CN107219467B - 一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置及方法，其不仅可以实现蓄电池自动核容，并且利用核容试验的充放电过程实现个体去硫活化功能，令蓄电池单体处于最佳状态，解决硫化问题，确保蓄电池有效使用容量。

Description

一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置及方法

技术领域

本发明涉及蓄电池的技术领域，更具体地，涉及一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置及方法。

背景技术

蓄电池组是变电站直流***的重要组成部分，当变电站站用交流***失压时，全站二次设备如继电保护、故障录波等将通过蓄电池组供电，因此蓄电池是直流***的最后一道防线。目前变电站普遍采用阀控式铅酸蓄电池，蓄电池组中各电池单体的寿命、容量及运行性能一直是变电站重点关注对象，是变电站事故处理中的制约短板，在长久运行中存在以下问题：

1、蓄电池单体在出厂时无法保证每个单体参数均一致，因此单体差异决定各蓄电池单体在串联运行过程中存在充放电不均衡、部分单体欠充电、部分单体长时间过放电等问题，将导致蓄电池极板上生成一种坚硬且导电不良的硫酸铅粗晶粒，增大蓄电池内阻，降低容量，这种现象就是蓄电池形成“硫化”。

2、变电站站用蓄电池或通信用蓄电池均是将若干蓄电池单体串联成组，通过基于高频开关的直流充电机直接对整组蓄电池进行充放电控制，并通过蓄电池状态在线监测仪对每组蓄电池的端电压、温度等参数进行测量和监视，然而缺乏对蓄电池硫化的修复功能，蓄电池硫化问题一直得不到有效解决。

3、蓄电池组作为重要的直流***设备，所有电池单体长期处于浮充电状态，只有根据管理规定对蓄电池开展核容试验，核容试验往往侧重于测试检查蓄电池组容量，放电和充电过程对蓄电池去硫程度有限。

4、蓄电池硫化现象将减少蓄电池正负极板上活性物质与电解液的接触面积，长期将不断增厚晶粒，蓄电池容量将大幅降低，现状中蓄电池因硫化问题而提前报废的案例愈加增多。

发明内容

供电企业现有的将整组蓄电池以整组控制的充放电运行方式下，蓄电池在浮充电时将无可避免地存在这种现象（供电企业的蓄电池99%以上的工作时间均处于浮充状态）：大部分单体处在浮充状态，而某个单体处在过充状态，某个单体处在欠充状态。而这种现象亦会无可避免地导致蓄电池组的电池容量降低，减少蓄电池使用寿命，甚至会导致核容试验不合格（实际容量<80%*额定容量时即判断为核容不合格，此时需要对蓄电池进行更换）。就蓄电池单体而言，这势必引起硫化现象。

学术领域对硫化问题的研究较少，主要因为蓄电池硫化问题难以数学定量描述，因个体差异的问题，蓄电池的电阻特性本身存在差异，而在充放电的化学反应过程中内阻也时刻变化，硫化程度难以通过测量蓄电池内阻以精准确定。

另一方面，硫化问题是个长期性的运维积累问题，与蓄电池过去使用情况有关，不确定性因素导致目前缺乏有效的、针对性的解决方法。

现阶段蓄电池的去硫方法主要有以下几种：分别是水疗法、大电流充电法、化学法以及脉冲法。

水疗法就是稀释蓄电池中电解液，以提高硫酸铅晶体在电解液中的溶解度。该方法对可加水式结构的蓄电池十分有效，然而变电站大多采用阀控免维护式的铅酸蓄电池，该方法不可行，不利于保持蓄电池免维护封闭的安全特性。

大电流充电法就是对采用大电流充电让蓄电池处于微析气状态，利用析出气体冲刷极板表面的硫酸铅晶体，该方法析出气体容易把极板上的活性物质一起冲刷，因此只适用于轻微的硫化现象，同时大电流充电的控制要求高，一有不慎将导致蓄电池严重过充，不利于蓄电池稳定运行。

