具有自動核容功能的變電站用蓄電池組及其核容方法與流程

本發明屬于電氣設備領域，具體涉及一種變電站中使用的蓄電池組，以及該蓄電池組所采用的核容方法。

背景技術：

蓄電池組作為變電站備用電源在系統中起著極其重要的作用，在交流電失電或其他事故狀態下，蓄電池組是負荷的唯一能源供給者，一旦出現問題，供電系統將面臨癱瘓，造成設備停運及其他重大運行事故。蓄電池組正常處于浮充電狀態，長期浮充電將造成極板硫化、失水等，導致性能下降。蓄電池核容試驗是判斷蓄電池性能最準確、最權威的方法。運行規程規定：運行超過5年的直流蓄電池組需要每年進行一次核容放電測試，不滿5年的直流蓄電池組需要每2年進行一次核容放電測試。

目前，針對蓄電池核容放電測試的設備方案主要有基于純電阻放電技術和基于電力電子技術的電子負載放電技術。現場應用結果表明，基于電力電子技術的電子負載放電技術方案雖具有人工參與度低，勞動強度低的優點，但是由于高頻開關電子負載在放電過程中會產生諧波和尖峰，無法實現嚴格意義上的恒定直流放電；而傳統的基于純電阻放電技術則需要人工不斷調節回路電阻值才能維持恒定直流放電，人工參與度高，控制精度較差，但其最大的優點就是放電過程中不存在諧波和電流尖峰，理論上的數據更可靠。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種人工參與度低、數據可靠且精度高的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種具有自動核容功能的變電站用蓄電池組，包括若干節蓄電池，還包括與所述蓄電池組相連接而構成放電回路而將所述蓄電池的電能回饋至交流電網的能饋型電子負載、與所述蓄電池組相連接并對其進行核容測試的核容單元；

所述核容單元包括與所述蓄電池組相串聯而構成核容回路且接入阻值可調的可變電阻箱、與所述蓄電池組中的各節所述蓄電池對應連接并控制所述蓄電池是否接入所述核容回路的控制開關、分別對應檢測各節所述蓄電池的端電壓的若干個電壓檢測模塊、在核容過程中檢測所述核容回路中的電流值的電流檢測模塊、在核容過程中根據所述核容回路中的電流值和各節所述蓄電池的端電壓控制調整所述可變電阻箱的接入阻值和控制所述蓄電池是否接入所述核容回路并記錄核容過程中各項參數而計算所述蓄電池組容量的控制器以及電源模塊，所述控制器分別與所述電流檢測模塊、所述電壓檢測模塊、各所述控制開關、所述可變電阻箱相連接，所述電源模塊分別與所述控制器、所述電流檢測模塊、所述可變電阻箱、所述控制開關相連接并供電。

優選的，所述能饋型電子負載包括與所述蓄電池組相連接并用于將所述蓄電池組輸出的電能升壓的DC/DC變換器、與所述DC/DC變換器相連接而將其輸出的直流信號變換為交流信號并回饋至所述交流電網的DC/AC變換器。

優選的，所述DC/DC變換器采用單管級聯型Boost變換電路；所述DC/AC變換器采用電壓型單相全橋逆變電路。

優選的，所述DC/DC變換器包括電感L1、電感L2、二極管D1、二極管D2、二極管D3、三極管Q1、電容C1、電容C2；所述電感L1的一端與所述蓄電池組的正極相連接，所述電感L1的另一端分別與所述二極管D1的正極和所述二極管D2的正極相連接，所述三極管Q1的集電極和所述二極管D3的正極分別與所述二極管D2的負極相連接，所述二極管D1的負極分別與所述電感L2的一端和所述電容C1的一端相連接，所述電感L2的另一端與所述三極管Q3的集電極相連接，所述電容C1的另一端與所述蓄電池組的負極相連接，所述三極管Q1的發射極與所述蓄電池組的負極相連接，所述電容C2的兩端分別與所述二極管D3的負極和所述蓄電池組的負極相連接，所述二極管D3的負極和所述蓄電池組的負極構成所述DC/DC變換器的正負輸出端；

