改变连接方式提高电池利用率创意方案

李历波，康鸿飞，梁 健，邹凤林，杨思安

（1.重庆市电力公司綦南供电局，重庆 400014；2.深圳市泰昂科技股份有限公司，广东深圳 518057）

目前电力系统大量使用铅酸蓄电池。变配电站直流系统通过较多数量铅酸蓄电池串联组成。一般DC220 V直流系统采用104只2 V铅酸蓄电池或19只12 V铅酸蓄电池，DC110 V直流系统采用54只2 V铅酸蓄电池或9只12 V铅酸蓄电池。

近年，环境保护部、国家发改委等部门在全国范围内掀起铅酸蓄电池行业环保整治运动。环保部公布的全国排查铅蓄电池生产、组装及回收（再生铅）企业名单中，超八成企业被取缔或整顿。其中，被取缔关闭583家、停产整治405家、停产610家。因此，目前全国仅约13%的企业可正常生产。此次环保运动将对大量使用铅酸蓄电池的电力系统造成直接压力。铅酸蓄电池供应商承诺使用10～12年，但电力系统常6年以内即选择淘汰。铅酸蓄电池未达到寿命年限选择退出，这和电池组均为数量较多的电池个体串联结构有关系。

当蓄电池组中少数电池发生质量问题时，因不同批次电池内阻及容量的差异，新旧电池串联使用将造成过充、过放等安全问题，不能采用新电池替换旧电池方法解决问题。这样必将造成直流蓄电池组在绝大多数电池性能正常情况下整组报废。

电力系统面临减少铅酸蓄电池使用量，以及提高现有铅酸蓄电池利用率的双重压力。本创意方案立足于通过改变直流系统蓄电池连接方式解决以上问题。

1 原理及可行性分析

直流系统蓄电池组关注的电量参数有：母线电压、放电容量。

创新方法：（1）直流母线电压：通过单只电池直接升压获得。目前电力电子技术通过将直流电压斩波，变压器升压，改变斩波占空比可精确实现电压输出；（2）容量：通过“单只电池+整流电路+升压电路”组成1个智能电池组件，多智能电池组件并联，通过并联数量改变，可得到相应容量。

技术原理：本创意通过将单只12 V蓄电池（或6只2 V串联蓄电池）与匹配的AC/DC充电电路、DC/DC升压电路组成“间接并联智能电池组件”。

通过单电池升压获得直流母线电压；具备多组件并联均流功能、蓄电池在线管理功能；具备完善的输入输出过/欠压保护、输出短路保护、过温保护、蓄电池过/欠压保护；能在线检修更换；具备通信功能。

智能电池组件原理[1]框图如图1所示。

图1 智能电池组件原理框图

本创意方案实施后，应用中可取代常规设计的“充电机+蓄电池组+蓄电池巡检”装置组合，以多模块并联冗余方式运行。

应用“间接并联智能电池组件”技术，除解决常规蓄电池串联产生的“个体质量影响整组”、“不能在线维护”、“不能在线全容量核容”、“蓄电池组防爆防燃处理难”、“按间隔分散布置难”等问题外，还能解决变配电站整组报废蓄电池组内性能完好电池与补充电池混合应用问题、2 V单体电池与12 V单体电池混合使用问题、常规串联电池组只能整组冗余问题。

应用方式图2所示。

图2 应用方式图

2 技术难点分析

2.1 满足负荷冲击要求

(1)配网站直流系统中冲击负荷来源

来源于开关跳合闸产生的冲击负荷；感性（容性）负荷接入产生的冲击负荷，如装置启动。这些冲击负荷按照技术规范一般时间不超过5 s。

(2)解决方案

加大元器件短时耐受力。单并联用智能电池模块额定输出功率为500W，设计1min耐受功率为1 000W，5 s耐受功率为3 000W。耐受过程中电压下降范围在－15%额定电压以内。按系统额定电压DC220 V计算，耐受过程中电压下降幅度可控制在DC187 V以上[2]。

2.2 保证馈线短路故障可靠切除

(1)并联电池组件本身限流保护采用分段方式处理。当故障电流Id≥7.5 Ie时，组件输出限流先降为7.5Ie，维持3 s，再降为2.5Ie，维持120 s，再降为1.2 Ie。并联电池组件本身限流保护分段处理如图3所示。

图3 并联电池组件本身限流保护分段处理图

(2)增大滤波电容容值，可避免电压陷落。

3 应用效益

本创意方案在凡有电池作为应急电源的场合均可适用，应用范围广泛。在变配电站上的应用如下：

（1）减少铅酸蓄电池使用量

由于采用n+X配置方式代替常规整组冗余配置，经测算使用1.3组12 V铅酸蓄电池总容量可代替一组或二组常规2 V蓄电池组。蓄电池的使用数量减少，使蓄电池的成本大幅降低。特别对使用二组/站蓄电池组的南方电网来说，效益尤其明显。如：以广东省2 000座变电站/4 000套铅酸蓄电池组计算，可节约1 400套常规铅酸蓄电池组。每组常规铅酸蓄电池组如按54只2 V/200 Ah铅酸蓄电池配置，则可减少75 600只2 V/200 Ah铅酸蓄电池使用量。

（2）提高现有铅酸蓄电池利用率

使用“间接并联智能电池组件”技术，实现新旧电池混合使用，以每组54只2 V/200 Ah铅酸蓄电池中50只蓄电池使用年限由6年提高到12年，则12年周期内广东省电力系统可减少4 000×50=200 000只2 V/200 Ah铅酸蓄电池采购，更不用说节约的废旧电池处理费用。

如将配电站电池计算进去，实现12与2 V铅酸蓄电池混合使用则效益更大。

4 结论

现有变站用电池的淘汰，是由于其中的低于30%电池单体出现老化，质量变差，不能满足供电和充放电要求，其中的50%以上只是被“报废”电池，被“报废”的电池实际还没达到使用年限，如果强行淘汰对回收及环境保护产生压力，而如果采用并联电池技术发挥电池单体的效能，则对提高电池使用效率，延长电池的使用寿命，实现变电站绿色、环保、节能目标贡献极大。

[1]王杰.基于间接并联智能电池组件的一体化电源应用研究[J].湖北电力，2011（S1）：12-14.

[2]白忠敏，刘百震，於崇干.电力工程直流系统设计手册[M].2版.北京：中国电力出版社，2009：8.