變電站直流系統并聯蓄電池組核容技術研究

徐 崢

（國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引 言

直流電源系統在變電站中具有重要作用，是保證變電站內部各項設備穩定運行的重點。變電站設備的直流供電一般通過直流系統轉化為交流電。當系統處于正常運行狀態時，蓄電池組為充電狀態，即不帶負載。一旦出現事故且造成變電站交流系統失電時，蓄電池組可以作為變電站的應急電源，為設備的運行提供直流電。可見，蓄電池組供電不僅能夠應對事故的處理，還可以使電網快速恢復正常運行。考慮技術的限制，固有電力運行管控方法缺乏有效性，智能監控系統的覆蓋面積也較小，系統維護依然存在人工巡視與核對蓄電池容量的現象，效率較低。由于蓄電池容量核對需要花費較長的時間，必然會導致人力資源的浪費。如果變電站與蓄電池的數量持續增多，而運維人員人數并未增多，則將難以支持各組蓄電池的維護。本文將核容技術應用于并聯蓄電池組，可有效處理交流系統面臨的故障，保證變電站內部設備的穩定運行。

1 變電站直流系統結構

根據變電站直流系統的維護經驗，它的工作電壓以220 V、110 V、48 V為主。在不考慮交流配電的情況下，直流系統內部主要包括蓄電池、電池管理系統、直流充電模塊以及直流負載等[1]。

蓄電池作為直流系統的重要組成部分，有防酸式蓄電池、閥控密封鉛酸蓄電池以及鎘鎳蓄電池3種，其中以閥控密封鉛酸蓄電池最為常見。直流系統的充電模塊包括工頻交流整流器和微機模塊化充電機。直流回路在直流母線的作用下，為所有直流負荷中間環節提供電能，并按照負荷形式與供電路徑劃分為獨立分支，具體包括斷路器合閘供電分支和事故照明供電分支[2]。對于直流負載，按照功能分類，可以分為控制負荷和動力負荷。若按照形式分類，則可以分為經常性負荷、事故負荷以及沖擊負荷3種。具體的直流系統結構如圖1所示。

圖1 直流系統

2 并聯蓄電池組的應用原理

蓄電池串聯不僅會降低單節蓄電池的質量，而且連接線會降低整組電池的穩定性。此外，串聯蓄電池還有可能面臨無法在線更換、新舊電池不匹配以及冗余配置投入成本高等問題。蓄電池并聯技術受到從業者的極大關注，但考慮技術條件難以滿足需求，一直未達到理想的應用效果。隨著電力電子技術水平的不斷提升，交流轉直流技術、直流轉直流技術、通信協議以及模塊設計技術等愈發成熟，使得蓄電池并聯的應用更為廣泛[3-5]。并聯蓄電池組如圖2所示。

圖2 并聯蓄電池組

設計研發并聯蓄電池模塊，其中電壓原理、電流原理以及容量原理分別如下。

2.1 電壓原理

每節蓄電池需要獨立配置交流轉直流充電模塊、直流升壓模塊以及中央處理器（Central Processing Unit，CPU）智能回路控制模塊，從而構成智能蓄電池模塊。蓄電池的電壓為12 V，需要應用升壓裝置使各模塊均能夠獨立輸出直流電壓（220 V或110 V）。

2.2 電流原理

110 kV變電站的設備常規直流負荷在10 A以下，因此前期設置參數以10 A為基準，按照2倍負荷加以配置。配置220 V輸出電壓、2 A輸出電流，獲得10組智能蓄電池模塊，將其并聯后，確定與20 A負荷要求相符。

2.3 容量原理

當變電站的交流系統失電時，蓄電池組為設備提供直流負荷。由于存在應急負荷，假設蓄電池組持續放電4 h且放電電流為20 A，在該條件下進行計算，得出單節蓄電池在持續放電4 h的放電電流為2 A，遵循能量守恒定律，與實際要求相符，可以確定單節蓄電池的容量為200 Ah。

智能蓄電池模塊并聯后，可以組成并聯蓄電池模塊組。利用該并聯模式代替固有設計的多塊蓄電池串聯模式，能夠滿足額定電壓要求。同時，充電模塊采用蓄電池組整體充電形式，使得蓄電池可以更好地服務設備，配置整組蓄電池。

3 直流系統并聯蓄電池組核容技術應用

3.1 核容技術應用于系統設計

針對直流系統并聯蓄電池組核容技術的應用，可以將其作為系統設計的一種技術手段。該技術除了適用于單組蓄電池，還可以在若干蓄電池組并聯系統中應用，使蓄電池組與直流母線遠程核容脫離，也可以杜絕交流失電造成的斷電問題。系統設計的對象主要包括核容管理平臺、電池管理模塊、核容模塊以及遠程放電控制盒。其中，遠程放電控制盒由二極管和故障診斷模塊等組成。按照電池組容量和電壓等級，可以選擇電力二極管或者直流接觸器。

在設計階段應用遠程放電控制盒故障診斷機制，處于正常運行工況時，電力二極管導通壓降設置為0.5 V，處于額定電流時的壓降為1.6 V，選擇直流接觸器閉合接觸電阻以1 mΩ為準。根據該診斷機制，判斷二極管和接觸器是否存在故障，具體判斷標準如表1所示。基于該運行原理，可以在核容技術的作用下檢測遠程放電控制盒的運行狀態。

