引言

變電站直流系統(tǒng)是十分重要的獨立電源系統(tǒng),其具有電壓穩(wěn)定、不接地、不間斷、大電流等特點,為電力系統(tǒng)的控制回路、信號回路、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠穩(wěn)定的不間斷直流電源。在發(fā)電廠、變電站、UPs系統(tǒng)等多種場合,重要設(shè)備與應(yīng)急使用都必須保證不間斷供電,而蓄電池組正是交流失電或其他事故時負(fù)荷唯一的能源供給,是保證不間斷供電的關(guān)鍵設(shè)備。變電站用的蓄電池組是由單只電池串聯(lián)構(gòu)成110V或220V的直流系統(tǒng),由一臺充電機對整組電池充電,蓄電池之間的內(nèi)阻不同、特性不同等因素會導(dǎo)致電池過充和欠充問題嚴(yán)重,造成個別電池的容量不一和壽命提前終結(jié)等現(xiàn)象。

隨著變電站直流系統(tǒng)投運時間的不斷增加,蓄電池長期充放電,直流系統(tǒng)中暴露的問題也屢見不鮮,其中最突出的在于:蓄電池組會出現(xiàn)較多單體電池過充電或過放電,造成個別電池容量落后、劣化,出現(xiàn)一致性差異,最終導(dǎo)致整組蓄電池性能下降。

為了提高蓄電池的運行效率,減少上述問題的發(fā)生,目前站內(nèi)廣泛采用的改進措施主要分為以下三種:(1)人工對落后的單體蓄電池活化,也就是通過活化儀對單只電池進行充電、放電。對電壓高的電池進行放電降壓,對低電壓蓄電池進行補充電,以延長蓄電池組的使用壽命。(2)對蓄電池進行核對性放電,使電池組的充電和放電在一個周期內(nèi)進行,但這種做法很難實質(zhì)性地對單體電池進行有效均衡。(3)通過內(nèi)阻測試方法,測量到內(nèi)阻差異較大的電池時進行更換。在現(xiàn)場工作中,變電檢修人員更多地采用將劣化蓄電池退出運行并運回實驗室后利用活化儀對其進行活化處理,該方法在取得一定成效的同時,也存在投退蓄電池組的風(fēng)險以及活化周期長、工作效率低等弊端。鑒于當(dāng)前工作現(xiàn)狀,為了提高蓄電池運行效率,保障電網(wǎng)安全運行,提出一種能在線實現(xiàn)電池均衡,使電池在充放電管理過程中有效控制其充放電電壓和電流、上位機能無線接收各單體電池的電壓數(shù)據(jù)并分析處理的蓄電池均衡優(yōu)化裝置。

1解決方案設(shè)計

1.1帶無線數(shù)據(jù)傳輸功能的蓄電池過充控制器

本裝置采用最新無線通信技術(shù),通過主控設(shè)備設(shè)置均衡本論文由中山供電局"變電站直流系統(tǒng)定檢維護組合工具"項目資助電壓,通過高精度的電壓采樣和設(shè)置值的對比,自動控制恒流源,裝置使用時可在整組蓄電池中開辟另一條充電的恒流通道,對流經(jīng)每個單體電池的充電電流路徑進行改變,從而使得不同性能差異的電池都達(dá)到良好的充電狀態(tài),最終實現(xiàn)將整組蓄電池做一次全優(yōu)化處理。在主控設(shè)備中可以查看所有蓄電池的充放電歷史數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可導(dǎo)出至轉(zhuǎn)換軟件生成報表并分析均衡效果,達(dá)到提高變電站維護人員工作效率和延長蓄電池使用壽命的目的。

該裝置主要是由供電回路、主控制器、電壓采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、無線通信和均衡控制構(gòu)成。供電回路從蓄電池取得電源為整個裝置提供電源:電壓采樣從蓄電池取得電壓模擬量,通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供主控制器采集電壓:主控制器通過無線通信得到均衡設(shè)置電壓,通過均衡控制單元控制蓄電池的均衡狀態(tài),從而實現(xiàn)對蓄電池的均衡調(diào)節(jié)。

1.2均衡裝置功能及原理

本裝置ARM主控制器采用sTM32F101系列處理器,專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計,ARM32位Cortex-M3CPU,最高工作頻率72MHz,1.25DMIPs/MHz。單周期乘法和硬件除法,片上集成32~512kB的Flash存儲器、6~64kB的sRAM存儲器。時鐘、復(fù)位和電源管理:2.0~3.6V的電源供電和I/0接口的驅(qū)動電壓。上電復(fù)位(P0R)、掉電復(fù)位(PDR)和可編程的電壓探測器(PVD),4~16MHz的晶振,內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHzRC振蕩電路,內(nèi)部40kHz的RC振蕩電路,用于CPU時鐘的PLL,帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。電源芯片采用LT1615,它是采用5引腳s0T-23封裝的微功率DC/DC轉(zhuǎn)換器。LT1615專為具有350mA電流限制和1.2~15V輸入電壓范圍的較高功率系統(tǒng)而設(shè)計,在沒有負(fù)載時,兩個器件的靜態(tài)電流均僅為20uA,在停機時則進一步減少到0.5uA。電流限制、固定關(guān)閉時間控制方案保存工作電流,使得器件在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)具有很高的效率[2]。由于具有36V開關(guān),利用簡單的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能輕而易舉地產(chǎn)生高達(dá)34V的高電壓輸出,而無需采用昂貴的變壓器。LT1615的400ns低關(guān)閉時間允許用戶采用微型電感和電容器,從而在對空間敏感的便攜式應(yīng)用中,將器件的電路板占位面積和系統(tǒng)成本降至最小。本裝置采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705為完整16位、低成本8-A型ADC,適合直流和低頻交流測量應(yīng)用,其具有低功耗(3V時最大值為1mw)特性,因而可用于環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。片內(nèi)可編程增益放大器提供1~128的增益設(shè)置,無需使用外部信號調(diào)理硬件便可接收低電平和高電平模擬輸入。

