不適用于多組并聯(lián)蓄電池在線整組放電核容的情況。

第三種為蓄電池組串接電壓激勵(lì)源當(dāng)要執(zhí)行放電測(cè)試時(shí)，激勵(lì)源發(fā)生一個(gè)合適的電壓從而提高電池組相對(duì)于直流母線的電位致使充電機(jī)輸出被阻改為蓄電池組帶載形成激勵(lì)源導(dǎo)流，最終實(shí)現(xiàn)電池組的順利放電。此種方案對(duì)激勵(lì)源穩(wěn)定性控制要求極高，所以此種方案基本不被采用。

第四種為直流系統(tǒng)原充電機(jī)組與放電單元聯(lián)動(dòng)方案，這種方案適用于新建項(xiàng)目，在初始設(shè)計(jì)時(shí)即進(jìn)行充電機(jī)組與放電單元的有機(jī)一體設(shè)計(jì)，如圖3所示，放電假負(fù)載可作為其中一個(gè)直流饋線支路的正常負(fù)載修正放電電流，充電機(jī)組由功率主供單元轉(zhuǎn)為熱備狀態(tài)停止功率輸出，轉(zhuǎn)而由蓄電池帶載實(shí)現(xiàn)放電核容測(cè)試，此種方案基本不改變?cè)绷飨到y(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)方案，對(duì)一二次回路均不做重構(gòu)，附加器件少，運(yùn)行可靠，當(dāng)放電過(guò)程出現(xiàn)異常情況時(shí)充電機(jī)組由熱備用恢復(fù)主供運(yùn)行，保證負(fù)載的不間斷正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此方案對(duì)于兩段母線或一段母線一組蓄電池情況均適用。不足之處是對(duì)于現(xiàn)實(shí)已存充電機(jī)組的直流系統(tǒng)改造站無(wú)法統(tǒng)一設(shè)計(jì)應(yīng)用。另外就是對(duì)于通信基站及調(diào)度機(jī)房等多組并聯(lián)蓄電池組的情況無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線逐組核容。

2.多組并聯(lián)情況下的在線逐組核容關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)方案

多組并聯(lián)在線逐組核容測(cè)試就是指兩組或多組蓄電池組掛接同一段母線，不分段，不退出，每組單獨(dú)放電測(cè)試。由于母線不分段情況下要實(shí)現(xiàn)在線逐組充放電，所以在這里提出了分級(jí)思路，即充電母線+負(fù)載母線架構(gòu)方案思路。兩組或多組蓄電池置于充電母線與負(fù)載母線之間完成并列分隔隔離，從而實(shí)現(xiàn)逐組放電目的，如圖4所示。

直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下接觸器KA1、KA2、KA3、KA4不動(dòng)作，常閉接點(diǎn)閉合蓄電池組處于浮充狀態(tài)。當(dāng)啟動(dòng)逐組核容測(cè)試第一套電池組GB1開(kāi)始放電時(shí)，接觸器KA1、KA2動(dòng)作，對(duì)應(yīng)常閉點(diǎn)打開(kāi)，此時(shí)逆止整流管實(shí)現(xiàn)第一套電池組與充電機(jī)組單向隔離，此時(shí)蓄電池組依然是未脫離負(fù)載母線的在線狀態(tài)。第一組電池與充電機(jī)組單線隔離后放電單元控制器控制開(kāi)關(guān)QF1合閘然后指令放電單元NQF啟動(dòng)，開(kāi)始對(duì)蓄電池地放電測(cè)試，同時(shí)自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄放電數(shù)據(jù)和監(jiān)控放電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，控制器一旦監(jiān)控到異常情況或檢測(cè)到某個(gè)參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)保護(hù)定值，則指令終止放電過(guò)程恢復(fù)原運(yùn)行狀態(tài)。放電單元摒棄了常規(guī)放電電阻方案，取而代之為有源逆變器，這樣在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充放電后，有條件提高核容頻次情況下可以有效節(jié)約能源，把蓄電池組放電過(guò)程中泄放的電量回饋電網(wǎng)使核容系統(tǒng)綠色環(huán)保，同時(shí)由于能量回收后沒(méi)有了常規(guī)放電電阻大量熱量釋放，避免了排熱不及時(shí)導(dǎo)致周圍電力電子設(shè)備故障的嚴(yán)重影響，另外有源逆變單元屬于模組化的智能負(fù)載，在放電過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，例如與放電系統(tǒng)控制器通信中斷時(shí)，逆變單元可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自身閉鎖停止放電過(guò)程，這給自動(dòng)放電測(cè)試增加一道保護(hù)屏障。

