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，為操作機構(gòu)和自動化裝置提供能量。若直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則后果相當嚴重。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，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、運行可靠性等方面具有相當?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，進而導致有的電池長期過充電有的電池則長期過放電，嚴重降低電池的使用壽命，一旦其中一節(jié)電池出現(xiàn)故障，為了保證整個電池組的一致性，必須整組電池換掉，造成了不必要的浪費。目前解決此問題的方法是由工作人員定期的對每節(jié)電池進行深度放電，再對整個電池組進行均充。整個過程大概需要2天時間，大大加大了維護成本。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。每個變流裝置配備2節(jié)12V的電池組，變流裝置實現(xiàn)

3、以下功能： （1）、當有交流輸入時，變流裝置把220VAC的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的220VDC直流電，同時對電池組進行充電。（2）、當交流失電時，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行自動放電維護，無需人工干預。每個變流裝置的輸出通過均流控制器處理完后接在一起，實現(xiàn)并聯(lián)輸出，以滿足大功率場合的需要。該方案實現(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），其基本反應原理可表示為：從上面反應式可看出，充電過程中存在水分解反應，當正極充電到70時，開始析出氧氣，負極充電到90時開始析出氫氣，由于氫氧氣的析出，如果反應產(chǎn)生的氣體不能重新復合得用，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，不能進行氣體的再復合，是需經(jīng)常加酸加水維護的重要原因；而VRLA電池能在電池內(nèi)部對氧

5、氣再復合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點。VRLA電池氧循環(huán)圖示如下：可以看出，在VRLA電池中，負極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應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行還原反應,由硫酸鉛反應成海綿狀鉛。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)定的終止電壓時所能給出的電量成為電池容量，常用單位為安培小時（AH），電池容量分為理論容量、實際容量。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算而得的最高容量。實際容量是指電

6、池在一定放電條件下所能輸出的電量。由于組成電池時，除電池的主反應外，還有副反應發(fā)生，加之其他種種原因，活性物質(zhì)利用率不可能外100%，因此遠低于理論容量。電池的實際容量主要與電池正、負極活性物質(zhì)的數(shù)量及利用率有關(guān)。活性物質(zhì)利用率主要受放點制度、電機結(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間不斷變化，因為活性物質(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、電化學極化和濃差極化引起的，是電池充放電過程中兩電極進行化學反應時極化產(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。 負極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應，變成鉛離子（Pb2），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）。 可見，在未接通外電路時（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，

8、兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。電動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)的化學成分和電解液的濃度和溫度有關(guān)，電動勢與極板的現(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勢一般為2.1 V。電動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，電動勢愈高的電池，理論上能輸出的能量就愈大，使用價值就愈高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現(xiàn)的。這樣就造成各個電池在出廠時，本身的容量、內(nèi)阻、電動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都是在理想狀態(tài)下設(shè)計均充電壓和浮充電壓的，所謂的理想狀態(tài)即認為每節(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，則充電機設(shè)計的浮充電壓即為18*13.5=243V。這樣做忽視了上面所提到的各電池的性能差異，會導致各節(jié)電池實際浮充電壓各不相

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，使氣體再復合效率低，會造成明顯的失水現(xiàn)象。通常認為失水是影響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，氣體復合率高，但電池因長期充電不足會造成電池負極板上的PbSO4不能及時還原成海綿狀的Pb，而使PbSO4重結(jié)晶，生成不可逆的PbSO4，這個過程稱為負極硫酸鹽化。而負極的硫酸鹽化是VRLA電池失效的另一個重要原因。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，即認為每節(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，實際浮充電電壓會偏低，而電池電量沒有放光的電池的實際浮充電壓又會偏高，這就導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踐表明串聯(lián)的蓄電池組的壽命遠遠不及單體電池的壽命，所以最好的延長電池壽命的方法應該是每個單體電池都配備一個獨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，每個電池組都配

13、有一個獨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電池的失水和負極的硫酸鹽化，在很大程度上減緩了電池的失效。2 運行維護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)的維護人員攜帶專業(yè)設(shè)備定期的進行深度放電，然后再對整組電池進行均衡充電。在正常情況下，這需要2天左右的實間才能完成。而現(xiàn)在工作人員經(jīng)常遇到異常情況：在進行深度放電時，電池組提前終止放電，未能達到深度放電，主要原因是由于個別電池的電壓偏低，在整組放電時，整組電池電壓很快就低于欠壓點，直流屏的電池監(jiān)測裝置對電池組進行了欠壓保護。這就導致有大部分電池未能深度放電，

14、需要單獨對每節(jié)電池進行深度放電。在這種情況下，維護時間就遠遠不止2天，極大的增加了維護費用。針對以上問題，我們在變流裝置里設(shè)計了一個電池放電維護的模塊，該模塊根據(jù)電池的特性定期的對電池進行自動放電維護，無需人工參與，大大節(jié)約了維護的費用。即使有一組電池出現(xiàn)故障，也只需換掉那一組的2個電池，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。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；而直流屏一旦有個電池壞掉了，整個直流母線的電壓就會出現(xiàn)異常，甚至無輸出，這將導致整個變電站的直流系統(tǒng)異常，造成其他更嚴重故障。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