一种能量回馈型电池核容装置

刘忠祥 欧阳建 刘承虎

摘  要：直流电源系统是发电厂、变电站站用电源系统的重要组成部分，相当于发电厂、变电站的“心脏”，保障了发电厂、变电站信号、控制、继电保护和事故照明等操作电源的供应。作为直流系统后备电源的蓄电池又是直流电源的最核心部件之一，是保障直流系统可靠性的最后一道防线。阀控式铅酸电池占据电厂和变电站直流系统蓄电池的绝对份额，检验蓄电池好坏的最可靠的办法仍然是核容。目前普遍采用电子或电阻发热型核容装置，需要人在现场看守，费时费力。文章提出的能量回馈型核容装置发热少，可以支持远程无人值守的核容方式，大大节省人力。

关键词：直流电源;电池核容;放电仪;有源逆变;能量回馈

中图分类号：TM912         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）27-0081-03

Abstract： DC power supply system is an important part of power supply system for power plants and substations， which is equivalent to the "heart" of power plants and substations. It ensures the supply of operating power supply such as power plant， substation signal， control， relay protection and accident lighting. As the backup power supply of DC system， battery is one of the core components of DC power supply， and it is the last line of defense to ensure the reliability of DC system. Valve-controlled lead-acid batteries account for the absolute share of batteries in DC systems of power plants and substations. The most reliable way to test the quality of batteries is still nuclear capacity. At present， it is widely used as an electronic or resistive heating nuclear capacitance device， which needs to be guarded on the spot， so it is time-consuming and laborious. The energy feedback nuclear capacity device proposed in this paper has less heat， can support the remote unattended nuclear capacity mode， and greatly saves manpower.

Keywords： DC power supply; battery core capacity; discharge meter; active inverter; energy feedback

引言

直流電源系统广泛应用于发电厂、各类变电站和其它使用直流设备的场合，给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供不间断直流电源，一般分为220VDC和110VDC两个额定电压等级。直流系统的主要部件包括充电机、蓄电池、直流监控、绝缘监测仪、电池巡检仪、降压硅链（可选），其中蓄电池起着举足轻重的作用。

发电厂、变电站正式投运以后，交流停电的几率很小，特别是重要的发电厂和变电站更是微乎其微，因此直流系统中的充电机绝大部分时间都在工作，而蓄电池则处于浮充状态。浮充状态下的蓄电池健康状态很难监测，即使性能较差的电池在浮充状态下的电压也可能是正常的，而到了交流失电时往往顶不上，由于蓄电池问题导致的变电站事故不在少数。因此，最直接最可靠的检测蓄电池好坏的方法是核容。

市面上生产放电仪的厂家众多，绝大部分是采用电子或电阻发热式放电法，电池放出的能量通过热量的方式消耗掉，一方面造成能源浪费，另一方面放电仪产生的高温很容易引起火灾。通常阀控式铅酸蓄电池按100%全容量核容需要10小时，放电完后再静置24小时，然后再充电10小时，因此一组蓄电池完成整个核容过程一般至少需要两天的时间，且必须有2～3个人守在现场，费时费力。

供电局运维人员的不足，呼唤高效的电源运维方式，蓄电池核容占据了电源运维的很大一部分工作量。因此，远程核容的需求日益迫切，原有的放电仪不能满足要求。

1 方案简介

本文提出的核容装置采用有源逆变技术，蓄电池放出的能量仍然以电能的方式回馈到交流电网。一方面节能环保，减少能源的浪费;另一方面，由于核容装置自身所消耗的能量很少，不存在高温发热问题，大大减少了火灾的风险，从而为远程自动核容创造了必要的条件。人员不需要在现场看守，为供电局节约了大量的人力物力。

1.1 有源逆变器

有源逆变器采用DC/DC-DC/AC链接结构，其中前级DC/DC实现直流输入和交流输出的隔离。输入直流先经过输入EMI滤波器后，通过LLC全桥谐振变换器，隔离输出760V左右直流（±380VDC），再通过半桥逆变电路，将760V直流转换为与交流旁路同频同相和同幅电压。并网逆变器工作时相当于一个交流电流源，按照设定的功率（电流）将直流能量转换为交流能量回馈到电网中。其工作原理框图如图1所示。

1.2 单相回馈核容放电仪

系统框图如图2，装置主要包括一个单相有源逆变器、核容监控触摸屏、电池电压和电流检测模块。有源逆变模块的功率范围为1～10kVA，对应220V电池输入端的电流约为5～50A，按蓄电池0.1C核容折算，可以给300Ah以下容量的电池核容用。考虑到在蓄电池室或蓄电池屏中，没有三相交流电，或者不方便取三相电，故采用单相回馈核容放电仪。

1.3 三相核容放电仪

可用三个单相有源逆变模块或一个三相有源逆变模块构成三相核容放电仪，系统框图如图3、4。单相有源逆变模块的功率范围为1～10kVA，构成三相有源逆变的功率范围为3～30kVA，对应220V电池输入端的电流约为15～150A，按蓄電池0.1C核容折算，可以给1200Ah以下容量的电池核容用。在蓄电池室或蓄电池屏中，要能够方便取三相电，否则不宜采用三相回馈核容放电仪。

方案一的三相核容放电仪采用三个单相有源逆变模块并联而成，若某个有源逆变模块出现故障不工作，则会导致回馈到交流电网中的三相电流不平衡。这种情况下，核容监控触摸屏必须下发指令让另外两台有源逆变模块也停止工作，核容工作中断。而图4的方案二可以克服此缺点，当三相有源逆变模块出现故障时，三相交流电同时停止回馈，从而不会导致三相电流不平衡。

2 核容装置工作流程

核容装置的工作原理大致如下：

核容监控触摸屏根据电池检测模块采样得到的电池电压、电流参数，以及0.1C核容所需的电流进行计算，下发指令给有源逆变模块，并随着电池电压的下降做相应的调整，确保电池放电电流基本维持在0.1C。控制精度一方面依赖于电池采集模块的电压、电流误差，另一方面要采用负反馈的闭环算法调节指令值。

整个装置的工作流程如图5。

3 与常规放电仪的对比

能量回馈式的电池核容装置与常规的发热式核容装置相比，优势如表1。

能量回馈式放电仪带来的有益效果有如下几点：

（1）蓄电池放出的90%以上能量回馈到交流电网，大大降低了能源浪费。

（2）采用本装置对电池核容时，不需要额外增加风扇进行散热;也可以远程控制装置进行自动核容，不需要人员到现场看守，大大节约了人力费用。

（3）本装置可以放到运行中的直流电源系统中，通过周期性地自动对电池浅放电，可以检测出蓄电池开路、严重劣化等故障并告警，从而降低蓄电池带病运行的风险，提高直流电源可靠性。

4 结束语

随着供电局减员增效的严峻形势，变电站交直流电源运维高效的需求日益迫切，而蓄电池核容占据了很大一部分的电源运维工作量，因此远程核容的方式势在必行。传统的发热式放电仪由于存在不安全因素，必须要有专人现场看守;而有源逆变式的放电装置因其转换效率高，发热少，大部分能量都回馈到交流电网，因而是远程核容的得力助手，同时蓄电池放出的能量大部分得以利用，顺应了当下社会节能、环保的潮流。

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