变电站蓄电池容量选择计算方法

2020-12-01简璐刘博李志远

电子技术与软件工程 2020年23期

简璐刘博李志远

（1.国网宁夏电力有限公司宁东供电公司宁夏宁夏回族自治区银川市 750041）（2.国网宁夏电力有限公司检修公司宁夏宁夏回族自治区银川市 750001）

发电厂及变电站中的直流负荷可根据功能差异区分为直流控制负荷及直流动力负荷两方面，两种负荷负责的工作内容具有本质上的差异，且一并构成了变电站与发电厂安全稳定运行的可靠保障。对于变电站而言，其直流负荷需要由直流系统供电才能保障正常运行，一般是以交流电源借助充电装置向直流负荷供电，并在同一时间为蓄电池进行浮充电[1]。一旦交流电源断电或充电装置发生故障，充电机就会停止运行，此时整个直流系统进入事故放电状态，而在这种状态下，蓄电池就成了满足直流系统负荷电力需求的主要来源。

1 关于变电站蓄电池容量计算方法的发展

蓄电池容量的计算在选择蓄电池的过程中发挥了至关重要的作用，当前常见的蓄电池容量计算方法包括容量换算法与电流换算法两种，后者也称为阶梯负荷法。容量换算法需要借助蓄电池在事故放电状态下的放电容量及容量系数进行计算，以此求得计算容量，然而由此得到的计算容量相比电流换算法而言，在数值上的表现往往更高，同时还需要额外校验放电电压水平，就整体操作步骤及内容上而言，比电流换算法更加繁琐，因而出现失误的几率更高，受误差的影响也更大。

电流换算法是当前国际上使用较为普遍的电池容量计算方法之一，最早于20 世纪50年代在美国提出，且被列入相应标准中，现下国内在计算变电站蓄电池容量时也经常会用到这种方法。相比容量换算法而言，电流换算法同样需要应用事故放电电流及容量换算系数，但在具体的应用方法上是借助这两者求得常态负荷及事故负荷不同状态下所对应的蓄电池容量，并以此为基础叠加随机负荷需要的容量，最终得到蓄电池的计算容量，整个过程中不需要对放电电压水平进行校验。从整体上来看，电流换算法具有明显的估算性质，需要计算不同阶段的放电曲线并对比，随后找出其中较大值，最后叠加随即附和得出所需容量。

结合不同变电站蓄电池容量计算方式而言，均显著依赖蓄电池的放电特性，而传统蓄电池容量计算方法在流程上更加繁琐，因而其计算方法在精度上有所下降，随着电力行业的发展，传统方法表现出的局限性越来越明显，也就越发难以适用于蓄电池放电特性下的容量计算。

2 变电站传统蓄电池容量计算方法

2.1 阶梯负荷曲线

要对变电站蓄电池容量进行计算，就需要对变电站直流负荷情况进行统计，但由于变电站规模不同，同一变电站中的直流负荷种类也十分繁杂，因而这方面统计工作面临着较大难度，因此常见的方式是以负荷性质进行分类，在这种分类下，直流负荷被分为经常负荷（常态负荷）、事故负荷及冲击负荷三种。当直流系统处于事故放电的状态下，蓄电池就需要满足以上三种负荷在事故放电全过程中能够维持正常供电状态。而在三种不同负荷中，经常负荷与事故负荷的供电又具有优先性，必须在事故放电的时间内完全保持恒定状态，这就使得直流负荷在事故放电整个过程中的变化呈现出阶梯负荷曲线的特征。而冲击负荷则会根据事故放电阶段的不同再次进行区分，一般分为事故放电发生初期（1min 以内）、事故末期以及事故过程中出现的随机符合[2]。一般情况下变电站事故放电初期出现的冲击负荷数值很小，通常不需要纳入统计中，也不需要单独进行统计。由于随机负荷可能在放电过程中的任意时间段出现，因而其统计通常选在阶梯负荷最严重那一放电阶段的末期进行。