化学法与水疗法原理相近，区别在于要替换原电解液，并采用特定的化学溶剂专门溶解硫化晶体，去硫效果明显，然而与水疗法一样过程复杂，不适用于目前变电站采用的蓄电池类型。

脉冲法是目前市场上大多装置采用的去硫方法，通过瞬间高压产生的电脉冲对晶体进行放电击穿，以此电解硫化晶体。该方法操作简单，效果明显，然而脉冲一般为固定性脉冲，并没有根据蓄电池硫化程度而相应调整，控制失误同样容易导致析气问题。此外，目前市面装置仍然对整体蓄电池组进行脉冲充电，个体硫化解决效果仍然有限。

另外，核容试验是对整体蓄电池组开展，因此对单体蓄电池去硫功能缺乏针对性，蓄电池硫化差异问题得不到真正解决，核容过程中充电过程依然导致个体蓄电池过充电或欠充电。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置，包括：采样及巡检模块、可控放电模块、去硫活化执行模块、控制决策模块、状态切换模块、人机交互模块；

采样及巡检模块包括：电压测量仪、电流测量仪、温度传感仪，电流测量仪串接于电池正极输出端，电压测量仪并接电池两端，温度传感仪安装在蓄电池外壳，由此可遍历获得蓄电池组的供电状态，电池组端电压，各蓄电池单体端电压，电池充\放电电流，电池温度；

可控放电模块根据控制决策模块的输出命令，调整放电模块各执行单体的放电电阻，对蓄电池组的蓄电池单体进行目标可控放电，并反馈执行结果到控制决策模块；可控放电模块由多个放电执行单体组成，每个放电执行单体通过接线连接到蓄电池对应编号的单体，与去硫活化执行模块的去硫充电执行单体共路输出；

去硫活化执行模块根据控制决策模块的输出命令，灵活实现均充和脉冲充电两种方式，在脉冲充放电过程中调整脉冲幅值和宽度，对蓄电池组的目标蓄电池单体输出除硫脉冲，并反馈执行结果到控制决策模块；去硫活化执行模块由多个去硫充电执行单体组成，每个去硫充电执行单体通过接线连接到蓄电池对应编号的单体，与可控放电模块的执行单体共路输出；

状态切换模块包括：可控式的直流断路器，安装在蓄电池组总体接线口，根据控制决策模块命令实现蓄电池组的状态切换，执行完毕后反馈信息到控制决策模块；

决策控制模块接收采样及巡检模块、状态切换模块、人机交互模块、可控充放电模块和去硫活化执行模块的输入反馈，通过决策算法输出响应的控制命令到采样及巡检模块、状态切换模块、人机交互模块、可控充放电模块和去硫活化执行模块；

人机交互模块通过人机交互模块实现用户对装置功能的参数设定和控制启动，接收决策控制模块输出的遥测信息，显示蓄电池状态量并实现异常告警功能。

优选地，所述一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置还包括：电源供应模块、通信接口、自检模块。

