采用電池組并聯(lián)的直流供電系統(tǒng)方案

1、采用電池組并聯(lián)供電的直流系統(tǒng)方案摘要 直流系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站的能源中心，為操作機(jī)構(gòu)和自動(dòng)化裝置提供能量。若直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則后果相當(dāng)嚴(yán)重。本文結(jié)合筆者所在公司研制生產(chǎn)的并聯(lián)型直流屏，著重比較了采用電池組并聯(lián)供電的并聯(lián)型直流屏與采用電池組串聯(lián)供電的傳統(tǒng)直流屏的優(yōu)缺點(diǎn)，說明了采用電池組并聯(lián)供電的直流系統(tǒng)方案在電池組使用壽命、維護(hù)、運(yùn)行可靠性等方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。關(guān)鍵詞 電池組 并聯(lián) 直流屏0 引言目前，發(fā)電廠、變電站的直流系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的直流屏，它由充電裝置、蓄電池組和饋電回路三部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。其電池組是串聯(lián)起來對外供電的，比如220V直流系統(tǒng)，就必須由18節(jié)12V的電池組或1

2、08節(jié)的單體電池串聯(lián)起來。由這么多節(jié)電池串聯(lián)起來的電池組，很容易出現(xiàn)各電池不均衡的問題，進(jìn)而導(dǎo)致有的電池長期過充電有的電池則長期過放電，嚴(yán)重降低電池的使用壽命，一旦其中一節(jié)電池出現(xiàn)故障，為了保證整個(gè)電池組的一致性，必須整組電池?fù)Q掉，造成了不必要的浪費(fèi)。目前解決此問題的方法是由工作人員定期的對每節(jié)電池進(jìn)行深度放電，再對整個(gè)電池組進(jìn)行均充。整個(gè)過程大概需要2天時(shí)間，大大加大了維護(hù)成本。即便如此，該方法仍然不能完全解決電池使用壽命的問題?；谝陨蠁栴}，筆者所在公司研制了一種電池組并聯(lián)的供電方案，它主要由N個(gè)變流裝置和電池組并聯(lián)組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。每個(gè)變流裝置配備2節(jié)12V的電池組，變流裝置實(shí)現(xiàn)

3、以下功能： （1）、當(dāng)有交流輸入時(shí)，變流裝置把220VAC的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的220VDC直流電，同時(shí)對電池組進(jìn)行充電。（2）、當(dāng)交流失電時(shí)，變流裝置把24VDC的電池電壓轉(zhuǎn)換成220VDC的直流電。（3）、變流裝置定期對電池進(jìn)行自動(dòng)放電維護(hù)，無需人工干預(yù)。每個(gè)變流裝置的輸出通過均流控制器處理完后接在一起，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)輸出，以滿足大功率場合的需要。該方案實(shí)現(xiàn)了由24V電池組并聯(lián)供電，減少電池串聯(lián)節(jié)數(shù)，下面重點(diǎn)闡述該方案的各方面優(yōu)越性。1電池壽命目前傳統(tǒng)的直流屏上采用的電池組絕大部分是免維護(hù)的閥控式鉛酸蓄電池（VRLA電池），為了比較電池組并聯(lián)供電和串聯(lián)供電對電池壽命的影響，首先我們必須了解閥控式鉛

4、酸蓄電池的工作原理。1.1 VRLA電池的工作原理單體的VRLA電池的基本部件有正極板、負(fù)極板、硫酸電解液、隔板、電池槽蓋、極柱等。VRLA電池的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4），其基本反應(yīng)原理可表示為：從上面反應(yīng)式可看出，充電過程中存在水分解反應(yīng)，當(dāng)正極充電到70時(shí)，開始析出氧氣，負(fù)極充電到90時(shí)開始析出氫氣，由于氫氧氣的析出，如果反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不能重新復(fù)合得用，電池就會失水干涸；對于早期的傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池，由于氫氧氣的析出及從電池內(nèi)部逸出，不能進(jìn)行氣體的再復(fù)合，是需經(jīng)常加酸加水維護(hù)的重要原因；而VRLA電池能在電池內(nèi)部對氧

5、氣再復(fù)合利用，同時(shí)抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點(diǎn)。VRLA電池氧循環(huán)圖示如下：可以看出，在VRLA電池中，負(fù)極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時(shí)，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應(yīng)而被氧化成一氧化鉛，另一方面是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進(jìn)行還原反應(yīng),由硫酸鉛反應(yīng)成海綿狀鉛。1.2 VRLA電池主要參數(shù)1.2.1 電池的容量處于完全充電狀態(tài)的鉛酸蓄電池在一定放電條件下，放電到規(guī)定的終止電壓時(shí)所能給出的電量成為電池容量，常用單位為安培小時(shí)（AH），電池容量分為理論容量、實(shí)際容量。理論容量是指根據(jù)活性物質(zhì)的質(zhì)量按照法拉第定律計(jì)算而得的最高容量。實(shí)際容量是指電

