蓄电池组在线远程核容放电控制技术研究与应用

王廷旺 耿保华 魏伟 南东亮 周杰

摘要：蓄电池组是站用直流系统的核心组成部分，是保障直流系统可靠运行的基础，直接关系到站用直流系统的质量。现研究和设计一种蓄电池组远程控制在线放电装置与系统，通过蓄电池远程放电系统实现蓄电池组远程控制放电;在运行中出现电池故障时通过蓄电池开路续流装置提供直流系统事故电流，防止保护拒动。研究成果对蓄电池组进行核容放电可以做到远程遥控和无人值守，且工作安全可靠，可有效避免蓄电池故障导致直流系统失压引发电力系统重大事故等，确保站用直流电源系统的正常供电，提高电力系统的运行可靠性及电力系统自动化运行水平。

关键词：蓄电池;远程控制;在线监控;充放电

0    引言

蓄电池组是站用直流系统的核心组成部分，是保障直流系统可靠运行的基础，蓄电池的质量直接关系到站用直流系统的质量。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10 h;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    现状分析

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Tesla Roadster和SmartGuard系统、日本研制的Leaf、德国研发制造的BADICHEQ和BATTMAN系统等[1]。BATTMAN系统能通过软硬件的简单调整，适用于多种型号的电池组[2]，具有广泛的实用性和普遍性。国内方面也很重视对蓄电池充放电监测与控制技术的研究，从2003年开始，国家已经把关于蓄电池的科研项目落实到实际行动上，逐渐进入关键技术探索和电池制造使用的环节[3]。为提高蓄电池的生产质量和工作技术，许多大学的科研实验室和蓄电池生产企业分享了各自的科研技术，并获得了一定的成就，在一些有针对性的技术要点上已经赶上了国外发达国家的水平[4]。国内的比亚迪公司、湖南神州公司、天能动力集团有限公司等都为铅酸蓄电池充放电监测与控制技术的研究贡献了自己的力量。从蓄电池的全生命周期来看，主要维护手段有蓄电池核容放电、蓄电池均充、蓄电池活化、蓄电池电压核对测试、蓄电池内阻核对测量，这些方法主要存在的问题是耗费大量的人力、物力，而在电力电子高速发展的今天，我们需要向自动化、智能化方向发展。在实践中，大多供电局还在采用放电仪定期对蓄电池组进行全核容或半核容放电;而部分厂家推广的在线放电装置，由于散热处理问题没能得到广泛运用。目前该类技术的主要瓶颈就是蓄电池放电产生的热量耗散问题。

2    蓄电池组在线远程核容放电控制系统设计

2.1    系统组成

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    蓄电池在线监测系统

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，提供時钟同步的接口，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100～3 000 Ah，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    蓄电池开路续流系统

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Id将自动不间断地经QKL-01蓄电池开路续流装置续流，如图5中粗线所示，可确保蓄电池组正常工作，防止保护控制等装置拒动。

2.5    智能型母联系统

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    蓄电池组在线远程核容放电控制系统优势分析

3.1    可解决放电热量散耗问题

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    直流系统备用电源问题

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    能有效分析落后蓄电池

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    开路蓄电池续流功能

该系统设计蓄电池开路续流装置，以消除蓄电池组在运行过程中发生开路故障给电力系统带来的重大安全隐患。

4    结语

蓄电池组在线远程核容放电控制系统能够安全可靠地对蓄电池进行远程核容放电查找，能够提前预判落后电池，能对运行中的开路故障蓄电池提供事故电流续流，真正意义上使蓄电池运维工作实现了自动化、智能化。

[参考文献]

[1] 崔伯雄，隋欣，赵景焕，等.电池管理系统重点专利技术分布——适用于纯电动车[J].电子知识产权，2010（6）：62-63.

[2] 張永杰.纯电动汽车动力型锂电池管理系统的研究与设计[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[3] 厉蕊.我国电动汽车电池管理系统联合开发管理研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[4] 刘毅.动力电池状态观测及管理系统研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.

收稿日期：2020-02-19

作者简介：王廷旺（1987—），男，四川南充人，工程师，研究方向：二次设备在线监测及故障诊断。

耿保华（1986—），男，新疆阿勒泰人，工程师，研究方向：电力系统继电保护。

魏伟（1987—），男，甘肃正宁人，工程师，研究方向：二次设备在线监测及故障诊断。