变电站蓄电池充放电过程分析与建模

2015-06-19周华东张东泽龚辉卫健吕林

电源技术 2015年3期

关键词：充电电流端电压充放电

周华东，张东泽，龚辉，卫健，吕林

(1.内江电业局，四川内江641100；2.四川大学电气信息学院，四川成都610065)

变电站蓄电池充放电过程分析与建模

周华东1，张东泽1，龚辉2，卫健2，吕林2

(1.内江电业局，四川内江641100；2.四川大学电气信息学院，四川成都610065)

针对以往关于变电站蓄电池充放电过程的研究较为薄弱的现状，详细分析了蓄电池的充放电特性。采用电流换算法检测蓄电池的容量，根据多次的实验结果绘制充放电曲线，建立蓄电池的充电和放电数学模型，量化了蓄电池的充放电过程。以实际蓄电池为例，分析变电站蓄电池的充放电过程特性，验证所构建的蓄电池充放电模型的正确性和合理性，为进一步研究变电站直流系统的特性提供一定的理论基础。

变电站；蓄电池；蓄电池容量；充放电

蓄电池是变电站直流电源中一种非常重要的二次设备。在发电厂停电的时候，蓄电池能够保证变电站的控制信号、保护和自动装置等正常工作，对变电站的正常运行起着至关重要的作用[1-2]。

文献[3-4]从蓄电池化学反应原理出发，构建了蓄电池的电化学等效模型，但是其考虑参数过多，计算耗时且计算量大，难以应用于实际情况。文献[5-6]通过工作经验和数学工具来构建蓄电池的分析模型，但是比较抽象，没有考虑电池的内部元件，不适合实际应用。文献[7-8]考虑了蓄电池的内部运行参数，建立了阀控铅酸蓄电池的三阶等效电路模型，该类模型直观、物理意义明确。文献[9]使用HOXIE算法和电压控制两种方法计算蓄电池容量，对两种方法的异同与联系进行了探讨，提出电压控制法的改进和补充。文献[10]在文献[7-8]构建的蓄电池三阶电路模型的基础上，对蓄电池充放电模型特性进行了仿真研究。

上述文献多为直接构建蓄电池的仿真模型，从整体上分析讨论蓄电池的特性，少有对变电站蓄电池充放电过程的详细特性分析。本文通过对变电站某品牌蓄电池进行多次充放电实验，记录其充电放电曲线，详细分析蓄电池在充电和放电时的特性；采用电流换算法检测蓄电池的容量，通过建立变电站蓄电池的充放电过程的数学模型来拟合充放电曲线，量化了蓄电池充放电的过程，规避了以往靠经验判断蓄电池充放电状态的弊端。以实际变电站的蓄电池为例，将建立的充放电数学模型展示出的充放电曲线与该蓄电池充放电曲线对比，验证本文所构建的蓄电池充放电数学模型的合理性。

1 变电站蓄电池充放电特性分析

蓄电池需要很高的可靠性。整个蓄电池组故障而造成停电的概率极小，因为蓄电池组的故障总是首先在个别电池中发生，而且其发展过程缓慢，易于及时发现和消除，不致波及整个蓄电池组。

蓄电池按电解液不同可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。酸性蓄电池多为铅酸蓄电池。发电厂、变电站的蓄电池常选用酸性蓄电池中的阀控蓄电池和固定防酸蓄电池，电压等级有2和12 V之分。考虑到使用寿命、造价、占用面积等原因，多数变电站主要选用2 V的阀控蓄电池。本文也主要研究2 V的阀控铅酸蓄电池的充放电特性。

1.1 蓄电池充电特性

蓄电池投入运行前要进行初充电，初充电完成后进入正常运行方式。正常运行时，需对蓄电池进行浮充充电，且多采用连续浮充制式，以弥补电池自放电损耗。事故放电后，需进行均衡充电或补充电。

以某蓄电池为例，采用恒温条件(25℃)，经数月多次充放电实验，记录测得的平均数值并绘制其充电曲线，如图1所示。这里采用的充电方式为恒压充(2.4和2.28 V)，每次均充电流为1.0，放电深度控制在50%。

