变电站直流系统定检维护组合工具设计与应用

引言

变电站直流系统是十分重要的独立电源系统,其具有电压稳定、不接地、不间断、大电流等特点,为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠稳定的不间断直流电源。在发电厂、变电站、UPs系统等多种场合,重要设备与应急使用都必须保证不间断供电,而蓄电池组正是交流失电或其他事故时负荷唯一的能源供给,是保证不间断供电的关键设备。变电站用的蓄电池组是由单只电池串联构成110V或220V的直流系统,由一台充电机对整组电池充电,蓄电池之间的内阻不同、特性不同等因素会导致电池过充和欠充问题严重,造成个别电池的容量不一和寿命提前终结等现象。

随着变电站直流系统投运时间的不断增加,蓄电池长期充放电,直流系统中暴露的问题也屡见不鲜,其中最突出的在于:蓄电池组会出现较多单体电池过充电或过放电,造成个别电池容量落后、劣化,出现一致性差异,最终导致整组蓄电池性能下降。

为了提高蓄电池的运行效率,减少上述问题的发生,目前站内广泛采用的改进措施主要分为以下三种:(1)人工对落后的单体蓄电池活化,也就是通过活化仪对单只电池进行充电、放电。对电压高的电池进行放电降压,对低电压蓄电池进行补充电,以延长蓄电池组的使用寿命。(2)对蓄电池进行核对性放电,使电池组的充电和放电在一个周期内进行,但这种做法很难实质性地对单体电池进行有效均衡。(3)通过内阻测试方法,测量到内阻差异较大的电池时进行更换。在现场工作中,变电检修人员更多地采用将劣化蓄电池退出运行并运回实验室后利用活化仪对其进行活化处理,该方法在取得一定成效的同时,也存在投退蓄电池组的风险以及活化周期长、工作效率低等弊端。鉴于当前工作现状,为了提高蓄电池运行效率,保障电网安全运行,提出一种能在线实现电池均衡,使电池在充放电管理过程中有效控制其充放电电压和电流、上位机能无线接收各单体电池的电压数据并分析处理的蓄电池均衡优化装置。

1解决方案设计

1.1带无线数据传输功能的蓄电池过充控制器

本装置采用最新无线通信技术,通过主控设备设置均衡本论文由中山供电局"变电站直流系统定检维护组合工具"项目资助电压,通过高精度的电压采样和设置值的对比,自动控制恒流源,装置使用时可在整组蓄电池中开辟另一条充电的恒流通道,对流经每个单体电池的充电电流路径进行改变,从而使得不同性能差异的电池都达到良好的充电状态,最终实现将整组蓄电池做一次全优化处理。在主控设备中可以查看所有蓄电池的充放电历史数据,数据可导出至转换软件生成报表并分析均衡效果,达到提高变电站维护人员工作效率和延长蓄电池使用寿命的目的。

该装置主要是由供电回路、主控制器、电压采样、模数转换、无线通信和均衡控制构成。供电回路从蓄电池取得电源为整个装置提供电源:电压采样从蓄电池取得电压模拟量,通过数模转换成数字量供主控制器采集电压:主控制器通过无线通信得到均衡设置电压,通过均衡控制单元控制蓄电池的均衡状态,从而实现对蓄电池的均衡调节。

1.2均衡装置功能及原理

本装置ARM主控制器采用sTM32F101系列处理器,专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计,ARM32位Cortex-M3CPU,最高工作频率72MHz,1.25DMIPs/MHz。单周期乘法和硬件除法,片上集成32~512kB的Flash存储器、6~64kB的sRAM存储器。时钟、复位和电源管理:2.0~3.6V的电源供电和I/0接口的驱动电压。上电复位(P0R)、掉电复位(PDR)和可编程的电压探测器(PVD),4~16MHz的晶振,内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路,内部40kHz的RC振荡电路,用于CPU时钟的PLL,带校准用于RTC的32kHz的晶振。电源芯片采用LT1615,它是采用5引脚s0T-23封装的微功率DC/DC转换器。LT1615专为具有350mA电流限制和1.2~15V输入电压范围的较高功率系统而设计,在没有负载时,两个器件的静态电流均仅为20uA,在停机时则进一步减少到0.5uA。电流限制、固定关闭时间控制方案保存工作电流,使得器件在很宽的负载电流范围内具有很高的效率[2]。由于具有36V开关,利用简单的升压拓扑结构就能轻而易举地产生高达34V的高电压输出,而无需采用昂贵的变压器。LT1615的400ns低关闭时间允许用户采用微型电感和电容器,从而在对空间敏感的便携式应用中,将器件的电路板占位面积和系统成本降至最小。本装置采用的模数转换器AD7705为完整16位、低成本8-A型ADC,适合直流和低频交流测量应用,其具有低功耗(3V时最大值为1mw)特性,因而可用于环路供电、电池供电或本地供电的应用中。片内可编程增益放大器提供1~128的增益设置,无需使用外部信号调理硬件便可接收低电平和高电平模拟输入。