當(dāng)?shù)谝唤M蓄電池深度放電核容完畢回充電時(shí)接觸器KA1、KA2動(dòng)作復(fù)歸，對(duì)應(yīng)常閉點(diǎn)導(dǎo)通，單向?qū)Я鞲綦x取消，同時(shí)逆止整流管D2、D2v、D3、D3′實(shí)現(xiàn)對(duì)第一組與第二組電池的并列分隔隔離，避免了在第一組電池深度放電后回充電時(shí)與第二組電池壓差過(guò)大導(dǎo)致大環(huán)流損壞電池或嚴(yán)重事故發(fā)生。

當(dāng)?shù)谝唤M電池整個(gè)充放電過(guò)程完畢再次恢復(fù)浮充狀態(tài)并且下一組電池放電準(zhǔn)備就緒時(shí)放電系統(tǒng)啟動(dòng)下一組電池核容測(cè)試，即完成在線逐組核容，同樣KA3、KA4動(dòng)作D6單向?qū)ǜ綦x充電機(jī)組，回充電時(shí)D1、D1′、D4、D4′實(shí)現(xiàn)第二組與第一組電池并列分隔隔離消除可能的大環(huán)流。

圖中調(diào)壓?jiǎn)卧垂桄渽^(qū)域依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)帶載情況選配，限制前一組電池回充電時(shí)充電機(jī)組改變浮充狀態(tài)調(diào)整輸出后的其他組電池自流深度，理論上現(xiàn)場(chǎng)電池組為兩組并聯(lián)時(shí)負(fù)載電流不大于0.25C時(shí)可以不加裝此單元，兩組以上并聯(lián)時(shí)，負(fù)載電流還允許進(jìn)一步提高而不必加加裝此單元。

3.多組并聯(lián)情況下的在線逐組核容就緒使能及保護(hù)動(dòng)作機(jī)制

系統(tǒng)放電就緒時(shí)全部電池組處于浮充狀態(tài)，無(wú)影響該功能執(zhí)行或者影響系統(tǒng)供電可靠性影響的告警：例如但不僅限于交流停電、交流缺相、整流模塊故障（無(wú)法提供滿功率、通信中斷等）、系統(tǒng)電流不平衡、電池熔熔斷器熔斷、與電池柜監(jiān)控通信中斷、有源逆變模組及其他檢測(cè)模塊有告警、故障等。放電過(guò)程中的保護(hù)項(xiàng)至少包括放電容量達(dá)到預(yù)設(shè)值、放電時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值、電池組欠壓、單節(jié)電池欠壓、環(huán)境溫度異常、主控器與任意執(zhí)行單元通信中斷、有放電模組任意模塊運(yùn)行異常等。

結(jié)語(yǔ)

本文論述了通信及調(diào)度機(jī)房蓄電池組多組并聯(lián)情況下在線逐組核容方案，提出并列分隔隔離關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)，解決了多組并聯(lián)情況下逐組整體核容的難題，避免了采用少數(shù)幾節(jié)電池分段放電測(cè)試方案對(duì)諸如小電流放電檢測(cè)內(nèi)阻精度等存在的不足以及繁雜的附件配置對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響。此方案對(duì)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員提供了新的設(shè)計(jì)研發(fā)思路。

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