优选地，所述人机交互模块还包括：屏幕、音响、按钮、灯光。

与现有技术相比，有益效果是：

1、实现差异去硫修复功能，解决蓄电池硫化程度不一的问题；

2、计算去硫后的蓄电池容量，有效检测蓄电池真实储能能力。

一种蓄电池核容方法，包括以下步骤：

S1，开始，转入步骤S2；

S2，检测蓄电池状态，转入步骤S3；

S3，检查蓄电池组状态是否正常，正常状态转入步骤S4，不正常状态转入步骤S7；

S4，确定是否进入修复核容状态，进入修复核容状态转入步骤S5，不进入修复核容状态转入步骤S9；

S5，修复核容，得出核容结果，若异常转入步骤S7，不异常转入步骤S6；

S6，蓄电池组状态切换控制，转入步骤S9；

S7，告警输出，转入步骤S8；

S8，检修处理，转入步骤S10；

S9，确定是否退出装置，退出转入S10，不退出退回S2；

S10，结束。

其中，步骤S5的修复核容，得出核容结果包括以下步骤：

步骤1：蓄电池整组恒流放电至终止条件1，根据放电终止电压形成目标电池组T1；

步骤2：蓄电池整组恒流充电至终止条件2，根据电压上升速率形成目标电池组T2；

步骤3：确定硫化目标电池单体组合T3，针对T3执行自循环调整的去硫活化充电；

步骤4：蓄电池整组恒压充电至终止条件3；

步骤5：执行步骤1，记录放电容量1；

步骤6：执行步骤2和4，再执行步骤1，记录放电容量2；

步骤7：核算分析两次放量容量是否符合最低标准，信号反馈。

进一步，步骤1中蓄电池组恒流放电采用以下方法：对目标蓄电池组进行放电率的整组恒流放电，记录放电时间，当检测存在单体电压下降达到预设终止电压或整组电压下降到整体预设终止电压时停止恒流放电，记录放电时间以及各蓄电池单体放电后的电压值，同时记录整组蓄电池组的放电电量Q1。

进一步，步骤2中蓄电池组恒流放电采用以下方法：对目标蓄电池组以进行恒流充电，各电池单体电压将升高，当存在单体电压达到时停止恒压充电，记录充电持续时间,计此次充电过程中任一电池电压变化速率为V。

进一步，针对T3执行自循环调整的去硫活化充电采用以下方法：对目标电池单体输出连续k个周期的正向脉冲充电，占空比为Tz,充电电量为Q_c,之后对目标单体输出反向电压对单体放电，放电电量为Q_d,控制放电时间使Q_d等于整组蓄电池组的放电电量Q₁，整个过程为一次去硫活化充放电过程；循环执行去硫活化充放电过程，记录第k次目标单体电压为U_ki,其中i∈T3，当U_ki小于U_（k-1）i时，表示去硫活化有效，根据U_ki与U_（k-1）i相差值调整增大正向脉冲幅值，减小脉冲占空比，直至循环执行去硫活化充放电后前后两次电压相差满足最小设定要求或达到设定的最高循环次数，去硫活化充电过程停止。

与现有技术相比，有益效果是：

1、提出目标硫化单体的确认方法，有效发现问题电池；

2、提出去硫修复的智能控制方法，融入蓄电池核容过程中。

附图说明

图1是本发明核容装置安装示意图。

图2是本发明核容装置工作流程图。

图3是本发明蓄电池修复核容步骤简图。

附图标记说明：

1—#1蓄电池组；11—#1 DC；12—直流断路器K1；13—#1温度、电压、传感器信号线；2—#2蓄电池组；21—#2 DC；22—直流断路器K2；23—#2温度、电压、传感器信号线；3—放电执行单体；31—放电控制；4—去硫充电执行单体；41—去硫充电控制；5—决策控制模块；6—人机交互模块；7—充电机。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，本发明设计了一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置及方法，其不仅可以实现蓄电池自动核容，并且利用核容试验的充放电过程实现个体去硫活化功能，令蓄电池单体处于最佳状态，解决硫化问题，确保蓄电池有效使用容量。

如图1所示，一种具有去硫修复功能的变电站蓄电池核容装置，包括：采样及巡检模块、可控放电模块、去硫活化执行模块、控制决策模块、状态切换模块、人机交互模块，以及其他必须的装置供应模块。

采样及巡检模块：采样及巡检模块由电压测量仪、电流测量仪、温度传感仪及相应的线路构成，电流测量仪串接于电池正极输出端，电压测量仪并接电池两端，温度传感仪安装在蓄电池外壳，由此可遍历获得蓄电池组的供电状态，电池组端电压，各蓄电池单体端电压，电池充\放电电流，电池温度等。

可控放电模块：根据控制决策模块的输出命令，调整放电模块各执行单体的放电电阻，对#1或#2组蓄电池组的蓄电池单体进行目标可控放电，并反馈执行结果到控制决策模块。可控放电模块由多个放电执行单体3组成，每个放电执行单体3通过接线连接到蓄电池对应编号的单体，与去硫活化执行模块的执行单体共路输出。

