以实际负载放电的蓄电池远程核容装置设计

2021-05-08蔡勇超余勇曹小冬吕华良

蓄电池 2021年2期

蔡勇超，余勇，曹小冬，吕华良

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山 528000）

0 引言

通信电源是电力通信系统的重要组成部分，一般由整流器和铅酸蓄电池并联构成。铅酸蓄电池由于其内部结构的特性，长期处在浮充状态下，容易出现内部失水和化学物质结晶盐化，使蓄电池实际容量下降或直接为零。若此时变电站市电失压，蓄电池为通信设备供电的能力明显下降或完全丧失[1-3]。根据南方电网电源规范，新装蓄电池每 2～3 a 应进行一次全核容检测，而运行 6 a 以上的蓄电池，每年都应做一次核容检测[4]。

传统的蓄电池核容操作，需将蓄电池脱离直流母线，然后再接上专用的蓄电池放电仪作为负载放电。这种方式费时费力，还存在一定操作风险，特别是近年来电力建设速度加快，变电站数量越来越多，班组人员的运维压力也不断加大。目前蓄电池远程核容有小规模的应用，主要是采用逆变技术将蓄电池直流电源经有源逆变后反馈至交流电网。这种方式蓄电池电能利用率不高，而且还会产生电流谐波，对电网造成一定的冲击[5-6]。

笔者设计了一种基于 DC/DC 变压技术的蓄电池远程核容装置，通过将蓄电池电压升高，使其直接被通信设备利用，根据实际负载调节放电电流的大小。蓄电池不脱离母线，若放电过程中市电停电或蓄电池异常，能够立即停止放电，切换成正常工作模式。此外该装置还能实时监测蓄电池的单体电压、表面温度和内阻等运行参数，并基于历史监测数据库在线诊断蓄电池的健康状况。

1 系统总体设计

如图 1 所示，系统以 MCU 主控单元为核心，主要包括数据采集、远程交互及放电控制三大模块。MCU 是系统的“大脑”，负责处理采集单元上传的数据，接受远程控制命令以及发出放电指令给放电驱动模块，并将放电数据实时上传至监控中心。

图1 系统总体设计框图

数据采集模块包括蓄电池单体采集模块和母线采集模块。蓄电单体采集模块能够采集单个蓄电池的电压、温度、内阻等参数。母线采集模块采集蓄电池母线电压、电流。系统根据采集的数据，判断能否开展远程放电或者是否达到放电终止条件。远程交互模块将电源监控数据实时上传至控制中心，并接受及处理控制中心的指令。

放电驱动及控制模块是执行远程放电指令的单元，是整个系统的关键。其内部核心为 DC/DC 变压模块，可将蓄电池电压升高，并让蓄电池为负载供电，达到放电目的。工作电源模块由两路来自不同母线的 -48 V 电源供电，并进行电源转换，满足系统内部各部件的电源需求。

系统软件设计包括 MCU 软件设计和客户端软件设计。客户端软件主要是远程控制中心的人机交互界面和数据监控界面设计，采用图形化的设计理念。MCU 软件采用流程化的设计思想，主要包括数据采集、放电控制、中断处理和远程通信。

2 放电驱动及控制原理

在图 2 所示核容装置中，K1 为常闭接触器，K2 和 K3 为双切换接触器，D1 为隔离二极管，高频 DC/DC 为可调压变压模块，输出电压范围为直流 40～60 V。正常运行方式下，K1 常闭，K2 和K3 断开，蓄电池处于浮充状态，设备负载由整流器供电。

图2 放电驱动及控制原理图

当蓄电池需要放电核容时，MCU 控制 K1 断开，K2 投切到 P2，K3 投切到 P3，高频 DC/DC 变换模块开始工作，将蓄电池组电压升高，并根据设定的负载电流大小，动态调整输出电压，直到放电电流与设备负载电流的大小相同。此时负载完全由蓄电池供电，而整流器空载运行。随着放电过程的持续，蓄电池的端电压（B 点）会逐渐下降。控制电路能实时监测放电时的电流环路和电压环路，动态调整输出电压范围，始终保持放电电流值不变，直至放电结束。

当在线升压放电结束后，蓄电池组的端电压较低，而整流器的输出电压一般为恒定的 -53.5 V。若直接为蓄电池充电，由于压差较大会给蓄电池造成大电流冲击，因此需要通过 DC/DC 变换模块为蓄电池恒流充电。此时 K1 继续保持断开，K2 投切到P1，K3 投切到 P4，整流器输出电压经过 DC/DC变换模块后，再给蓄电池充电。刚开始蓄电池端电压低，DC/DC 模块输出电压也较低，避免电压差带来的电流冲击。随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，DC/DC 模块也动态地调整输出电压，直到充电电流下降到预设的阈值。MCU 继续调整DC/DC 模块输出电压和电流，对蓄电池进行均充充电，直至达到均充结束条件。最后，MCU 控制K1 闭合，K2、K3 断开，通信电源恢复至正常浮充状态，一次完整的在线充放电程序结束。