1.3工作原理分析

充电机为直流系统主电源,满足直流负荷需求,蓄电池组作为备用电源确保充电机故障后直流母线不失压,为直流负荷提供临时电源。正常情况时,蓄电池组工作在浮充状态下,由充电机提供稳定的浮充电流。

当蓄电池组完成核容试验后,充电机完成对其补充电。在充电工作开始前或站端蓄电池组端电压严重参差不齐时,将调压器置于每个单体两端,对整组电池进行充电维护。由于单体本身特性的差异,在充电过程中各单体的端电压会出现参差不齐现象。当单体电压超过上门槛值时,该单体调节器导通,为整组充电回路提供旁路通道,使整组中其他欠充单体继续补充电。

当充电机出现输出故障时,整组电池失去充电电源,此时处于导通状态下的调节器会对该单体放电,直至其端电压低于下门槛值时调节器截止,避免出现单体过放现象。正常情况下整组电池中如存在荷电态不一致电池,会使得单体电池满充时间不一致,较快得到满充的电池会使得其他慢充电池得不到继续充电,导致整组中单体电池容量不一致,长期下去势必出现过充和欠充现象。而使用本装置后,在充电机输出电压(设定为各调节器均导通值)稳定的前提下,如图1所示,此时#50单体端电压超过上门槛值的调节器导通,提供旁路通道(电流I50)使其他欠充单体继续充电:#51单体经补充电后端电压升高,当达到上门槛值后其调节器导通,继续提供旁路通道(电流I51)使余下欠充单体补充电,如此直至各单体的调节器均达到上门槛值而导通,最终将各单体电压钳至预期值,提高了整组电压均衡度,能够避免过充或欠充对单体性能(寿命)的影响,同时实现蓄电池组容量的提升。

2优势分析

本装置和主控装置之间为无线通信,主控设备配备一个无线接收模块,均衡模块能实时采集蓄电池电压发送给无线通信模块,通信模块发送数据到放电仪主机。所有的无线通信模块采用nRF905无线模块,即由挪威NoRDIC公司出品的低于1GHz无线数传芯片,主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的IsM频段,非常适合用于低功耗、低成本的系统设计,通过sPI接口与主处理器连接,最大发射功率可达到10dB,待机模式下电流仅为12.5μA,空旷地带通信距离可达到100m。装置配有一个8位拨码开关,最高可设置地址255,最高支持256个单体装置。通过不同的拨码设置控制装置的地址,从而识别装置对应的电池序号。均衡调节器采用的LT1083,是7.5A低压差正可调稳压器,专为以高于现有器件的效率来提供7.5A、5A和3A输出电流而设计。所有内部电路均为能够在低至1V的输入至输出差分电压条件下运作而设计,并且把压差电压作为负载电流的一个函数拟订了全面的规格。压差在最大输出电流条件下保证为1.5V(最大值),并在较低负载电流时有所减小。片内修整把输出电压准确度调节至1%。对电流限值也进行了修整,从而最大限度地减小了过载条件下稳压器和电源电路上承受的应力。

3应用效果

本装置可以自动检测蓄电池组各个单体电池的电压,无论在电池充电还是放电时,都能自动均衡每一节电池的电压,在线对运行的蓄电池组的传统充电方式进行优化,使每节电池都处于相同的工作状态,通过使用先进的微机数字控制技术和电力电子技术来自动对性能偏弱的电池进行在线活化,从而使得每一节电池电量基本一致,避免蓄电池在充放电过程中出现过充电、过放电现象,让蓄电池组始终保持在最佳运行状态,提高了蓄电池设备运行可靠性,延长了蓄电池使用年限,降低了电池的更换成本。

4结语

本文提出的在线式整组蓄电池无线均衡装置能够有效解决当前变电站直流系统蓄电池维护工作效率低、难度大的顽疾,整组维护效果也大大优于单体电池活化。另外,数据在线监测与分析也提升了变电站维护水平,为今后变电站智能运维提供了可靠的数据支撑。该装置应用于整组蓄电池维护,在电力行业及相关蓄电池应用场所具有较大推广价值。