發電廠動力蓄電池組的可靠性研究

陳航

摘 要：動力蓄電池組是廣泛存在于發電企業直流系統的重要元件。其設置原因，就是為了提高直流系統供電的可靠性，為重要設備提供應急控制電源及動力電源。本文對直流系統蓄電池組進行可靠性研究和分析，指出一般的分析方法。

關鍵詞：蓄電池；可靠性；重要度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.158

0 引言

蓄電池是直流系統重要的系統元件，它作為備用電源在緊急情況下為系統供電。一般情況下，直流系統是通過電池充電機或者交直流設備供電的。當直流系統負荷超過蓄電池充電機最大輸出能力時，其便會投入運行。現在的閥控鉛酸蓄電池往往因為使用保養不當，存在使用壽命縮短的問題。

1 蓄電池組的工作循環及壽命的確定

蓄電池設備主要工作特點是周期性充放電，所以它的工作周期是電池所供電的所有負荷工作周期的總和，一般進行直流潮流計算得出。一個典型企業用220V蓄電池組一般有104塊單體電池組成，單體電池浮充電壓：2.23-2.25V，單體電池均充電電壓：2.35-2.40V，C10放電終止電壓：1.87V。

每組蓄電池的數量滿足充電器件最大的系統電壓與放電期間最小系統電壓的要求。一般根據IEEE485標準，由工作周期確定蓄電池組的電池數量和單個蓄電池容量。對于已經存在的系統，則按實際設計模型進行分析。用最小二乘法擬合剩余容量下的電壓和內阻的關系曲線，并比對廠家相關曲線數據，來預測該電池的壽命。其壽命可以使用剩余時間，也可以應用剩余循環數。在得到積累樣本時，選擇其一即可。

根據IEEE Std 1188-1996的方法，電池容量用以下等式計算：

在25℃時百分比容量：

其中是到達指定終止電壓時的實際測試時間（帶溫度補償）；指定終止電壓的額定時間。其溫度補償參閱IEEE Std 1188-1996附錄C。電池更換標準為容量低于額定值的80%。

2 蓄電池組的失效率模型特點及分析

由于蓄電池的充放電過程，是一個連續變化的過程，在整個系統可靠性分析上，一般定義為蓄電池容量的下降和內阻的上升。當蓄電池的容量降到額定容量的80%的時候，就認為蓄電池失效，或者內阻上升到R時，認為蓄電池有更換的必要。

結合一般電廠用蓄電池最近幾年出現新的特點，主要是168試運時機組啟停頻繁，蓄電池使用比較過度，所以早期失效區有再抬高的可能；隨著電網的擴大和煤炭價格高企，30萬機組年利用小時數下降嚴重，常值失效區被拉長；機組壽命接近尾聲，又有變調峰機組的可能，損耗區又被抬高。

在常值失效區，失效一般是難以預測的。特別是低負載使用造成電池降額這種情況，在大電網下的運行機組中特別常見。就國內運營電廠實際情況而言，由于近年來電網規模比較大，供電可靠性顯著提升，雙母線雙機配置很常見，所以其機組蓄電池使用率并不高。當機組啟停機時，使用的往往是由可靠性比較高的保安電源經交直流變換設備供電的直流電。由于電廠投資的特點，設計的系統裕量往往還比較大。這就導致其存在低負載長期運行的情況。不確定的檢修和維護保養周期，導致了實際電池充放電保養遠不是計劃中的那么標準。分析時這些特點都要考慮。

3 蓄電池系統的可靠性建模分析和評估

蓄電池組是一個典型的串聯系統，其特點是任何組件的任意一種失效都會導致整個系統失效。比如某一蓄電池開路或起火，導致整個蓄電池組供電停止。

由n個電池構成的系統正常運行的要求是所有電池都必須正常運行，因而蓄電池組的可靠度可以表示為：

以上公式說明，失效的某電池組件其潛在失效機理會影響其他電池組件，比如某編號蓄電池內阻上升導致電池發熱量顯著上升，其發熱量影響臨近電池的電化學反應速率，縮短臨近蓄電池壽命，也使得相鄰電池的失效率上升。

如某串聯系統有10塊額定電壓為20V的單體蓄電池，其各單體電池組件的運行概率分別為0.99876，0.99754，0.98921，0.90922，0.99277，0.98835，0.95411，0.89277，0.97027，0.99773。

因而其整個蓄電池組的可靠度計算為0.72502，低于最差組件的可靠度。由此可見對于大型蓄電池系統，剔除并更換低可靠性組件很有必要。

4 電池組件的重要度計算

重要度計算是系統可靠性優化的前提。

某些大型電站，往往擁有數臺在役機組，每個機組都至少有兩組并聯的直流蓄電池組，這還不包括開關站的直流系統蓄電池組，數量足有上千塊之多。因而，分析重要度并優化全站電池組件，有著顯著的重要意義。

一般通過計算電池組件的Birnbaum重要度、FUSSELL-VESELY重要度等來綜合分析。對于其他串并聯綜合模型，其單組件i的重要度最后也可以進行加權平均計算后比較。不過其綜合模型不能簡單用串并聯公式套用，應該根據系統結構函數化簡后再行計算。

文中電池失效率取恒值模型，如果前期建模后，分段擬合澡盆曲線，則應該在不同失效區內，用不同模型進行替代后計算。電池的失效機理比較單一，所以選擇失效率模型的時候，不必考慮過多。參數越多，當然模型也越精確，但模型過于復雜反而對簡化模型的選取不利，畢竟樣本數和系統組件數是有限集。

5 小結

（1）建模或者采取實驗的方法得到預研究電池系統組件的樣本數據；

（2）分析其樣本數據，要結合其實際運行狀態。對應于失效率曲線，選擇或者推導能夠擬合反映其狀態的確信度高的失效率模型，確定可靠度、失效率等參數；

（3）利用上述樣本進而計算并評估本系統模型的可靠度、組件的重要度等相關分析參數；

（4）確定自己的優化標準和方法，適當優化系統。

參考文獻：

[1]ELSAYED A.ELSAYED著，楊舟譯.可靠性工程[M].電子工業出版社，2013.

[2]IEEE Std 1188-1996[S].Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.1996.