變電站直流系統(tǒng)定檢維護(hù)組合工具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

變電站直流系統(tǒng)是十分重要的獨(dú)立電源系統(tǒng),其具有電壓穩(wěn)定、不接地、不間斷、大電流等特點(diǎn),為電力系統(tǒng)的控制回路、信號(hào)回路、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及事故照明等提供可靠穩(wěn)定的不間斷直流電源。在發(fā)電廠(chǎng)、變電站、UPs系統(tǒng)等多種場(chǎng)合,重要設(shè)備與應(yīng)急使用都必須保證不間斷供電,而蓄電池組正是交流失電或其他事故時(shí)負(fù)荷唯一的能源供給,是保證不間斷供電的關(guān)鍵設(shè)備。變電站用的蓄電池組是由單只電池串聯(lián)構(gòu)成110V或220V的直流系統(tǒng),由一臺(tái)充電機(jī)對(duì)整組電池充電,蓄電池之間的內(nèi)阻不同、特性不同等因素會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充和欠充問(wèn)題嚴(yán)重,造成個(gè)別電池的容量不一和壽命提前終結(jié)等現(xiàn)象。

隨著變電站直流系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間的不斷增加,蓄電池長(zhǎng)期充放電,直流系統(tǒng)中暴露的問(wèn)題也屢見(jiàn)不鮮,其中最突出的在于:蓄電池組會(huì)出現(xiàn)較多單體電池過(guò)充電或過(guò)放電,造成個(gè)別電池容量落后、劣化,出現(xiàn)一致性差異,最終導(dǎo)致整組蓄電池性能下降。

為了提高蓄電池的運(yùn)行效率,減少上述問(wèn)題的發(fā)生,目前站內(nèi)廣泛采用的改進(jìn)措施主要分為以下三種:(1)人工對(duì)落后的單體蓄電池活化,也就是通過(guò)活化儀對(duì)單只電池進(jìn)行充電、放電。對(duì)電壓高的電池進(jìn)行放電降壓,對(duì)低電壓蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電,以延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命。(2)對(duì)蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電,使電池組的充電和放電在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行,但這種做法很難實(shí)質(zhì)性地對(duì)單體電池進(jìn)行有效均衡。(3)通過(guò)內(nèi)阻測(cè)試方法,測(cè)量到內(nèi)阻差異較大的電池時(shí)進(jìn)行更換。在現(xiàn)場(chǎng)工作中,變電檢修人員更多地采用將劣化蓄電池退出運(yùn)行并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后利用活化儀對(duì)其進(jìn)行活化處理,該方法在取得一定成效的同時(shí),也存在投退蓄電池組的風(fēng)險(xiǎn)以及活化周期長(zhǎng)、工作效率低等弊端。鑒于當(dāng)前工作現(xiàn)狀,為了提高蓄電池運(yùn)行效率,保障電網(wǎng)安全運(yùn)行,提出一種能在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)電池均衡,使電池在充放電管理過(guò)程中有效控制其充放電電壓和電流、上位機(jī)能無(wú)線(xiàn)接收各單體電池的電壓數(shù)據(jù)并分析處理的蓄電池均衡優(yōu)化裝置。

1解決方案設(shè)計(jì)

1.1帶無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能的蓄電池過(guò)充控制器

本裝置采用最新無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),通過(guò)主控設(shè)備設(shè)置均衡本論文由中山供電局"變電站直流系統(tǒng)定檢維護(hù)組合工具"項(xiàng)目資助電壓,通過(guò)高精度的電壓采樣和設(shè)置值的對(duì)比,自動(dòng)控制恒流源,裝置使用時(shí)可在整組蓄電池中開(kāi)辟另一條充電的恒流通道,對(duì)流經(jīng)每個(gè)單體電池的充電電流路徑進(jìn)行改變,從而使得不同性能差異的電池都達(dá)到良好的充電狀態(tài),最終實(shí)現(xiàn)將整組蓄電池做一次全優(yōu)化處理。在主控設(shè)備中可以查看所有蓄電池的充放電歷史數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可導(dǎo)出至轉(zhuǎn)換軟件生成報(bào)表并分析均衡效果,達(dá)到提高變電站維護(hù)人員工作效率和延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的目的。