图1表现出蓄电池采用恒压充电时充电电流对充电时间的依赖关系，随着充电时间的推移，充电电流越来越小，至充满时只有微弱的充电电流。另外，从图1中可以看出，在同一放电深度和同样的充电电流情况下，充电电压分别为2.28和2.4 V时，充电时间相差并不大，为3 h左右。这说明，在同等条件下应选择较低的均充电压方式充电。

图1 蓄电池充电特性

充电电压、电流和温度对蓄电池充电时间有着重要影响，同时对蓄电池使用寿命也起到很重要的作用。图2为上述某蓄电池的温度与使用寿命的关系。从图2可以看出，在25℃条件下，预期浮充寿命为20年，而在温度升高10℃后，其预期寿命降低到9～10年，所以阀控式铅酸电池不适宜在持续高温条件下工作。

图2 蓄电池工作温度与寿命的关系

为弥补电池在储存期内的电量损失，在蓄电池投运前应对电池进行一次补充充电。图3为上述某蓄电池工作温度和补充充电电压的关系。从图3可以看出，温度越高，充电电压越小。但是，一般最低充电电压不允许低于2.2 V，最高充电电压不高于2.4 V。

图3 蓄电池工作温度与充电电压的关系

1.2 蓄电池放电特性

以某2 V阀控密封式铅酸蓄电池为例，采用10 h率放电，实验多次，记录并绘制放电曲线，如图4所示。从图4中可以看出，蓄电池在放电初期，端电压急剧下降，这是因为极板表面及孔隙电解液浓度急剧降低而导致。在放电中期电池端电压比较平稳，下降趋势缓慢。从放电初期到放电中期跨度为整个放电时间的一半以上，这段时间内蓄电池的工作电压一直都高于2 V，有利于保证变电站供电的可靠性。但是随着时间的增长，电池槽内电解液浓度逐渐减小，到放电末期，蓄电池极板表面和槽内电解液浓度都降低到极限，电池端电压急剧变化，呈直线下降，放电终止。

图4蓄电池放电特性

图5 是该蓄电池放电容量与其环境温度之间的关系图。从图5可以看出，随着温度的上升，蓄电池放电容量会跟着增加。这种关系可由以下公式近似地拟合：

图5 放电容量与环境温度的关系

2 蓄电池充放电模型的建立

蓄电池充放电模型的建立能够量化蓄电池充电和放电过程，使充放电过程更直观化。采用电流换算法检测出蓄电池的容量，通过多次实验，拟合充放电曲线，分别构建蓄电池的充放电模型。

2.1 检测蓄电池容量

蓄电池容量是蓄电池蓄电能的主要标志。指定的放电条件(温度、放电电流、终止电压)下所放出的电量称为蓄电池的容量(C)，单位Ah。蓄电池放电至终止电压的时间称放电率，单位为h。蓄电池的容量一般分为额定容量和实际容量两种。额定容量在蓄电池的属性参数中直接读取；实际容量则采用电流换算法[11]检测，其计算步骤如下：

第1阶段：

时间与容量换算系数的对应关系为：

容量计算公式为：

第2阶段：

时间t与容量换算系数Kc的对应关系为：

容量计算公式为：

第阶段：

时间t与容量换算系数Kc的对应关系为：

容量计算公式为：

蓄电池带随机负荷容量计算公式为：

蓄电池计算容量为：

2.2 建立蓄电池充电模型

蓄电池再投入使用前，须进行初充电、均衡充电和浮充充电等，其充电方式多为定电流、定电压二段充电方式[11]。

分析蓄电池充电时端电压和电流与充电时间的关系[11]，拟合其曲线，构建蓄电池充电功率的模型：

2.3 建立蓄电池放电模型

在直流系统中，衡量蓄电池工作情况下剩余容量的重要指标之一是蓄电池的荷电状态(SOC)。SOC是指当前运行情况下蓄电池的剩余容量与其完全充电后的容量比值，显然其值为1时，蓄电池为满充状态。计算公式为[12]：

经过多次实验，得到蓄电池放电时端电压随时间的变化曲线，通过数学模型拟合放电曲线，表达式为：式中：仍为蓄电池组个体数；为蓄电池10放电率放电容量，为10 h放电电流，它们之间的转换关系为=0.1；和为蓄电池的放电系数，与式(10)中的和类似，不同厂家不同型号的蓄电池，放电系数不一样；为蓄电池放电时间为蓄电池放电电流。