表1 遠程放電控制盒故障判斷標準

3.2 核容模塊

設計中，對于純消耗型的負載核容模塊，建議按照設備型號選擇若干電阻條并聯的形式。其中，電阻條的主要材質為鎳鉻扁絲，能夠支持10 A電流。如果設備要求是50 A電流，那么在設計時可以選擇5個電阻條并聯。投入運行時，為減少單管功耗，建議增加金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管的數量，從而擴大散熱面積，并采用獨立的恒流電路加以驅動。核容技術在應用中可以選擇6個單管恒流單元，節點P和節點A均為并接方式，節點A能夠調節恒流支路等負反饋電路，節點B采取接地處理，且與電流采樣電阻相連。當有電流通過時，電流采樣電阻會生成電壓信號。放大該信號，且與電流基準電壓進行對比，隨后將其輸出至A點，從而實現對MOS管開通電壓的控制，再控制導通電阻和支路電流。

此外，核容技術可以應用于饋電式放電模塊。該模塊包括純阻性假負載和電源模塊等。其中，電源模塊可以應用于恒流模式中的BOOST拓撲，能夠提升核容環節的電壓，直至稍高于充電機輸出電壓，從而提高直流端負載供電電壓的穩定性。核容時，一般先以實際負載達到核容為目的，純阻性假負載斷開。電流通過電源模塊，經過升壓后為電路提供電能。若實際負載難以支持放電電流的要求，則按照實際缺失的電流，啟動假負載運行。

核容期間，需要保證充電機的輸出電壓不變，被測蓄電池組為實際負荷提供恒流供電，從而達到在線恒流放電的目標。該過程中，另一組蓄電池組依然處于滿浮充備份狀態，以免放電時系統因故障而無法運行。

3.3 管理平臺

當蓄電池組處于浮充運行狀態時，對于核容模塊內蓄電池組而言，其放電開關與母聯開關均斷開，遠程放電控制盒中的蓄電池組輸出開關閉合。應用核容技術創建管理平臺，可以為該平臺賦予遙測、遙信、遙控以及遙調等功能。選擇核容蓄電池組時，工作人員需要科學設置技術參數，具體包括核容放電電流、放電容量、放電時間、溫度、電流以及電壓等。工作人員需要登錄核容管理平臺，確定遠程核容蓄電池組無異常報警后，按照規定選取全容量/設定容量，并結合實際情況設置核容參數。電池管理模塊按照發出的指令，控制遠程放電控制盒中的蓄電池組輸出開關斷開。此時蓄電池組不再充電，直流系統的輸出供電隨之中斷，蓄電池組放電開關閉合，隨即開啟負載模塊，從而達到放電的目的。蓄電池遠程核容平臺發出指令后，便可以開啟放電模塊的運轉，實現蓄電池組放電。

基于管理平臺的運行原理，應用核容技術設計管理平臺，可以選擇如下3種模式。第一，處于正常核容狀態時，如果沒有出現交流失電現象，那么在結束后可以獲得具體的核容分析結果，隨后可以恢復蓄電池電路繼續充電。若控制負載模塊已經退出，則蓄電池組在充電過程中也會為直流系統輸出供電。第二，若核容時出現交流失電現象，則工作人員必須馬上中斷核容，保護系統的運行安全。交流電恢復正常開始恢復蓄電池電量時，可以按照計劃循序漸進實施核容。第三，正常核容后，若充電時依然出現交流失電現象，則需要立即對系統采取相應的維護措施。交流電恢復后，需要再次給蓄電池充電，待電能充滿后，方可按照計劃內容實施核容。

3.4 核容評估

站點蓄電池核容時，可能會發生交流失電，且很難達到完全深度核容。即便能夠實現完全放電，也會因鉛酸蓄電池的特性而導致很多蓄電池在未達到截止電壓時出現難以準確評估性能的現象。針對這種現象，構建神經網絡模型進行核容評估。神經網絡中包括大量處理單元，用于描述非線性與多數據的并行問題。將神經網絡應用于核容技術，選定輸入樣本，分別設定為A、C，且歸一化處理樣本得出隱層，表達式為

式中：By為隱層；f為[-1，1]區間的隨機數；YMxy為輸入與隱層權值；Ax為輸入樣本；θy為隱層觸發閾值。

隨后獲得輸出層，表達式為

式中：Cz為輸出層；SWyz為隱藏與輸出權值。

如果誤差超出前期預設誤差，那么權值與閾值需要在此階段按照公式進行糾正，即

式中：n為變量；ηz為輸出觸發閾值；Sez和Yey為輸出層與隱層的校正誤差；α和β為學習系數。

該環節還需要應用MATLAB構建“一輸入一輸處”網絡結構，并應用newff函數完成反向傳播（Back Propagation，BP）神經網絡的創建。網絡訓練階段應用多輸入學習樣本和單輸出教師樣本的網絡結構，要求當下容量和標稱容量比值小于100%。輸入樣本是各蓄電池性能的放電數據，如果需要大量蓄電池放電，那么可以將各個蓄電池性能相應的放電曲線數組視為訓練集。如果結束一次核容放電放出容量為50%的情況，那么采取每5%的樣本集參與訓練。因為輸出樣本范圍為0%～100%，所以不需要采取深入的歸一化措施。輸入放電電壓數據進行歸一化處理，即

式中：vmin為放電截止電壓；vmax為完全充滿后的起始電壓。歸一化處理完成后，以2 V鉛酸蓄電池為對象進行計算，得出vmin為1.80 V，vmax為2.15 V。若f(v)≥1，則記為1。此外，核容技術很難準確預測放電時電壓發生突變的情況，需要探索其他輸出，以達到補充效果。

4 結 論

針對變電站中的直流系統，若采用并聯蓄電池組進行供電，則應用核容技術非常重要。通過該技術可以實現降本增效，且可以進一步提升變電站內部設備的運行安全性。基于核容技術的應用經驗，需要在今后直流系統運維管理中深入探索，總結實效性更高的技術手段，以保障變電站的安全穩定運行。