變電站蓄電池遠程核容控制系統研究

王鳳祥 袁煥炯

(1、龍灘水電開發有限公司,廣西 天峨547300 2、廣州市仟順電子設備有限公司,廣東 廣州510000)

1 背景介紹

蓄電池組是發電站、變電站直流系統的后備電源,其可靠性極其重要。當充電機出現交流失電或者故障等情況停止工作,蓄電池將成為直流系統唯一電源供給。此時蓄電池組出現問題,將導致直流系統失電,供電系統面臨癱瘓,引發重大運行事故。經研究,當前判斷蓄電池性能最準確、最權威的方法就是對蓄電池進行核對性放電試驗。

目前主流的核容放電儀器大多使用PTC 等電阻材料作為負載,通過電阻發熱將電能轉化成內能的的方式進行放電。電阻性放電儀放電特性良好,但也存在以下幾個缺點：

1.1 安全性低,需要風機強制散熱,需要人工值守。放電試驗是大電流設備運行,放電負載電阻的表面積可達200～300 攝氏度,高溫始終是一個安全隱患,可能損壞設備,傷害作業人員甚至引發火在等。

1.2 放電時間較長,人工參與度高、效率低。如蓄電池以0.1C 核容放電,就需要10 小時。

1.3 能源浪費。如220V/300AH 的蓄電池組采取0.1C 熱放電法放電,電能將以6600W 的放電功耗全部散發到空氣中。21實際提倡節能環保的生產方式,在保證安全、穩定的情況下應盡量解決能源浪費問題。

2 功能分析

本文基于智能、安全、高效的基本理念,針對現有核容技術人工成本高、效率低、安全性低、資源浪費等缺點,研究一個能夠遠程控制管理蓄電池充放電及相應數據處理的智能核容系統。系統分為站端控制系統和后臺系統,后臺系統為后臺服務器和用戶端,是遠程管理和控制的窗口,一般位于發電廠、站的辦公區域；站端控制系統由放電控制裝置、放電負載等站端設備組成,是充放電試驗的執行者。系統設計具備以下幾種功能：

2.1 能夠遠程監視蓄電池組充放電狀態(充電電壓、放電電壓、充放電電流),能夠遠程控制放電試驗的開始和停止。

2.2 具備系統巡檢功能,實時獲取蓄電池組、放電負載和通訊功能的狀態,判斷是否存在故障。

2.3 具備參數可設置的核容試驗功能,可設置的參數為放電電流、放電終止時間、放電終止端電壓和放電終止單體電池電壓。放電過程具備緊急停止功能和故障停止功能。

2.4 數據管理功能,實時獲取充放電電流、蓄電池端電壓、單體蓄電池,單體蓄電池溫度等數據。記錄充放電的時間、運行狀況、和故障記錄等數據,并在歷史中可以查看。

2.5 權限管理功能,對不同用戶實行權限管理,避免無經驗人誤啟動和誤終止。

3 工作原理

3.1 放電控制原理

圖1 放電控制原理

圖2 逆變器工作原理圖

系統由放電控制裝置對一系列開關的控制來實現放電管理。如圖1,以逆變模塊組作為蓄電池放電負載。當系統正常運行時,開關DK11 和DK21 為閉合狀態,充電機可以通過開關DK11 和DK21 給蓄電池進行浮充電；K1、K2、K3、K4 為斷開狀態,逆變模塊組不工作。當需要給一段蓄電池進行放電試驗時,放電控制裝置將控制開關DK11 斷開,使充電機無法給蓄電池充電,再控制閉合開關K1、K2,蓄電池接入逆變模塊組,開始進行放電試驗。當放電終止時,斷開開關K1、K2,重新閉合開關DK11,充電機通過開關DK11 給蓄電池組進行均充。

3.2 逆變模塊組

逆變模塊組由多個有源逆變器組成。有源逆變器是新興的蓄電池放電負載,能夠把直流電轉換成交流電回饋到站內交流系統。有源逆變器的應用解決了電阻性負載放電時的熱安全問題和能源浪費問題。