去硫活化执行模块：根据控制决策模块的输出命令，灵活实现均充和脉冲充电两种方式，在脉冲充放电过程中调整脉冲幅值和宽度，对#1或#2组蓄电池组的目标蓄电池单体输出除硫脉冲，并反馈执行结果到控制决策模块。去硫活化执行模块的电源取自直流***原有的充电机7，输出由多个去硫充电执行单体4组成，每个去硫充电执行单体4通过接线连接到蓄电池对应编号的单体，与可控放电模块的执行单体共路输出。

状态切换模块：主要由可控式的直流断路器K1、K2构成，安装在蓄电池组总体接线口，根据控制决策模块命令实现蓄电池组的状态切换，进入核容去硫状态时断开与蓄电池组对应的直流断路器，完成核容去硫后恢复进入在线运行及监控状态时需合上与蓄电池组对应的直流断路器，执行完毕后反馈信息到控制决策模块。

决策控制模块：接收采样及巡检模块、状态切换模块、人机交互模块、可控充放电模块和去硫活化执行模块的输入反馈，通过决策算法输出响应的控制命令到其他模块，主要实现以下两大功能：

1）在线监控。非核容时段实现全时刻在线监控蓄电池各单体的运行状况，蓄电池单体电压过低或过高、温度异常时发出指令控制人机交互模块告警，并提醒相应超标值，实现目前蓄电池电能管理的正常功能；

2）核容修复。通过人工或定期启动方式控制状态切换模块将蓄电池组转变为核容修复状态，根据核容充放电过程中的电池反应结果确定去硫修复目标电池，执行决策算法逐次控制可控放电模块和去硫活化执行模块以执行对蓄电池去硫修复，并最终得到修复后的蓄电池组有效容量。

人机交互模块：通过人机交互模块实现用户对装置功能的参数设定和控制启动，接收决策控制模块输出的遥测信息，有效显示蓄电池状态量并实现异常告警功能。主要包括屏幕、音响、按钮、灯光等。

其他必须的装置供应模块：包括电源供应、通信接口、自检模块等。

变电站蓄电池核容装置有效安装在两组蓄电池中（大多变电站采用双蓄电池组供电，如无则需设定由人工命令启动核容修复功能）。

正常运行时通过装置的采样及巡检模块实时收集蓄电池组各单体电压、温度状态，并由决策控制模块判定电压或温度值是否超过预设阀值时，异常时通过人机交互模块发出告警信息。

根据人工命令和预设时间启动蓄电池核容修复功能，工作流程图见图2。

S1，开始，转入步骤S2；

S2，检测蓄电池状态，转入步骤S3；

S3，检查蓄电池组状态是否正常，正常状态转入步骤S4，不正常状态转入步骤S9；

S4，确定是否进入修复核容状态，进入修复核容状态转入步骤S5，不进入修复核容状态转入步骤S11；

S5，蓄电池组状态切换控制；

S6，执行去硫修复的放电-充电过程；

S7，检查核容结果是否异常，异常转入步骤S9，不异常转入步骤S8；

S8，蓄电池组状态切换控制；

S9，告警输出；

S10，检修处理；

S11，确定是否退出装置，退出转入S12，不退出转入S2；

S12，结束。

核容修复方法步骤详见图3，具体描述如下：

（1）检测目标蓄电池组（如#1蓄电池组）各单体状态量正常（电压及温度），检测确定在运另一组蓄电池组各单体状态量正常，检测确定控制状态切换模块中的直流断路器K1在合上位置，断开直流断路器K1，完成目标蓄电池组脱离运行状态，转变为核容修复状态。

（2）对目标蓄电池组进行I₁₀放电率的整组恒流放电，记录放电时间，当检测存在单体电压下降达到预设终止电压U_d1或整组电压下降到U_d1*N时停止恒流放电，记录放电时间t_1y以及各蓄电池单体放电后的电压值，即N个电池单体的放电完成电压值分别为U_1i,i=1、2、3、…、N，分别对应编号为1、2、3…N的蓄电池单体，同时记录整组蓄电池组的放电电量Q₁。当有单体电池电压下降速率满足过快判定条件时，确定该单体蓄电池为去硫修复目标电池，对所有单体放电后电压进行评定计算后可得所有去硫修复目标电池组T1。