2.2 传统蓄电池容量计算方法

当前国内常见的传统蓄电池容量计算方法包括容量换算法与电流换算法两种（前文提到过）。其中容量换算法中对蓄电池容量的选择需要按照满足事故全停状态下，蓄电池持续放电所达到的容量。而电流换算法则需要根据负荷的分段分别进行计算，并将其中容量最大的数值作为参考数值。

2.3 蓄电池放电特性及容量计算研究

关于蓄电池放电特性的研究是为其容量计算做基础，方便后续容量计算内容更具有针对性。为使研究内容及相关数据得到优化，本文采取将蓄电池容量分为基础容量与消耗容量两部分的方式，其中基础容量需要能够保证放电前5 秒及整个放电过程蓄电池电压水平始终高于变电站直流系统要求的电压最低值，这就意味着基础容量具有满足一定负荷电流下电压水平的作用。在放电过程中，蓄电池一侧的电压会出现下降，导致这种情况出现的原因是极板表面及孔隙内的电解液在放电过程中浓度逐渐下降，而电解液的浓度下降会使极化电阻阻值增大，从而造成电压下降的情况。而消耗容量的价值在于确保负荷容量需求在实际放电过程中能够有效得到满足，也就是说放电过程进行中消耗容量需要处在不同下降的情况下，以确保直流系统满足符合要求，而基础容量则不能产生变化，进而保证电压的稳定性。由此可见如果实际需求需要缩减变电站蓄电池的容量选择，就需要以满足负荷电压为前提，尽可能缩减蓄电池的基础容量，考虑到蓄电池基础容量与电池种类有直接关系，因此需要做好蓄电池种类的选择工作。但有这样一种蓄电池，其基础容量大小与放电终止电压及放电电流直接相关，放电终止电压与放电电流越大，那么蓄电池需要满足的基础容量也就越大，由此可见对于这种蓄电池而言，放电电流、放电终止电压与其基础容量大小呈正相关性。但实际情况是无论发电厂或是变电站，其放电电流通常并不是恒定的，会随着事故放电时间的变化而产生变化。而在放电终止电压保持一定的状态下，唯一与蓄电池基础容量相关的只有放电电流，因此放电电流的变化必然导致蓄电池基础容量同时出现从属性变化，两者变化的比率也是恒定的。然而蓄电池在放电出现之前已经做好了容量的选择，那么放电过程中基础容量缩减的部分就会转化为消耗容量，这部分由基础容量转化成的消耗容量将作用于对负荷供电的满足。从相对简单的角度来理解，可以认为负荷电流降低时会使支撑端电压的基础容量同步出现降低，那么此时多余的容量就能够应用于支撑负荷电流[3]；同样，放电电流数值出现上涨时对基础容量的需求也会提升，以满足此状态下放电电压的需求，在这种情况下，原先的消耗容量会转化为基础容量，也就意味着原本供给给负荷的容量会下降。

3 变电站蓄电池容量计算新方法

结合之前的蓄电池放电特性及容量计算内容与不同蓄电池应用的实际情况来看，变电站蓄电池时间曲线在坐标轴上5 秒后的斜率均逐渐趋于稳定，且稳定下来的斜率整体上基本处于同一水平，因此可将放电之前的5 秒作为蓄电池的基础容量，而放电开始5 秒之后及至放点结束的时间段内蓄电池的容量作为消耗容量，由此可得出如下公式：