該裝置主要是由供電回路、主控制器、電壓采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、無(wú)線(xiàn)通信和均衡控制構(gòu)成。供電回路從蓄電池取得電源為整個(gè)裝置提供電源:電壓采樣從蓄電池取得電壓模擬量,通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供主控制器采集電壓:主控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信得到均衡設(shè)置電壓,通過(guò)均衡控制單元控制蓄電池的均衡狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的均衡調(diào)節(jié)。

1.2均衡裝置功能及原理

本裝置ARM主控制器采用sTM32F101系列處理器,專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì),ARM32位Cortex-M3CPU,最高工作頻率72MHz,1.25DMIPs/MHz。單周期乘法和硬件除法,片上集成32~512kB的Flash存儲(chǔ)器、6~64kB的sRAM存儲(chǔ)器。時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理:2.0~3.6V的電源供電和I/0接口的驅(qū)動(dòng)電壓。上電復(fù)位(P0R)、掉電復(fù)位(PDR)和可編程的電壓探測(cè)器(PVD),4~16MHz的晶振,內(nèi)嵌出廠(chǎng)前調(diào)校的8MHzRC振蕩電路,內(nèi)部40kHz的RC振蕩電路,用于CPU時(shí)鐘的PLL,帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。電源芯片采用LT1615,它是采用5引腳s0T-23封裝的微功率DC/DC轉(zhuǎn)換器。LT1615專(zhuān)為具有350mA電流限制和1.2~15V輸入電壓范圍的較高功率系統(tǒng)而設(shè)計(jì),在沒(méi)有負(fù)載時(shí),兩個(gè)器件的靜態(tài)電流均僅為20uA,在停機(jī)時(shí)則進(jìn)一步減少到0.5uA。電流限制、固定關(guān)閉時(shí)間控制方案保存工作電流,使得器件在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)具有很高的效率[2]。由于具有36V開(kāi)關(guān),利用簡(jiǎn)單的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能輕而易舉地產(chǎn)生高達(dá)34V的高電壓輸出,而無(wú)需采用昂貴的變壓器。LT1615的400ns低關(guān)閉時(shí)間允許用戶(hù)采用微型電感和電容器,從而在對(duì)空間敏感的便攜式應(yīng)用中,將器件的電路板占位面積和系統(tǒng)成本降至最小。本裝置采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705為完整16位、低成本8-A型ADC,適合直流和低頻交流測(cè)量應(yīng)用,其具有低功耗(3V時(shí)最大值為1mw)特性,因而可用于環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。片內(nèi)可編程增益放大器提供1~128的增益設(shè)置,無(wú)需使用外部信號(hào)調(diào)理硬件便可接收低電平和高電平模擬輸入。

1.3工作原理分析

充電機(jī)為直流系統(tǒng)主電源,滿(mǎn)足直流負(fù)荷需求,蓄電池組作為備用電源確保充電機(jī)故障后直流母線(xiàn)不失壓,為直流負(fù)荷提供臨時(shí)電源。正常情況時(shí),蓄電池組工作在浮充狀態(tài)下,由充電機(jī)提供穩(wěn)定的浮充電流。

當(dāng)蓄電池組完成核容試驗(yàn)后,充電機(jī)完成對(duì)其補(bǔ)充電。在充電工作開(kāi)始前或站端蓄電池組端電壓嚴(yán)重參差不齊時(shí),將調(diào)壓器置于每個(gè)單體兩端,對(duì)整組電池進(jìn)行充電維護(hù)。由于單體本身特性的差異,在充電過(guò)程中各單體的端電壓會(huì)出現(xiàn)參差不齊現(xiàn)象。當(dāng)單體電壓超過(guò)上門(mén)檻值時(shí),該單體調(diào)節(jié)器導(dǎo)通,為整組充電回路提供旁路通道,使整組中其他欠充單體繼續(xù)補(bǔ)充電。