6、池在一定放電條件下所能輸出的電量。由于組成電池時(shí)，除電池的主反應(yīng)外，還有副反應(yīng)發(fā)生，加之其他種種原因，活性物質(zhì)利用率不可能外100%，因此遠(yuǎn)低于理論容量。電池的實(shí)際容量主要與電池正、負(fù)極活性物質(zhì)的數(shù)量及利用率有關(guān)。活性物質(zhì)利用率主要受放點(diǎn)制度、電機(jī)結(jié)構(gòu)、制造工藝影響。1.2.2 電池內(nèi)阻電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，在充放電過程中隨時(shí)間不斷變化，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成、電解液濃度和溫度都在不斷變化。VRLA電池的內(nèi)阻很小，但在大電流放電情況下，電池的電壓降損失可達(dá)數(shù)百毫伏。電池的內(nèi)阻有歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩部分。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、隔板、電解液、接線柱等構(gòu)成，也與電池尺寸、結(jié)構(gòu)及裝配因素有關(guān)。極化內(nèi)阻是由

7、電化學(xué)極化和濃差極化引起的，是電池充放電過程中兩電極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化產(chǎn)生的內(nèi)阻。極化內(nèi)阻與電池制造工藝、電極結(jié)構(gòu)及活性物質(zhì)的活性有關(guān)。1.2.3 電池電動(dòng)勢鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)-氫氧化鉛（Pb(OH)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（Pb4）留在正極板上，故正極板上缺少電子。 負(fù)極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（Pb2），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（2e）。 可見，在未接通外電路時(shí)（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，

8、兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢。電動(dòng)勢大小取決于電解液中的離子數(shù)和在電極上的自由電荷，而這些又與制成極板的活性物質(zhì)的化學(xué)成分和電解液的濃度和溫度有關(guān)，電動(dòng)勢與極板的現(xiàn)狀、大小及電解液的數(shù)量無關(guān)。充電后的鉛酸電池的電動(dòng)勢一般為2.1 V。電動(dòng)勢是電池在理論上輸出能量大小的量度之一。如果其他條件相同，電動(dòng)勢愈高的電池，理論上能輸出的能量就愈大，使用價(jià)值就愈高1.3 多節(jié)電池串聯(lián)對電池組性能的影響 對充電的影響傳統(tǒng)的220V直流屏系統(tǒng)，采用18節(jié)12V的電池串聯(lián)。由于串聯(lián)節(jié)數(shù)過多，必須要求各節(jié)電池的性能參數(shù)一致，才能保證充電的均衡性。然而，從章節(jié)1.2可以知道，電池的容量、內(nèi)阻、電

9、動(dòng)勢等主要參數(shù)均與電池的原材料（活性物質(zhì)及電解液）的性能、電池結(jié)構(gòu)、電池尺寸、制造工藝有密切的關(guān)系，即使是同廠家同批次的電池要保證18節(jié)電池完全一致也是很難實(shí)現(xiàn)的。這樣就造成各個(gè)電池在出廠時(shí)，本身的容量、內(nèi)阻、電動(dòng)勢就存在一定的差異。另外，直流屏廠家在將各節(jié)電池串聯(lián)起來的時(shí)候，也是沒辦法保證各電池間連接線的電阻完全一致。直流屏所用的充電機(jī)都是在理想狀態(tài)下設(shè)計(jì)均充電壓和浮充電壓的，所謂的理想狀態(tài)即認(rèn)為每節(jié)電池的均充電壓和浮充電壓都是相等的。假設(shè)每節(jié)浮充電壓定為13.5V，則充電機(jī)設(shè)計(jì)的浮充電壓即為18*13.5=243V。這樣做忽視了上面所提到的各電池的性能差異，會導(dǎo)致各節(jié)電池實(shí)際浮充電壓各不相

10、同，有的電池可能是14V，處于過充電狀態(tài)；有的電池可能是13V，處于沒充飽狀態(tài)。這對長期處于浮充電狀態(tài)下的直流屏電池，是非常不利的。從VRLA電池的氧循環(huán)示意圖可以看出，浮充電壓過高，過沖電流大，氧氣析出多，使氣體再復(fù)合效率低，會造成明顯的失水現(xiàn)象。通常認(rèn)為失水是影響VRLA電池壽命的主要原因之一，一般失水20%，電池的壽命也就終止了。浮充電壓過低，雖然氧氣析出少，氣體復(fù)合率高，但電池因長期充電不足會造成電池負(fù)極板上的PbSO4不能及時(shí)還原成海綿狀的Pb，而使PbSO4重結(jié)晶，生成不可逆的PbSO4，這個(gè)過程稱為負(fù)極硫酸鹽化。而負(fù)極的硫酸鹽化是VRLA電池失效的另一個(gè)重要原因。1.3.2 對放