（3）对目标蓄电池组以I₁₀进行恒流充电，各电池单体电压将升高，当存在单体电压达到U_h时停止恒压充电，记录充电持续时间t₂,停止充电后N个电池单体的电压值分别为U_2i,i=1、2、3、…、N，计此次充电过程中任一电池电压变化速率为V，则有V_2i=U_2i-U_1i/t₂,i=1,2,…,N,当存在单体电压的升压速率过快判定条件时，确定该单体蓄电池为去硫修复目标电池，对所有单体放电后电压进行评定测算后可得所有硫修复目标电池组T2。

（4）对去硫修复目标电池组T1和T2取共集，得到去硫修复目标电池组T3，对电池组T3中的单体电池执行去硫活化充电，方法为首先对目标电池单体输出连续k个周期的正向脉冲充电，占空比为Tz,充电电量为Q_c,之后对目标单体输出反向电压对单体放电，放电电量为Q_d,控制放电时间使Q_d等于Q_l，整个过程为一次去硫活化充放电过程。循环执行去硫活化充放电过程，记录第k次目标单体电压为U_ki,其中i∈T3，当U_ki小于U_（k-1）i时，表示去硫活化有效，根据U_ki与U_（k-1）i相差值调整增大正向脉冲幅值，减小脉冲占空比，直至循环执行去硫活化充放电后前后两次电压相差满足最小设定要求或达到设定的最高循环次数，去硫活化充电过程停止。

（5）对所有单体电池进行电压大小为U_h的恒压充电，直至所有单体电压大于等于预设终止电压U_d2时，停止恒压充电，完成一次具有去硫修复功能的放电-充电过程。

（6）对整组蓄电池组第二次I₁₀放电率的整组恒流放电，当检测存在单体电压下降达到预设终止电压U_d1或整组电压下降到U_d1*N时停止放电，记录整组蓄电池组的放电电量Q₂，为目标蓄电池组经过去硫修复过程后的有效放电容量，并记录各单体电池电压，对整组蓄电池组依次执行步骤3到5，再对整组蓄电池组开展第三次恒流放电并记录整个过程的放电电量Q₃,取min（Q₂、Q₃）为核容装置的检测容量，小于预设要求值时决策控制模块发出告警信号到人机交互模块。

（7）恢复目标蓄电池组的工作状态，监测确定目标蓄电池组各单体电池的电压、温度符合要求后，合上直流断路器K1，完成目标蓄电池组脱离核容修复状态，转变为运行状态。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种变电站蓄电池核容装置，包括：采样及巡检模块、可控放电模块、去硫活化执行模块、控制决策模块、状态切换模块、人机交互模块；

采样及巡检模块包括：电压测量仪、电流测量仪、温度传感仪，电流测量仪串接于电池正极输出端，电压测量仪并接电池两端，温度传感仪安装在蓄电池外壳，由此可遍历获得蓄电池组的供电状态，电池组端电压，各蓄电池单体端电压，电池充/放电电流，电池温度；

可控放电模块根据控制决策模块的输出命令，调整放电模块各执行单体的放电电阻，对蓄电池组的蓄电池单体进行目标可控放电，并反馈执行结果到控制决策模块；可控放电模块由多个放电执行单体组成，每个放电执行单体通过接线连接到蓄电池对应编号的单体，与去硫活化执行模块的去硫充电执行单体共路输出；

去硫活化执行模块根据控制决策模块的输出命令，灵活实现均充和脉冲充电两种方式，在脉冲充放电过程中调整脉冲幅值和宽度，对蓄电池组的目标蓄电池单体输出除硫脉冲，并反馈执行结果到控制决策模块；去硫活化执行模块由多个去硫充电执行单体组成，每个去硫充电执行单体通过接线连接到蓄电池对应编号的单体，与可控放电模块的执行单体共路输出；

