CN207134845U - 变电站蓄电池组控制仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种变电站蓄电池组控制仪，包括电源变换模块、连接电源变换模块与蓄电池组的可控模块、与蓄电池组相连接的采样单元、与采样单元相连接的控制单元、与蓄电池组相连接的直流供电回路、经可控模块而与蓄电池组相连接的放电试验回路；电源变换模块具有连接第一导线的输出正极和连接第二导线的输出负极；可控模块包括n+1组子模块；每组子模块包括连接于第一导线和单体蓄电池之间并由控制单元控制的输入控件、连接于单体蓄电池与第二导线之间并由控制单元控制的输出控件。本实用新型能够改善由于充电电压设定较低而引起问题，能够保证蓄电池组达到更好的充电状态，对于蓄电池组寿命的提升具有积极意义。

Description

变电站蓄电池组控制仪

技术领域

本实用新型涉及电力系统变电站备用蓄电池组的充放电控制领域，具体涉及一种控制蓄电池组充放电的控制仪。

背景技术

变电站蓄电池组作为后备电源，具有使用频率不高，深度充放电不频繁，但对其可靠性要求高的特点。日常正常运行时，其应处于浮充状态，当发生紧急状态时，转化为主电源对变电站内核心重要设备供电。现阶段变电站蓄电池组多采用串联充放电的粗放管理方式对其进行充放电维护，在计划充放电检修中，蓄电池损坏率较高。基于安全性、检修便捷性考虑，蓄电池充放电管理需要简便易行。为了防止蓄电池组中某一节发生故障导致端电压下降而导致其它蓄电池组处于过充状态，变电站蓄电池组的串联充电电压通常设定稍低于满充电压，这就导致单体蓄电池未能处于满充状态，从而导致蓄电池组使用寿命下降。现阶段主流的充放电均衡管理策略分为基于电容式、基于电感式和基于DC/DC变换器式的三类均衡策略，该类控制策略追求实现单体蓄电池同时达到充放电的阈值电压。前述这三类控制策略主要侧重于实现单体蓄电池之间电压的均衡控制，对于由于充电电压设定较低引起的欠电状态改善空间有限。串联放电并联充电的运行模式，能较好的解决这一问题，但其存在充电电流较大，充电设备繁多，故障率较高以及在充电过程中发生变电站全站失电，蓄电池能否迅速可靠转化为串联输出模式的问题。

现阶段变电站蓄电池管理系统除具有蓄电池充放电功能外还具备蓄电池单体电压监视功能，蓄电池管理系统如图1所示，AC/DC模块实现对蓄电池组的充电，并在紧急状态下与DC/DC模块共同控制蓄电池提供可靠供电。ADC采样模块实现对单体及蓄电池组整体电压的监视。这就为充分利用其电压监视功能实现充放电管理提供了便利。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于对蓄电池组和其中的单体蓄电池的电压监视功能，能够改善由于充电电压设定较低而引起问题，提高系统可靠性的变电站蓄电池组控制仪。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种变电站蓄电池组控制仪，与变电站中由n节单体蓄电池串联构成的蓄电池组相连接而控制所述蓄电池组，所述变电站蓄电池组控制仪包括将交流电转换为直流电并输出的电源变换模块、连接所述电源变换模块与所述蓄电池组的可控模块、与所述蓄电池组相连接并用于对所述蓄电池组以及各所述单体蓄电池进行电压采样的采样单元、与所述采样单元相连接的控制单元、与所述蓄电池组相连接的直流供电回路、经所述可控模块而与所述蓄电池组相连接的放电试验回路，所述控制单元分别与所述蓄电池组、所述电源变换模块、所述可控模块、所述直流供电回路、所述放电试验回路相连接；所述电源变换模块具有连接第一导线的输出正极和连接第二导线的输出负极；

所述可控模块包括n+1组子模块，各组所述子模块分别与所述蓄电池组中第1节所述单体蓄电池的正极、第n节所述单体蓄电池的负极、任意两节所述单体蓄电池的串接点相连接；每组所述子模块包括连接于所述第一导线和所述单体蓄电池之间并由所述控制单元控制的输入控件、连接于所述单体蓄电池与所述第二导线之间并由所述控制单元控制的输出控件；

所述直流供电回路与所述蓄电池组的正负极相连接；

所述放电试验回路连接于所述第一导线和所述第二导线之间，所述控制单元与所述放电试验回路相连接并控制所述放电试验回路的通断。

优选的，各所述输入控件和各所述输出控件均采用可控硅元件。

优选的，所述变电站蓄电池组控制仪还包括经所述可控模块而与所述蓄电池组相连接的放电试验回路，所述放电试验回路连接于所述第一导线和所述第二导线之间，所述控制单元与所述放电试验回路相连接并控制所述放电试验回路的通断。