11、電的影響直流屏電池的放電終止電壓也是在理想狀態(tài)下設(shè)計(jì)，即認(rèn)為每節(jié)電池的放電終止電壓為10.8V，這樣18節(jié)電池的放電終止電壓即為18*10.6=190.8V。但由于各節(jié)電池的容量、內(nèi)阻、接線電阻差異，各節(jié)電池的實(shí)際終止電壓并不相等，有的可能是10.5V，有的可能是11V。這樣就造成有的電池會過放電，而有的電池電量卻沒有充分利用。經(jīng)常過度放電的電池易造成負(fù)極的硫酸鹽化，大大縮短電池壽命。在多節(jié)串聯(lián)的電池組中，過度放電過的電池在下次充電過程中，實(shí)際浮充電電壓會偏低，而電池電量沒有放光的電池的實(shí)際浮充電壓又會偏高，這就導(dǎo)致了電池組在多次充放電循環(huán)中形成惡性循環(huán)：沒充飽的電池也容易過放電，過放電的電池

12、越充不飽；電量沒放光的電池容易過充電，而過充電的電池容量更不能充分利用。在這種惡性循環(huán)下，電池壽命是急劇縮短的。1.4電池并聯(lián)供電的好處研究和實(shí)踐表明串聯(lián)的蓄電池組的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及單體電池的壽命，所以最好的延長電池壽命的方法應(yīng)該是每個(gè)單體電池都配備一個(gè)獨(dú)立的電池充放電管理單元，但是這樣會大大增加成本，而且由于單體電池的電壓太低，在輸出同等功率情況下，單體電池的放電電流比電池組的要大得多，降低了放電效率。我們經(jīng)過綜合考慮，最終我們選擇用2節(jié)12V的電池串聯(lián)成電池組后再對外供電。由于只有2節(jié)12V的電池相對于直流屏18節(jié)電池來說，同一組電池出廠的一致性得到了明顯的改善。從圖2可以看出，每個(gè)電池組都配

13、有一個(gè)獨(dú)立的充放電管理模塊，可以很好的保證每節(jié)電池的浮充電壓和放電終止電壓的一致性。有效的抑制了VRLA電池的失水和負(fù)極的硫酸鹽化，在很大程度上減緩了電池的失效。2 運(yùn)行維護(hù)為了保證蓄電池組在工作中保持一致性，傳統(tǒng)直流屏的蓄電池組必須由專業(yè)的維護(hù)人員攜帶專業(yè)設(shè)備定期的進(jìn)行深度放電，然后再對整組電池進(jìn)行均衡充電。在正常情況下，這需要2天左右的實(shí)間才能完成。而現(xiàn)在工作人員經(jīng)常遇到異常情況：在進(jìn)行深度放電時(shí)，電池組提前終止放電，未能達(dá)到深度放電，主要原因是由于個(gè)別電池的電壓偏低，在整組放電時(shí)，整組電池電壓很快就低于欠壓點(diǎn)，直流屏的電池監(jiān)測裝置對電池組進(jìn)行了欠壓保護(hù)。這就導(dǎo)致有大部分電池未能深度放電，

14、需要單獨(dú)對每節(jié)電池進(jìn)行深度放電。在這種情況下，維護(hù)時(shí)間就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止2天，極大的增加了維護(hù)費(fèi)用。針對以上問題，我們在變流裝置里設(shè)計(jì)了一個(gè)電池放電維護(hù)的模塊，該模塊根據(jù)電池的特性定期的對電池進(jìn)行自動(dòng)放電維護(hù)，無需人工參與，大大節(jié)約了維護(hù)的費(fèi)用。即使有一組電池出現(xiàn)故障，也只需換掉那一組的2個(gè)電池，而不需要像直流屏那樣換掉所有的18節(jié)電池，這在很大程度上抑制了資源的浪費(fèi)。3 可靠性由于采用并聯(lián)供電，在電池或變流裝置出現(xiàn)故障的時(shí)候，其他組電池和變流裝置仍然能正常工作，保證直流輸出的連續(xù)性；而直流屏一旦有個(gè)電池壞掉了，整個(gè)直流母線的電壓就會出現(xiàn)異常，甚至無輸出，這將導(dǎo)致整個(gè)變電站的直流系統(tǒng)異常，造成其他更嚴(yán)重故障。4總結(jié)通過以上各方面的比較，我們公司研制的并聯(lián)型直