如圖2 所示,有源逆變器的原理是：采用DC/DC-DC/AC 鏈接結構。輸入直流先經過輸入EMI 濾波器后,通過LLC 全橋諧振變換器,隔離輸出760V(±380VDC)左右直流電,再通過半橋逆變電路,將760V 直流轉換為與交流旁路同頻同相和同幅值的交流電壓。并網逆變器工作時相當于一個交流電流源,按照設定的功率將直流能量轉換為交流能量回饋到電網中。

4 系統設計

4.1 站端控制系統

整個放電控制系統由監控主機、蓄電池監控終端、蓄電池監控模塊、放電控制裝置和逆變模塊組成。

后臺通過TCP/IP 協議與監控主機通信,來獲取數據以及發送放電試驗的開始和終止的指令。監控主機是站端系統的管理中心,它負責獲取蓄電池監控終端傳來的數據,判斷蓄電池狀態和是否存在故障,依此決定是否給放電控制裝置發送核容開始和終止的命令。

放電控制裝置是控制中樞,他能夠接受監控主機發來的命令,獲取放電系統中各個開關的狀態(開關量信號),控制放電系統中各個開關的開合和逆變模塊工作,繼而控制放電試驗的開始和終止。

蓄電池監控終端和修電池監控模塊相當于蓄電池巡檢儀,負責監測蓄電池的端電壓、端電流、單體電壓和單體溫度的數據,數據經過蓄電池監控終端進行處理和計算然后傳輸給監控主機。

4.2 后臺系統

后臺系統結構分為兩個模塊：數據采集監控和數據后臺。數據采集監控采用分布式架構,由服務器對站端監控主機發送命令和獲取數據,并對數據進行處理和保存。數據后臺采用B/S 架構,即瀏覽器/服務器體系結構設計,用戶端可以通過瀏覽器登陸服務器進行訪問和發送控制命令。

服務器通過網絡與站端裝置(監控主機)實現數據交互,并將獲取的數據進行處理和儲存。數據后臺是用戶進入系統查看數據的窗口,通過瀏覽器訪問后臺數據管理系統,查看系統采樣和存儲的數據。

基于分部式架構和B/S 架構的后臺設計,一方面大大節省了開發和維護升級的成本,提高系統性能；另一方面也極大的簡化了客戶端,提升了用戶體驗感,用戶只需要通過瀏覽器登陸就可以瀏覽服務器數據。

5 安全措施

蓄電池核容放電試驗是高電流,大功率的運行試驗,為了保證系統安全可靠性,必須對遠程核容放電試驗設定完善的安全措施:

5.1 核容封閉條件。當監控主機判斷放電控制系統存在通訊故障、蓄電池端電壓欠壓、單體蓄電池欠壓、單體蓄電池內阻過高、單體蓄電池溫度過高、逆變器故障等故障時,應禁止遠程核容放電控制。避免核容放電試驗造成故障擴大、損壞蓄電池等事故。

5.2 核容終止條件。當正在執行核容放電試驗過程中,系統出現通訊故障、蓄電池端電壓欠壓、單體蓄電池欠壓、單體蓄電池內阻過高、單體蓄電池溫度過高、逆變器溫度過高等故障時,系統立即終止放電試驗。并記錄終止原因、終止時間等數據。

5.3 優先級設定。即遠端控制的放電試驗和站端工作人員執行控制的放電試驗之間的優先級。站端放電控制應優先于遠端控制；站端控制可終止遠端控制執行的放電試驗；遠端控制禁止終止站端執行的放電試驗。

6 結論

本文研究設計了一個變電站蓄電池遠程核容控制系統,系統以站端控制系統和后臺系統組成,以有源逆變器作為放電負載,以分布式架構和B/S 架構設計后臺系統。設計的系統解決了熱放電負載存在的熱安全問題和能源浪費問題,以分布式架構和B/S 架構設計的后臺系統大大減少了開發成本和維護陳本,簡化了客戶端,無需用戶升級,提升了用戶的體驗感。