状态切换模块包括：可控式的直流断路器，安装在蓄电池组总体接线口，根据控制决策模块命令实现蓄电池组的状态切换，执行完毕后反馈信息到控制决策模块；

决策控制模块接收采样及巡检模块、状态切换模块、人机交互模块、可控充放电模块和去硫活化执行模块的输入反馈，通过决策算法输出响应的控制命令到采样及巡检模块、状态切换模块、人机交互模块、可控充放电模块和去硫活化执行模块；

人机交互模块通过人机交互实现用户对装置功能的参数设定和控制启动，接收决策控制模块输出的遥测信息，显示蓄电池状态量并实现异常告警功能；

所述变电站蓄电池核容装置还包括：电源供应模块、通信接口、自检模块；

所述人机交互模块还包括：屏幕、音响、按钮和灯光。

2.一种如权利要求1所述的变电站蓄电池核容装置的核容方法，包括以下步骤：

S1，开始，转入步骤S2；

S2，检测蓄电池状态，转入步骤S3；

S3，检查蓄电池组状态是否正常，正常状态转入步骤S4，不正常状态转入步骤S7；

S4，确定是否进入修复核容状态，进入修复核容状态转入步骤S5，不进入修复核容状态转入步骤S9；

S5，修复核容，得出核容结果，若异常转入步骤S7，不异常转入步骤S6；

S6，蓄电池组状态切换控制，转入步骤S9；

S7，告警输出，转入步骤S8；

S8，检修处理，转入步骤S10；

S9，确定是否退出装置，退出转入S10，不退出退回S2；

S10，结束；

其中，步骤S5的修复核容，得出核容结果包括以下步骤：

步骤1：蓄电池整组恒流放电至终止条件1，根据放电终止电压形成目标电池组T1；

步骤2：蓄电池整组恒流充电至终止条件2，根据电压上升速率形成目标电池组T2；

步骤3：对去硫修复目标电池组T1和T2取共集，得到去硫修复目标电池组T3，针对T3执行自循环调整的去硫活化充电；

步骤4：蓄电池整组恒压充电至终止条件3；

步骤5：执行步骤1，记录放电容量1；

步骤6：执行步骤2和4，再执行步骤1，记录放电容量2；

步骤7：核算分析两次放量容量是否符合最低标准，信号反馈。

3.根据权利要求2所述的核容方法，其特征在于，步骤1中蓄电池组恒流放电采用以下方法：

对目标蓄电池组进行放电率的整组恒流放电，记录放电时间，当检测存在单体电压下降达到预设终止电压或整组电压下降到整体预设终止电压时停止恒流放电，记录放电时间以及各蓄电池单体放电后的电压值，同时记录整组蓄电池组的放电电量Q₁。

4.根据权利要求2所述的核容方法，其特征在于，步骤2中蓄电池组恒流放电采用以下方法：

对目标蓄电池组以进行恒流充电，各电池单体电压将升高，当存在单体电压达到终止条件2时停止恒压充电，记录充电持续时间,计此次充电过程中任一电池电压变化速率为V。

5.根据权利要求2所述的核容方法，其特征在于，针对T3执行自循环调整的去硫活化充电采用以下方法：

对目标电池单体输出连续k个周期的正向脉冲充电，占空比为Tz，充电电量为Q_c，之后对目标单体输出反向电压对单体放电，放电电量为Q_d，控制放电时间使Q_d等于整组蓄电池组的放电电量Q₁，整个过程为一次去硫活化充放电过程；循环执行去硫活化充放电过程，记录第k次目标单体电压为U_ki，其中i∈T3，当U_ki小于U_(k-1)i时，表示去硫活化有效，根据U_ki与U_(k-1)i相差值调整增大正向脉冲幅值，减小脉冲占空比，直至循环执行去硫活化充放电后前后两次电压相差满足最小设定要求或达到设定的最高循环次数，去硫活化充电过程停止。

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