改變連接方式提高電池利用率創意方案

李歷波，康鴻飛，梁 健，鄒鳳林，楊思安

（1.重慶市電力公司綦南供電局，重慶 400014；2.深圳市泰昂科技股份有限公司，廣東深圳 518057）

目前電力系統大量使用鉛酸蓄電池。變配電站直流系統通過較多數量鉛酸蓄電池串聯組成。一般DC220 V直流系統采用104只2 V鉛酸蓄電池或19只12 V鉛酸蓄電池，DC110 V直流系統采用54只2 V鉛酸蓄電池或9只12 V鉛酸蓄電池。

近年，環境保護部、國家發改委等部門在全國范圍內掀起鉛酸蓄電池行業環保整治運動。環保部公布的全國排查鉛蓄電池生產、組裝及回收（再生鉛）企業名單中，超八成企業被取締或整頓。其中，被取締關閉583家、停產整治405家、停產610家。因此，目前全國僅約13%的企業可正常生產。此次環保運動將對大量使用鉛酸蓄電池的電力系統造成直接壓力。鉛酸蓄電池供應商承諾使用10～12年，但電力系統常6年以內即選擇淘汰。鉛酸蓄電池未達到壽命年限選擇退出，這和電池組均為數量較多的電池個體串聯結構有關系。

當蓄電池組中少數電池發生質量問題時，因不同批次電池內阻及容量的差異，新舊電池串聯使用將造成過充、過放等安全問題，不能采用新電池替換舊電池方法解決問題。這樣必將造成直流蓄電池組在絕大多數電池性能正常情況下整組報廢。

電力系統面臨減少鉛酸蓄電池使用量，以及提高現有鉛酸蓄電池利用率的雙重壓力。本創意方案立足于通過改變直流系統蓄電池連接方式解決以上問題。

1 原理及可行性分析

直流系統蓄電池組關注的電量參數有：母線電壓、放電容量。

創新方法：（1）直流母線電壓：通過單只電池直接升壓獲得。目前電力電子技術通過將直流電壓斬波，變壓器升壓，改變斬波占空比可精確實現電壓輸出；（2）容量：通過“單只電池+整流電路+升壓電路”組成1個智能電池組件，多智能電池組件并聯，通過并聯數量改變，可得到相應容量。

技術原理：本創意通過將單只12 V蓄電池（或6只2 V串聯蓄電池）與匹配的AC/DC充電電路、DC/DC升壓電路組成“間接并聯智能電池組件”。

通過單電池升壓獲得直流母線電壓；具備多組件并聯均流功能、蓄電池在線管理功能；具備完善的輸入輸出過/欠壓保護、輸出短路保護、過溫保護、蓄電池過/欠壓保護；能在線檢修更換；具備通信功能。

智能電池組件原理[1]框圖如圖1所示。

圖1 智能電池組件原理框圖

本創意方案實施后，應用中可取代常規設計的“充電機+蓄電池組+蓄電池巡檢”裝置組合，以多模塊并聯冗余方式運行。

應用“間接并聯智能電池組件”技術，除解決常規蓄電池串聯產生的“個體質量影響整組”、“不能在線維護”、“不能在線全容量核容”、“蓄電池組防爆防燃處理難”、“按間隔分散布置難”等問題外，還能解決變配電站整組報廢蓄電池組內性能完好電池與補充電池混合應用問題、2 V單體電池與12 V單體電池混合使用問題、常規串聯電池組只能整組冗余問題。

應用方式圖2所示。

圖2 應用方式圖

2 技術難點分析

2.1 滿足負荷沖擊要求

(1)配網站直流系統中沖擊負荷來源

來源于開關跳合閘產生的沖擊負荷；感性（容性）負荷接入產生的沖擊負荷，如裝置啟動。這些沖擊負荷按照技術規范一般時間不超過5 s。

(2)解決方案

加大元器件短時耐受力。單并聯用智能電池模塊額定輸出功率為500W，設計1min耐受功率為1 000W，5 s耐受功率為3 000W。耐受過程中電壓下降范圍在－15%額定電壓以內。按系統額定電壓DC220 V計算，耐受過程中電壓下降幅度可控制在DC187 V以上[2]。

2.2 保證饋線短路故障可靠切除

(1)并聯電池組件本身限流保護采用分段方式處理。當故障電流Id≥7.5 Ie時，組件輸出限流先降為7.5Ie，維持3 s，再降為2.5Ie，維持120 s，再降為1.2 Ie。并聯電池組件本身限流保護分段處理如圖3所示。

圖3 并聯電池組件本身限流保護分段處理圖

(2)增大濾波電容容值，可避免電壓陷落。

3 應用效益

本創意方案在凡有電池作為應急電源的場合均可適用，應用范圍廣泛。在變配電站上的應用如下：

（1）減少鉛酸蓄電池使用量

由于采用n+X配置方式代替常規整組冗余配置，經測算使用1.3組12 V鉛酸蓄電池總容量可代替一組或二組常規2 V蓄電池組。蓄電池的使用數量減少，使蓄電池的成本大幅降低。特別對使用二組/站蓄電池組的南方電網來說，效益尤其明顯。如：以廣東省2 000座變電站/4 000套鉛酸蓄電池組計算，可節約1 400套常規鉛酸蓄電池組。每組常規鉛酸蓄電池組如按54只2 V/200 Ah鉛酸蓄電池配置，則可減少75 600只2 V/200 Ah鉛酸蓄電池使用量。

（2）提高現有鉛酸蓄電池利用率

使用“間接并聯智能電池組件”技術，實現新舊電池混合使用，以每組54只2 V/200 Ah鉛酸蓄電池中50只蓄電池使用年限由6年提高到12年，則12年周期內廣東省電力系統可減少4 000×50=200 000只2 V/200 Ah鉛酸蓄電池采購，更不用說節約的廢舊電池處理費用。

如將配電站電池計算進去，實現12與2 V鉛酸蓄電池混合使用則效益更大。

4 結論

現有變站用電池的淘汰，是由于其中的低于30%電池單體出現老化，質量變差，不能滿足供電和充放電要求，其中的50%以上只是被“報廢”電池，被“報廢”的電池實際還沒達到使用年限，如果強行淘汰對回收及環境保護產生壓力，而如果采用并聯電池技術發揮電池單體的效能，則對提高電池使用效率，延長電池的使用壽命，實現變電站綠色、環保、節能目標貢獻極大。

[1]王杰.基于間接并聯智能電池組件的一體化電源應用研究[J].湖北電力，2011（S1）：12-14.

[2]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統設計手冊[M].2版.北京：中國電力出版社，2009：8.