所述DC/AC變換器包括電容C、三極管V1、三極管V2、三極管V3、三極管V4、二極管VD1、二極管VD2、二極管VD3、二極管VD4、電阻R、電感L；所述電容C連接于所述DC/DC變換器的正負輸出端之間，所述三極管V1和所述三極管V2相串聯并連接于所述DC/DC變換器的正負輸出端之間，所述三極管V3和所述三極管V4相串聯并連接于所述DC/DC變換器的正負輸出端之間，所述二極管VD1和所述二極管VD2相串聯并連接于所述DC/DC變換器的正負輸出端之間，所述二極管VD3和所述二極管VD4相串聯并連接于所述DC/DC變換器的正負輸出端之間，所述三極管V1和所述三極管V2的共同端、所述二極管VD1和所述二極管VD2的共同端共接后連接所述電阻R，所述電阻R串接所述電感L后連接共接的所述三極管V3和所述三極管V4的共同端、所述二極管VD3和所述二極管VD4的共同端；流經所述電阻R的信號回饋至所述交流電網。

優選的，各所述控制開關均連接有將所述控制器輸出的控制信號放大的控制電路。

優選的，所述控制電路包括三極管Q2和二極管D4，所述三極管Q2的基極與所述控制器相連接，所述三極管Q2的發射極接地，所述電源模塊一路接至所述控制開關的正極，一路經所述二極管D4接入所述控制開關的負極，所述三極管Q2的集電極與所述控制開關的負極相連接。

優選的，所述電壓檢測模塊包括電阻R1、電阻R2、放大器U1及其外圍電路；所述電阻R1和所述電阻R2相串聯后并接于所述蓄電池兩端，所述放大器U1的同相端和反相端分別連接于所述電阻R2的兩端，所述放大器U1的輸出端與所述控制器相連接。

優選的，所述電流檢測模塊包括串聯于所述核容回路中的電流傳感器、連接于所述電流傳感器與所述控制器之間并與所述電流傳感器配合的輸出電路。

所述輸出電路包括二極管D5、電容C3、電容C4、電容C5、電阻R3、電阻R4；所述電源模塊與所述電流傳感器的電源端相連接，所述電流傳感器的電源端與地之間連接所述電容C3，所述電阻R3和所述二極管D5串聯并連接在所述電流傳感器的第一個輸出端與所述控制器之間，所述傳感器的第二個輸出端經所述電容C4接地，所述傳感器的第三個輸出端接地，所述電阻R3和所述二極管D5的共同端經所述電阻R4接地，所述二極管D5與所述控制器的共同端經所述電容C5接地。

一種上述具有自動核容功能的變電站用蓄電池組采用的核容方法，包括以下步驟：

步驟一：各所述電壓檢測模塊分別檢測其對應的蓄電池的端電壓從而得到所述蓄電池組的端電壓；

步驟二：所述控制器控制調節所述可變電阻箱的接入阻值為所需的初始值后，閉合各所述控制開關構成所述核容回路，所述蓄電池組放電而開始所述核容測試；所述控制器記錄各節所述蓄電池的核容開始時刻；

步驟三：所述電流檢測模塊實時檢測所述核容回路中的電流值是否處于所述核容測試所需的測試電流范圍內，若是則進行步驟四，若否，則所述控制器控制調節所述可變電阻箱的接入阻值，使所述核容回路中的電流值處于所述核容測試所需的測試電流范圍內后進行步驟四；

步驟四：各所述電壓檢測模塊分別實時檢測其對應的蓄電池的端電壓，所述控制器分別判斷各節所述蓄電池的電壓是否劣化，若是，則所述控制器控制發生劣化的該節所述蓄電池對應的控制開關打開而使該節所述蓄電池停止放電而結束核容測試，且所述控制器記錄該節所述蓄電池的核容結束時刻；