當(dāng)充電機(jī)出現(xiàn)輸出故障時(shí),整組電池失去充電電源,此時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器會(huì)對(duì)該單體放電,直至其端電壓低于下門(mén)檻值時(shí)調(diào)節(jié)器截止,避免出現(xiàn)單體過(guò)放現(xiàn)象。正常情況下整組電池中如存在荷電態(tài)不一致電池,會(huì)使得單體電池滿(mǎn)充時(shí)間不一致,較快得到滿(mǎn)充的電池會(huì)使得其他慢充電池得不到繼續(xù)充電,導(dǎo)致整組中單體電池容量不一致,長(zhǎng)期下去勢(shì)必出現(xiàn)過(guò)充和欠充現(xiàn)象。而使用本裝置后,在充電機(jī)輸出電壓(設(shè)定為各調(diào)節(jié)器均導(dǎo)通值)穩(wěn)定的前提下,如圖1所示,此時(shí)#50單體端電壓超過(guò)上門(mén)檻值的調(diào)節(jié)器導(dǎo)通,提供旁路通道(電流I50)使其他欠充單體繼續(xù)充電:#51單體經(jīng)補(bǔ)充電后端電壓升高,當(dāng)達(dá)到上門(mén)檻值后其調(diào)節(jié)器導(dǎo)通,繼續(xù)提供旁路通道(電流I51)使余下欠充單體補(bǔ)充電,如此直至各單體的調(diào)節(jié)器均達(dá)到上門(mén)檻值而導(dǎo)通,最終將各單體電壓鉗至預(yù)期值,提高了整組電壓均衡度,能夠避免過(guò)充或欠充對(duì)單體性能(壽命)的影響,同時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄電池組容量的提升。

2優(yōu)勢(shì)分析

本裝置和主控裝置之間為無(wú)線(xiàn)通信,主控設(shè)備配備一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收模塊,均衡模塊能實(shí)時(shí)采集蓄電池電壓發(fā)送給無(wú)線(xiàn)通信模塊,通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到放電儀主機(jī)。所有的無(wú)線(xiàn)通信模塊采用nRF905無(wú)線(xiàn)模塊,即由挪威NoRDIC公司出品的低于1GHz無(wú)線(xiàn)數(shù)傳芯片,主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的IsM頻段,非常適合用于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)sPI接口與主處理器連接,最大發(fā)射功率可達(dá)到10dB,待機(jī)模式下電流僅為12.5μA,空曠地帶通信距離可達(dá)到100m。裝置配有一個(gè)8位撥碼開(kāi)關(guān),最高可設(shè)置地址255,最高支持256個(gè)單體裝置。通過(guò)不同的撥碼設(shè)置控制裝置的地址,從而識(shí)別裝置對(duì)應(yīng)的電池序號(hào)。均衡調(diào)節(jié)器采用的LT1083,是7.5A低壓差正可調(diào)穩(wěn)壓器,專(zhuān)為以高于現(xiàn)有器件的效率來(lái)提供7.5A、5A和3A輸出電流而設(shè)計(jì)。所有內(nèi)部電路均為能夠在低至1V的輸入至輸出差分電壓條件下運(yùn)作而設(shè)計(jì),并且把壓差電壓作為負(fù)載電流的一個(gè)函數(shù)擬訂了全面的規(guī)格。壓差在最大輸出電流條件下保證為1.5V(最大值),并在較低負(fù)載電流時(shí)有所減小。片內(nèi)修整把輸出電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)至1%。對(duì)電流限值也進(jìn)行了修整,從而最大限度地減小了過(guò)載條件下穩(wěn)壓器和電源電路上承受的應(yīng)力。

3應(yīng)用效果

本裝置可以自動(dòng)檢測(cè)蓄電池組各個(gè)單體電池的電壓,無(wú)論在電池充電還是放電時(shí),都能自動(dòng)均衡每一節(jié)電池的電壓,在線(xiàn)對(duì)運(yùn)行的蓄電池組的傳統(tǒng)充電方式進(jìn)行優(yōu)化,使每節(jié)電池都處于相同的工作狀態(tài),通過(guò)使用先進(jìn)的微機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和電力電子技術(shù)來(lái)自動(dòng)對(duì)性能偏弱的電池進(jìn)行在線(xiàn)活化,從而使得每一節(jié)電池電量基本一致,避免蓄電池在充放電過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電現(xiàn)象,讓蓄電池組始終保持在最佳運(yùn)行狀態(tài),提高了蓄電池設(shè)備運(yùn)行可靠性,延長(zhǎng)了蓄電池使用年限,降低了電池的更換成本。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的在線(xiàn)式整組蓄電池?zé)o線(xiàn)均衡裝置能夠有效解決當(dāng)前變電站直流系統(tǒng)蓄電池維護(hù)工作效率低、難度大的頑疾,整組維護(hù)效果也大大優(yōu)于單體電池活化。另外,數(shù)據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與分析也提升了變電站維護(hù)水平,為今后變電站智能運(yùn)維提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。該裝置應(yīng)用于整組蓄電池維護(hù),在電力行業(yè)及相關(guān)蓄電池應(yīng)用場(chǎng)所具有較大推廣價(jià)值。