引言

變電站直流系統(tǒng)是十分重要的獨(dú)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(diǎn),為電力系統(tǒng)的控制回路、信號回路、繼電保護(hù)、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(jī)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行充電、放電。對電壓高的電池進(jìn)行放電降壓,對低電壓蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電,以延長蓄電池組的使用壽命。(2)對蓄電池進(jìn)行核對性放電,使電池組的充電和放電在一個周期內(nèi)進(jìn)行,但這種做法很難實(shí)質(zhì)性地對單體電池進(jìn)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(jìn)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(yùn)行并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后利用活化儀對其進(jìn)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(xiǎn)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(yùn)行效率,保障電網(wǎng)安全運(yùn)行,提出一種能在線實(shí)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(jī)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(jì)

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(hù)組合工具"項(xiàng)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(jìn)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(shí)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(bào)表并分析均衡效果,達(dá)到提高變電站維護(hù)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(shí)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(jì),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(jì),在沒有負(fù)載時,兩個器件的靜態(tài)電流均僅為20uA,在停機(jī)時則進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)提供穩(wěn)定的浮充電流。

當(dāng)蓄電池組完成核容試驗(yàn)后,充電機(jī)完成對其補(bǔ)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(jìn)行充電維護(hù)。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(bǔ)充電。

當(dāng)充電機(jī)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(jī)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)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(shí)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(jī)。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(jì),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(jī)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(jì)。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(yùn)作而設(shè)計(jì),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(jìn)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(yùn)行的蓄電池組的傳統(tǒng)充電方式進(jìn)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(jìn)的微機(jī)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(jìn)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(yùn)行狀態(tài),提高了蓄電池設(shè)備運(yùn)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(hù)工作效率低、難度大的頑疾,整組維護(hù)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(hù)水平,為今后變電站智能運(yùn)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(hù),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。