3 蓄电池充放电模型仿真

采用某品牌阀控式密封铅酸蓄电池为例进行仿真分析。该电池的容量为800 Ah，其中单体额定电压为2 V，放电终止电压单体为2.1 V，蓄电池个数为54个，适宜工作温度为(25±2)℃。充电方式为恒电流充电时，充电电压单体不高于2.35 V；为恒电压充电方式时，充电电压单体仍然不高于2.35 V。为10 h率放电电流，当充电电流下降到0.05时停止充电，其蓄电池充电系数、放电系数如表1和表2所示。

表1 蓄电池充电系数

表2 蓄电池放电系数

图6是充电时蓄电池端电压、电流和功率随充电时间而变化的仿真曲线和实测曲线。从图6可以看出，实测曲线和仿真曲线随时间的走向趋势基本一致，可认为在误差允许范围内，本文所构建的充电模型是合理的。

图6 蓄电池端电压、充电电流和充电功率随充电时间的变化曲线

分析图6中的实测曲线可知，蓄电池端电压随着时间不断上升，充电电流和充电功率基本平稳，略有下降趋势。在充电初期和中期，端电压上升较快。蓄电池充电15 h后端电压下降，是因为蓄电池进入充电末期，正极板上的水产生氧气，消耗掉了部分正电子，负极板上的氧气被还原成水，消耗掉了负极板上部分电子。充电进入18 h后，蓄电池端电压开始接近限值，几乎不变。蓄电池的充电功率与充电电流走势基本一致，说明影响蓄电池充电速度的主要因素是充电电流。

图7是单个蓄电池放电电流和电压随时间而变化的仿真曲线和实测曲线。蓄电池在使用过程中，端电压总体趋势是随时间下降，当蓄电池带负荷阶跃不是很大时，放电电流阶跃幅值不是很大，蓄电池端电压跳动不是很明显。蓄电池放电模型很好地反应了蓄电池的运行状态。将实际放电曲线与阀控密封铅酸蓄电池放出不同容量时的标准电压值[13]比较，差异很小，说明该蓄电池处于正常放电状态。从图7中仿真放电曲线与实际放电曲线的对比来看，两者走势大致相同，说明本文所建放电模型是合理的。

图7蓄电池放电电流和端电压与实际情况的对比曲线

图8 是不同放电电流倍率下放电电压随时间的变化曲线图。从图8可以看出，在不同放电电流倍率下，蓄电池放电时间和放电速率都会不一样。放电电流倍率越高，放电时间越短，并且在放电末期，放电曲线剧降，这和实际情况也是相符的。

图8 不同倍率放电特性曲线

4 结语

本文进行了多次蓄电池充放电实验，绘制充放电曲线，通过拟合曲线建立了蓄电池的充电和放电模型，量化了蓄电池的充放电过程，规避了传统靠经验判断蓄电池充放电状态的弊端。以某品牌阀控式密封铅酸蓄电池为例，通过分析仿真得出，充电时蓄电池端电压随时间变化不断增大，充电电流和充电功率随时间不断减小；放电时，蓄电池端电压和放电电流随时间变化不断减小。通过与实际充放电曲线对比，证明了本文所建立的充放电模型的合理性，为进一步研究变电站直流系统的特性提供了一定的理论基础。

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Analyzing and modeling for charging/discharging process of substation battery

ZHOU Hua-dong1,ZHANG Dong-ze1,GONG Hui2,WEI Jian2,LV Lin2

For those research about charging/discharging process of substation battery were weak,the charging/discharging features of battery were analyzed in detail.The algorithm of current translated was used to measure the battery capacity,and the curve of charging/discharging of battery was figured according to outcome of repeated experiment.The math model of charging/discharging of battery was built.The process for charging/ discharging process of substation battery was quantified.The real battery was used to make simulation and analysis, and the rightness and reasonable of the battery was proved by the model of charging/discharging of battery.Some theory base for the research about the direct-current system of substation was provided.

substation;battery;capacity of battery;charge/discharge

TM 912

1002-087 X(2015)03-0536-03