步驟五：當所述蓄電池組中的各節所述蓄電池均結束核容測試后，所述控制器根據各節所述蓄電池的核容開始時刻和核容結束時刻計算各節所述蓄電池的累計放電時間，并根據各節所述蓄電池的累計放電時間和所述核容回路中的電流值計算各節所述蓄電池的容量。

步驟四中，所述控制器判斷各節所述蓄電池的電壓是否劣化的方法所依據的規則包括端電壓絕對閾值規則和端電壓相對變化率規則；

所述端電壓絕對閾值規則為：設定各節所述蓄電池的下限電壓值，當檢測到任一節所述蓄電池的端電壓下降至其對應的下限電壓值時，則該節所述蓄電池發生劣化；

所述端電壓相對變化率規則為：在時段Δt內計算各節所述蓄電池的端電壓變化率，對任一節所述蓄電池，若該節所述蓄電池的端電壓變化率相對于其余各節所述蓄電池的端電壓變化率均值的變化率絕對值達到或超過設定的變化率允許值，則該節所述蓄電池發生劣化。

由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：本發明能夠自動化地調節核容回路中的接入阻值而對蓄電池組進行核容測試，測試全程人工參與度低，且電阻調節精確，使得測試結果也更加精確可靠。

附圖說明

附圖1為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組的拓撲結構圖。

附圖2為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中能饋型電子負載的原理框圖。

附圖3為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中能饋型電子負載的DC/DC變換器的電路圖。

附圖4為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中能饋型電子負載的DC/AC變換器的電路圖。

附圖5為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中控制電路的電路圖。

附圖6為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中可變電阻箱的電路圖。

附圖7為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中每節蓄電池的電壓檢測模塊的電路圖。

附圖8為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組中電流檢測模塊的電路圖。

附圖9為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組采用的核容方法的流程圖。

附圖10為本發明的具有自動核容功能的變電站用蓄電池組采用的核容方法中依據端電壓相對變化率規則判斷蓄電池劣化的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖所示的實施例對本發明作進一步描述。

實施例一：參見附圖1所示，一種具有自動核容功能的變電站用蓄電池組，包括若干節蓄電池、能饋型電子負載、核容單元。

在蓄電池組正常放電工作的狀態下，各節蓄電池向串聯，并與能饋型電子負載串聯構成放電回路。能饋型電子負載用于實現蓄電池組恒流放電并將蓄電池的電能回饋至交流電網而供使用。如附圖2所示，能饋型電子負載包括與蓄電池組相連接并用于將蓄電池組輸出的電能升壓的DC/DC變換器、與DC/DC變換器相連接而將其輸出的直流信號變換為交流信號并回饋至交流電網的DC/AC變換器。

如附圖3所示，DC/DC變換器采用單管級聯型Boost變換電路，它包括電感L1、電感L2、二極管D1、二極管D2、二極管D3、三極管Q1、電容C1、電容C2。電感L1的一端與蓄電池組的正極相連接，電感L1的另一端分別與二極管D1的正極和二極管D2的正極相連接，三極管Q1的集電極和二極管D3的正極分別與二極管D2的負極相連接，二極管D1的負極分別與電感L2的一端和電容C1的一端相連接，電感L2的另一端與三極管Q3的集電極相連接，電容C1的另一端與蓄電池組的負極相連接，三極管Q1的發射極與蓄電池組的負極相連接，電容C2的兩端分別與二極管D3的負極和蓄電池組的負極相連接，二極管D3的負極和蓄電池組的負極構成DC/DC變換器的正負輸出端。