C=CB+CU=I1/KC01

结合该公式可应用基础容量与消耗容量两者求和的方式计算蓄电池容量，而在应用电流换算法进行过蓄电池容量计算之后，发现两者得出的结果是相同的，这说明等式最后已经包含了基础容量的部分。而在某一时刻蓄电池放电电流会减小，那么此时蓄电池放电所需的基础容量也会下降，这部分消耗的基础容量会作为消耗容量，为该时间段之前的放电提供容量，最后视情况决定蓄电池是否需要增加容量，进而确保蓄电池能够满足供电的要求。除此之外，还可借助对不同阶段放电所需容量的计算，测算出各时段的消耗容量。考虑到整个放电阶段基础容量的计算只需要关注放电最大电流，因而整个放电过程中对基础容量的计算相对比较容易。在计算出某一时刻基础容量所释放的容量以及所需要的消耗容量之后，如果释放的容量超过消耗容量，则蓄电池容量的计算就不需要考虑这段时间内的消耗容量，最终容量选择为所有计算结果的简单相加；但如果出现释放的容量少于消耗容量，那么需要额外加入消耗容量超过释放容量的部分，只有这样才能有效满足供电需求，同时对最终的容量选择也会造成影响，需要额外加入超过这部分的容量。此外要注意的是，如果蓄电池在最初阶段就已经出现了容量上的大幅消耗，并导致供应端电压大幅下降的情况出现，就不能再按照满容量放电的方式计算蓄电池容量，因为此时如果按照满容量放电的方法计算蓄电池容量很容易产生计算结果偏差，与实际不相符的情况。

4 变电站蓄电池容量计算新方法实际应用

本文对变电站蓄电池容量计算新方法实际应用将通过多个实际应用案例表示。

案例一：就当前无人值班变电站的工作形式而言，其事故放电时间通常记为2h，通信负荷一般以4h 为单位计算，因而前三个案例中的事故放电时间也均以此时间单位为标准。案例1 中计算使用的蓄电池种类为阀控式密封铅酸蓄电池，为方便计算，其放电终止电压取1.85V（该蓄电池电压极值为2V），在分别应用电流换算法及本文中提出的新换算法进行计算之后，发现两种计算方法得出的蓄电池计算容量是相等的。而在对于持续电流供电的计算中两者的结果也完全相同。考虑到持续供电状态下蓄电池中的电流处于恒定状态，因此电流换算法在应用过程中已经将基础容量及消耗容量变化的影响考虑在内[4]。从计算结果上来看，如果放电电流在放电时间内处于一个恒定的状态，那么电流换算法与新的计算方法有着同样的价值。

案例二：案例二中对阶梯负荷曲线首先进行确定，并将计算时间分为不同阶段，随后分别应用电流换算法及新方法进行计算，最终发现按照1、2 阶段阶梯负荷进行计算得出的结果中，新方法得出的结果比电流换算法略大，而这种情况出现的原因是电流换算法在进行第2 阶段所需容量时，认为是满容量蓄电池供电所造成的。新算法在应用过程中会分别对不同放电阶段的所需容量进行计算，那么2h 时放电电流减小之后，基础容量中所释放的部分也会被计算在内，因而在容量计算上具有连贯性，这与蓄电池放电的过程是贴合的，其计算结果也更加精确。

案例三：由于变电站总事故负荷中通信负荷所占比重并不多，因此放电曲线也会产生一定程度的变化，也就同样需要分阶段不同进行计算。而对于最终容量第一阶段的计算中两者的计算结果是相同的，但这并不意味着新算法中舍弃了对第二阶段所需容量的计算，出现这种情况是因为2h 时出现了放电电流见效所释放的基础容量超过第二阶段所需容量的情况，在这种情况下如果第二阶段放电电流出现上涨，那么就会随之出现一个临界值，该临界值会使2h 时放电电流见效所释放的基础容量与该阶段所需容量处在同样水准。那么在这种情况下如果继续提升2 阶段的放电电流，蓄电池容量就必须选择提升增加，才能满足变电站全过程的供电需求。

案例四：四种案例所涉及的阶梯负荷曲线在数量上比较多，如果采用电流换算法，那么蓄电池容量则需要由之前具有代表性的几个放电阶段决定，不需要再对其他阶段的容量进行计算。在分别应用两种方法进行计算之后，发现案例四中新算法的计算结果比电流换算法的计算结果要小，这种问题出现的原因是前三阶段的电流负荷处在不断提升的状态下，而电流换算法的应用则少算了其中的一部分容量。结合这部分内容来看，如果放电曲线整体表现比较复杂，那么新算法的计算结果可能存在大于、小于电流换算法计算结果的情况。具体结果视具体情况而定。