整个充放电过程都由 MCU 自动控制，蓄电池始终不脱离母线，系统能够根据采集的母线电压、电流，动态调整 DC/DC 模块的输出电压和电流，确保整个过程完全可控，并且当遇到意外情况时能快速切换至正常运行状态。

3 硬件电路设计

3.1 高频 DC/DC 模块设计

DC/DC 电路设计有多种方案可供选择，考虑到本系统要求电压变比范围大、功率要求高、动态响应快，所以选择带反馈控制的半桥式 DC/DC 变换器[7-8]。如图 3 所示，变压器 T 起隔离和传递能量的作用，电阻 R1 和 R2 用于分压。开关管 VT1 导通时，Np 绕组上承载一半的输入电压，副边绕组电压使二极管 VD3 导通。同理下半个周期内，VT2和 VD4 导通，输出回路上的二极管 VD3、VD4、电感 L 和电容 C4 共同组成整流滤波电路。

图3 半桥式 DC/DC 电路原理图

半桥式 DC/DC 电路能够降低原边开关管的电压应力，使其工作寿命更长，工作效率更高。C1、C2 用来平衡每个开关管的伏秒值，采用高压铝电解电容。C3 的作用是滤掉影响伏秒平衡的直流分量部分，一般采用 CBB 电容。VT1 和 VT2 的导通与关断由 MUC 控制，通过比较设定的电压值和采集的电压值，自动调整 PWM 波的占空比和频率，达到调节电压的目的。

3.2 采集电路设计

变电站通信电源蓄电池一般由 24 节 2 V 电池组成，所以需要采集 24 路电压信号。按照传统采集模式，需要用到 24 路 A/D 转换模块。为减少电路设计成本，提高采集效率，采用 8 通道模拟开关器件，将 24 路模拟信号通过 8 选 1 模拟开关选择后，送至 3 路 A/D 转换模块，再进行采样处理。

如图 4 所示，U1、U2、U3 为 8 选 1 模拟开关芯片。X1～X24 为 24 节电池电压信号。Y1、Y2、Y3 为芯片信号输出端，接至 A/D 模块。A1、A2、A3 为输出信号控制线，接入 MCU 的 IO 端口。A1、A2、A3 状态从 000 至 111 依次变化，相应地X1～X8 信号被选择。这样一个 A/D 模块就能采集8 路电压信号，提高了采样效率。

图4 多路采集电路原理图

4 系统软件设计

4.1 MCU 软件设计

MCU 软件设计采用流程化、模块化的设计原则，主要包括信号采集程序、远程放电驱动程序、电压自动调节程序、通信接口程序等，使用 MCU自带开发环境和固件函数库，减少底层驱动程序的设计。如图 5 所示，MCU 模块上电后完成初始化和自检，然后采集电池和母线电压数据，并实时上传。此时系统处在监控模式状态，即通信电源正常工作状态。当监控中心发出启动放电指令或系统预置的放电周期到时，系统启动放电程序，检测当前环境是否具备放电条件，主要查看蓄电池单体电压、母线电压电流、市电输入等是否正常，确保在电源正常运行状态时才能启动放电。

图5 MCU 软件流程图

放电截止条件设定有多种情况，只要某一项指标达到预设值时即可停止放电，主要包括蓄电池单体电压、总电压、预放容量、放电时间。以 2 V 500 Ah 蓄电池为例，具体设定值如表 1 所示。

表1 放电截止预设值

放电过程中如遇市电停电、温度过高等突发情况，系统能够自动立即停止放电，恢复至正常运行状态，确保放电过程安全可控。监控中心也可以随时手动停止放电。

4.2 客户端软件设计

客户端软件是用户操作和监视通信电源的平台，采用 B/S 架构。用户只需打开 Web 浏览器即可操作，无需安装客户端软件。相关运维人员申请相应权限的账号，即可实现多用户的使用。

如图 6 所示，界面采用菜单式和图形化的设计理念，主要包括 6 大板块。首页主要是对系统的整体展示，系统在地图上的分布情况，通过从地图上变电站的位置进入浏览当前变电站内通信电源的运行情况。监测数据板块实时监测电源的状态及电池组的电压、内阻、温度等信息，也可以查询历史数据，并以连续变化的曲线图显示。统计报表板块基于历史监测数据和放电数据，预估蓄电池剩余容量、续航时间等，筛选出不满足要求的电池，为立项更换提供参考依据。告警管理能够查询当前和历史的电源告警信息，包括母线电压过高或过低告警，蓄电池单体异常告警等。作业管理实现启动或停止远程放电，制定放电计划，设置放电参数，管控放电过程等功能。用户管理包括账户管理、账号的申请、权限的设置、操作记录查询等。

图6 系统界面示意图

5 应用结果分析

选取某变电站通信电源作为应用对象，加装远程放电装置后，对蓄电池进行远程放电测试，得到如图 7 所示放电曲线。放电前母线电压为 53.5 V，负载为 15.5 A。启动远程放电后，DC/DC 装置将蓄电池电压逐步升高，随之蓄电池开始向负载供电。当电压升至 53.7 V 时，负载完全由蓄电池供电。母线电压一直稳定在 53.7 V，而蓄电池组端电压随着放电的深入不断下降，从而实现了远程放电且全程无需人工在现场操作的目。