如附圖4所示，DC/AC變換器采用電壓型單相全橋逆變電路，它包括電容C、三極管V1、三極管V2、三極管V3、三極管V4、二極管VD1、二極管VD2、二極管VD3、二極管VD4、電阻R、電感L。電容C連接于DC/DC變換器的正負輸出端之間，三極管V1和三極管V2相串聯并連接于DC/DC變換器的正負輸出端之間，三極管V3和三極管V4相串聯并連接于DC/DC變換器的正負輸出端之間，二極管VD1和二極管VD2相串聯并連接于DC/DC變換器的正負輸出端之間，二極管VD3和二極管VD4相串聯并連接于DC/DC變換器的正負輸出端之間，三極管V1和三極管V2的共同端、二極管VD1和二極管VD2的共同端共接后連接電阻R，電阻R串接電感L后連接共接的三極管V3和三極管V4的共同端、二極管VD3和二極管VD4的共同端；流經電阻R的信號回饋至交流電網。

核容單元用于對蓄電池組進行核容測試。核容單元包括接入阻值可調的可變電阻箱、與蓄電池組中的各節蓄電池一一對應的若干個控制開關K、與蓄電池組中的各節蓄電池一一對應的若干個電壓檢測模塊、電流檢測模塊、控制器以及電源模塊。控制器分別與電流檢測模塊、電壓檢測模塊、各控制開關、可變電阻箱相連接。電源模塊分別與控制器、電流檢測模塊、可變電阻箱、控制開關相連接并供電。控制器還可以與能饋型電子負載相連接而用作控制能饋型電子負載。

控制器包括單片機及其外圍電路。變電站直流電源系統電壓等級一般為直流110V或直流220V，通常是由9節或18節蓄電池串聯組成，為了測量每節蓄電池的電壓及核容回路放電電流等參數，主控制器至少需要10或19個ADC采樣接口。本實施例中，單片機選用意法半導體公司的STM32F103ZET6單片機。STM32F103ZET6單片機是基于ARM Cortex內核開發的，集成了32位數字信號處理核，芯片外圍支持21路16位ADC采樣通道，采樣頻率最高可達6MHz，同時片上集成了512KB的Flash以及高達64KB的SRAM，具有112路的可編程I/O。

各節蓄電池均并聯有一條將其短路的分路，每節蓄電池對應的控制開關K能夠選擇將蓄電池接入核容回路還是將其短路而不接入核容回路。各控制開關K均由控制器進行控制并與控制器通過控制總線相連接，選用繼電器。考慮到單片機I/O一般輸出電流很小，無法驅動大電流繼電器，設計了與每個控制開關K相連接的基于三極管的單片機繼電器控制電路，來將控制器輸出的控制信號放大。如附圖5所示，控制電路包括三極管Q2和二極管D4，三極管Q2的基極與控制器相連接，三極管Q2的發射極接地，電源模塊一路接至控制開關K的正極，一路經二極管D4接入控制開關K的負極，三極管Q2的集電極與控制開關K的負極相連接。

在進行核容測試時，蓄電池組與可變電阻箱相串聯而構成核容回路。如附圖6所示，可變電阻箱包括若干個串聯的電阻單元，每個電阻單元包括兩條并接的支路、與控制器相連接并在控制器輸出的控制信號的控制下選擇接入任一條支路的可控開關K’；一條支路中連接有電阻，另一條支路中包括導線。其中，可控開關K’采用單刀雙擲的繼電器，本實施例中選擇施耐德公司的RXM2AB2BD 12A直流中間繼電器，用于實現電阻的投切。控制器通過對可控開關K’的開閉進行控制而實現將不同的電阻接入核容回路中，并實現對接入阻值的調節。通常，可變電阻箱中的各個電阻單元分為兩組，一組電阻單元中采用阻值為整數且各不相同的電阻，另一組電阻單元中采用阻值為小于1的小數且各不相同的電阻。本實施例中，阻值為整數的電阻分別為1Ω、2Ω、4Ω、8Ω及10Ω的電阻，使得可變電阻箱所接入電阻的整數部分在0～25Ω的范圍變換；而阻值為小數的電阻分別為0.1Ω、0.2Ω、0.4Ω、0.8Ω的電阻，使得可變電阻箱所接入電阻的小數部分在0.0～0.9Ω的范圍變換。兩組電阻單元串聯，則可以實現可變電阻箱的接入阻值在0.0～25.9Ω之間變換。為了實現單片機對對可控開關K’的控制，各可控開關K’也可以通過附圖6中所示的控制電路而與控制器相連接。