1.3工作原理分析

充電機為直流系統(tǒng)主電源,滿足直流負(fù)荷需求,蓄電池組作為備用電源確保充電機故障后直流母線不失壓,為直流負(fù)荷提供臨時電源。正常情況時,蓄電池組工作在浮充狀態(tài)下,由充電機提供穩(wěn)定的浮充電流。

當(dāng)蓄電池組完成核容試驗后,充電機完成對其補充電。在充電工作開始前或站端蓄電池組端電壓嚴(yán)重參差不齊時,將調(diào)壓器置于每個單體兩端,對整組電池進行充電維護。由于單體本身特性的差異,在充電過程中各單體的端電壓會出現(xiàn)參差不齊現(xiàn)象。當(dāng)單體電壓超過上門檻值時,該單體調(diào)節(jié)器導(dǎo)通,為整組充電回路提供旁路通道,使整組中其他欠充單體繼續(xù)補充電。

當(dāng)充電機出現(xiàn)輸出故障時,整組電池失去充電電源,此時處于導(dǎo)通狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器會對該單體放電,直至其端電壓低于下門檻值時調(diào)節(jié)器截止,避免出現(xiàn)單體過放現(xiàn)象。正常情況下整組電池中如存在荷電態(tài)不一致電池,會使得單體電池滿充時間不一致,較快得到滿充的電池會使得其他慢充電池得不到繼續(xù)充電,導(dǎo)致整組中單體電池容量不一致,長期下去勢必出現(xiàn)過充和欠充現(xiàn)象。而使用本裝置后,在充電機輸出電壓(設(shè)定為各調(diào)節(jié)器均導(dǎo)通值)穩(wěn)定的前提下,如圖1所示,此時#50單體端電壓超過上門檻值的調(diào)節(jié)器導(dǎo)通,提供旁路通道(電流I50)使其他欠充單體繼續(xù)充電:#51單體經(jīng)補充電后端電壓升高,當(dāng)達(dá)到上門檻值后其調(diào)節(jié)器導(dǎo)通,繼續(xù)提供旁路通道(電流I51)使余下欠充單體補充電,如此直至各單體的調(diào)節(jié)器均達(dá)到上門檻值而導(dǎo)通,最終將各單體電壓鉗至預(yù)期值,提高了整組電壓均衡度,能夠避免過充或欠充對單體性能(壽命)的影響,同時實現(xiàn)蓄電池組容量的提升。

2優(yōu)勢分析

本裝置和主控裝置之間為無線通信,主控設(shè)備配備一個無線接收模塊,均衡模塊能實時采集蓄電池電壓發(fā)送給無線通信模塊,通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到放電儀主機。所有的無線通信模塊采用nRF905無線模塊,即由挪威NoRDIC公司出品的低于1GHz無線數(shù)傳芯片,主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的IsM頻段,非常適合用于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計,通過sPI接口與主處理器連接,最大發(fā)射功率可達(dá)到10dB,待機模式下電流僅為12.5μA,空曠地帶通信距離可達(dá)到100m。裝置配有一個8位撥碼開關(guān),最高可設(shè)置地址255,最高支持256個單體裝置。通過不同的撥碼設(shè)置控制裝置的地址,從而識別裝置對應(yīng)的電池序號。均衡調(diào)節(jié)器采用的LT1083,是7.5A低壓差正可調(diào)穩(wěn)壓器,專為以高于現(xiàn)有器件的效率來提供7.5A、5A和3A輸出電流而設(shè)計。所有內(nèi)部電路均為能夠在低至1V的輸入至輸出差分電壓條件下運作而設(shè)計,并且把壓差電壓作為負(fù)載電流的一個函數(shù)擬訂了全面的規(guī)格。壓差在最大輸出電流條件下保證為1.5V(最大值),并在較低負(fù)載電流時有所減小。片內(nèi)修整把輸出電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)至1%。對電流限值也進行了修整,從而最大限度地減小了過載條件下穩(wěn)壓器和電源電路上承受的應(yīng)力。

3應(yīng)用效果

本裝置可以自動檢測蓄電池組各個單體電池的電壓,無論在電池充電還是放電時,都能自動均衡每一節(jié)電池的電壓,在線對運行的蓄電池組的傳統(tǒng)充電方式進行優(yōu)化,使每節(jié)電池都處于相同的工作狀態(tài),通過使用先進的微機數(shù)字控制技術(shù)和電力電子技術(shù)來自動對性能偏弱的電池進行在線活化,從而使得每一節(jié)電池電量基本一致,避免蓄電池在充放電過程中出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象,讓蓄電池組始終保持在最佳運行狀態(tài),提高了蓄電池設(shè)備運行可靠性,延長了蓄電池使用年限,降低了電池的更換成本。

4結(jié)語

本文提出的在線式整組蓄電池?zé)o線均衡裝置能夠有效解決當(dāng)前變電站直流系統(tǒng)蓄電池維護工作效率低、難度大的頑疾,整組維護效果也大大優(yōu)于單體電池活化。另外,數(shù)據(jù)在線監(jiān)測與分析也提升了變電站維護水平,為今后變電站智能運維提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。該裝置應(yīng)用于整組蓄電池維護,在電力行業(yè)及相關(guān)蓄電池應(yīng)用場所具有較大推廣價值。