如附圖7所示，電壓檢測模塊包括電阻R1、電阻R2、放大器U1及其外圍電路。電阻R1和電阻R2相串聯后并接于蓄電池兩端，放大器U1的同相端和反相端分別連接于電阻R2的兩端，放大器U1的輸出端與控制器相連接。為了使放大器U1的輸出信號在控制器的電壓輸入范圍內，將蓄電池的端電壓等比縮小10倍，因此電阻R1與電阻R2的阻值之比為10：1。經過電阻R1、電阻R2構成的分壓電路，再經過放大器U1組成電壓檢測電路，實現對電阻R2兩端的浮地電壓信號進行采樣，同時該店路起到隔離與緩沖作用，可以將測量電壓在盡可能小的誤差情況下輸入到控制器進行數據處理。

如附圖8所示，電流檢測模塊包括串聯于核容回路中的電流傳感器U2、連接于電流傳感器U2與控制器之間并與電流傳感器配合的輸出電路。電流傳感器采用ACS712線性電流傳感器芯片，該芯片內置有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，能夠輸出與檢測的直流信號呈線性的電壓信號，具有噪聲低、反應時間快、高輸出靈敏度等特點，其輸入電流范圍為±5A～±20A，可以通過V_IN和V_OUT兩端口直接串聯在10A的電流放電回路中，實現電流實時監測。輸出電路包括二極管D5、電容C3、電容C4、電容C5、電阻R3、電阻R4。電源模塊與電流傳感器U2的電源端相連接，電流傳感器U2的電源端與地之間連接電容C3，電阻R3和二極管D5串聯并連接在電流傳感器U2的第一個輸出端與控制器之間，電流傳感器U2的第二個輸出端經電容C4接地，傳感器的第三個輸出端接地，電阻R3和二極管D5的共同端經電阻R4接地，二極管D5的負極形成IO_OUT接口而與控制器通訊，二極管D5與控制器的共同端經電容C5接地。

上述核容單元中，可變電阻箱用于調節接入核容回路的電阻值，電壓檢測模塊用于分別檢測各節蓄電池的端電壓，電流檢測模塊用于檢測核容回路中的電流值，控制器則用于在核容過程中根據核容回路中的電流值和各節蓄電池的端電壓控制調整可變電阻箱的接入阻值、控制各節蓄電池是否接入核容回路、記錄核容過程中各項參數而計算蓄電池組容量。

具體的，上述具有自動核容功能的變電站用蓄電池組采用的核容方法流程如附圖9所示，它包括以下步驟：

步驟一：開啟核容測試后，各電壓檢測模塊分別檢測其對應的蓄電池的端電壓從而得到蓄電池組的端電壓。

步驟二：控制器控制調節可變電阻箱的接入阻值為所需的初始值后，閉合各控制開關構成核容回路，閉合核容回路，蓄電池組放電而開始核容測試；控制器記錄各節蓄電池的核容開始時刻。

該步驟中，可變電阻箱的接入阻值的初始值可按序設置，通常可以設置為可變電阻箱的接入阻值的最大值，即將可變電阻箱中的各電阻均接入核容回路中。

步驟三：電流檢測模塊實時檢測核容回路中的電流值是否處于核容測試所需的測試電流范圍內，若是則進行步驟四，若否，則控制器控制調節可變電阻箱的接入阻值，使核容回路中的電流值處于核容測試所需的測試電流范圍內后進行步驟四。

當采用10小時率放電法時，核容回路中的電流要求為10A進行恒流放電，據此并按照允許的誤差范圍設定核容測試所需的測試電流范圍。

在調節可變電阻箱的接入阻值時，其需要調整到的阻值R₁的計算方法為：R₁＝(I₀×R₀)/10，其中，I₀為當前核容回路中的實際電流值，R₀為當前可變電阻箱接入核容回路的電阻值。

以上在執行步驟三中計算可變電阻箱當前所需的接入阻值時，若計算出的接入阻值不能由可變電阻箱中的電阻實際串接得到，則需要對計算出的接入阻值進行整定，將其整定為能夠由可變電阻箱中的電阻實際串接得到的值。具體整定方法為：對于小數點后兩位的阻值的整定，采用四舍五入的處理方式，將其整定為小數點后具有一位的阻值。例如，理論計算出的可變電阻箱的接入阻值為10.46Ω，則實際采用可變電阻箱接入阻值10.5Ω；當理論計算可變電阻箱的接入阻值為10.43Ω時，則實際接入阻值采用10.4Ω。按上述投切策略可以實現電流值1％的精度，阻值調節范圍滿足實際工程需求。

步驟四：各電壓檢測模塊分別實時檢測其對應的蓄電池的端電壓，控制器分別判斷各節蓄電池的電壓是否劣化。若是，則控制器控制發生劣化的該節蓄電池對應的控制開關K打開而使該節蓄電池停止放電而結束核容測試，且控制器記錄該節蓄電池的核容結束時刻。

該步驟中，控制器判斷各節蓄電池的電壓是否劣化的方法所依據的規則包括端電壓絕對閾值規則和端電壓相對變化率規則，具體如附圖10所示。

端電壓絕對閾值規則為：假設蓄電池組中有N節蓄電池，設定各節蓄電池的下限電壓值U_N，當電壓檢測模塊檢測到任一節蓄電池的端電壓u_t下降至其對應的下限電壓值U_N時，則該節蓄電池發生劣化。此時蓄電池應停止放電，控制器可以發出相應報警信號。

端電壓相對變化率規則為：在時段Δt內計算各節蓄電池的端電壓變化率，對任一節蓄電池，若該節蓄電池的端電壓變化率相對于其余各節蓄電池的端電壓變化率均值的變化率絕對值達到或超過設定的變化率允許值，則該節蓄電池發生劣化。

假設第i節(i≤N)蓄電池在t時刻的端電壓為u_t(i)，經過時段Δt后其端電壓為u_t+Δt(i)，則對于該節蓄電池，其在時段Δt內的端電壓變化率Δu_t(i)為：

計算各節蓄電池的在時段Δt內的端電壓變化率Δu_t(i)后，對于第i節蓄電池，再計算除第i節蓄電池以外的各節蓄電池的端電壓變化率均值

除第i節蓄電池以外的各節蓄電池的端電壓變化率均值的計算方法可以采用：

采用窗口位移觀測法分析蓄電池組，即依次按上述方法對N節蓄電池按序分別進行計算其端電壓變化率Δu_t(i)以及其對應的端電壓變化率均值

再計算第i節蓄電池在時段Δt內的端電壓變化率Δu_t(i)相對于除第i節蓄電池以外的各節蓄電池的端電壓變化率均值的變化率絕對值若該變化率絕對值達到或超過設定的變化率允許值，如30％，即則該第i節蓄電池的電壓發生陡變，電壓參數變化過快，電壓變化率異常，應終止放電、斷開核容回路，并發出報警信號，實現蓄電池保護，避免核容二次傷害。

步驟五：當蓄電池組中的各節蓄電池均結束核容測試后，控制器根據各節蓄電池的核容開始時刻和核容結束時刻計算各節蓄電池的累計放電時間，并根據各節蓄電池的累計放電時間和核容回路中的電流值計算各節蓄電池的容量。上述蓄電池組中的各節蓄電池需要在累計10小時內全部放電完畢。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。