优选的，所述放电试验回路包括相串联的电阻和与所述控制单元相连接以控制所述放电试验回路通断的放电控制元件。

优选的，所述电源变换模块包括与交流电源相连接的AC/DC变换器、与所述AC/DC变换器相连接的DC/DC变换器。

优选的，所述DC/DC变换器包括与所述AC/DC变换器相连接并具有输出正极和输出负极的第一直流变换器、与所述第一直流变换器的输出正极相连接并控制所述第一直流变换器开断的总控元件、与所述第一直流变换器的输出正极相连接的分控元件、正极入口与所述分控元件相连接而负极入口与所述第一直流变换器的输出负极相连接的第二直流变换器，所述蓄电池组的正极与所述总控元件相连接，所述蓄电池组的负极与所述第一直流变换器的输出负极相连接，所述控制单元分别与所述总控元件和所述分控元件相连接，所述第二直流变换器的输出分别连接所述第一导线和所述第二导线。

优选的，所述总控元件、所述分控元件均采用可控硅元件。

优选的，所述第一导线上设置有防反送电的二极管。

优选的，所述变电站蓄电池组控制仪还包括连接于所述第一导线和所述第二导线之间的能够在所述蓄电池组供电过程中配合所述可控模块短路任意一节或几节所述单体蓄电池的故障应急回路；所述故障应急回路包括相串联的两个可控硅。

所述直流供电回路包括输出直流变换器。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型能够改善由于充电电压设定较低而引起问题，通过可控模块的更好地实现蓄电池组的充放电，能够保证蓄电池组达到更好的充电状态，对于蓄电池组寿命的提升具有积极意义。

附图说明

附图1为现有的蓄电池管理系统的电路原理图。

附图2为本实用新型的变电站蓄电池组控制仪的电路原理图。

附图3为本实用新型的变电站蓄电池组控制仪的充电控制逻辑图。

附图4为本实用新型的变电站蓄电池组控制仪的放电试验控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：变电站中设置的蓄电池组由n节单体蓄电池串联构成，其中n通常为大于或等于2的正整数，在蓄电池组中，按照由正极到负极的方向，对各节单体蓄电池进行编号，形成第1节单体蓄电池、第2节单体蓄电池、…、第n节单体蓄电池。对该蓄电池组需要进行的操作通常包括对其充电、利用其作为直流电源而对外供电、对其进行放电试验等。

一种与变电站中的蓄电池组相连接以控制其的变电站蓄电池组控制仪，主要包括电源变换模块、可控模块、采样单元、控制单元和直流供电回路。

电源变换单元用于将交流电转换为直流电并输出，它具有输出正极和输出负极，且其输出正极连接了第一导线，输出负极连接了第二导线。电源变换单元包括与交流电源AC/DC变换器、AC/DC变换器相连接的DC/DC变换器。通过AC/DC变换器可以将交流电转换为直流电，并通过DC/DC变换器对直流电做进一步变换。在本实施例中，为了在同一控制仪中实现蓄电池组的两种充电方法，故将DC/DC变换器设置为以下架构：DC/DC变换器包括与AC/DC变换器相连接并具有输出正极和输出负极的第一直流变换器DC/DC1、与第一直流变换器DC/DC1的输出正极相连接并控制第一直流变换器DC/DC1开断的总控元件K1、与第一直流变换器DC/DC1的输出正极相连接的分控元件K2、正极入口与分控元件K2相连接而负极入口与第一直流变换器DC/DC1的输出负极相连接的第二直流变换器DC/DC2。第二直流变换器DC/DC2的两个输出端构成了电源变换单元的输出正极和输出负极。蓄电池组的正极与总控元件K1相连接，蓄电池组的负极与第一直流变换器DC/DC1的输出负极相连接。控制单元分别与总控元件和分控元件相连接。第二直流变换器的输出分别连接第一导线和第二导线。总控元件、分控元件均采用可控硅元件并与控制单元相连接。

可控模块用于连接电源变换模块中的第二直流变换器DC/DC2与蓄电池组。可控模块包括n+1组子模块，各组子模块分别与蓄电池组中第1节单体蓄电池的正极、第n节单体蓄电池的负极、任意两节单体蓄电池的串接点相连接。每组子模块包括连接于第一导线和单体蓄电池之间并由控制单元控制的输入控件、连接于单体蓄电池与第二导线之间并由控制单元控制的输出控件。各输入控件和各输出控件均采用可控硅元件。在附图2中，各可控硅元件一次编号为1、2、3、4、…、2n+1、2n+2。作为输入控件的可控硅元件，即编号为奇数的可控硅元件，其正极与第一导线相连接、负极与其对应的单体蓄电池相连接；而作为输出控件的可控硅元件，即编号为偶数的可控硅元件，其正极与其对应的单体蓄电池相连接、负极与第二导线相连接。第一导线上设置有防反送电的二极管，该二极管的正极与第二直流变换器DC/DC2的输出正极相连接，而负极则用于连接可控模块，即可控模块中的各输入控件的负极。通过该二极管，可以防止DC/DC1和DC/DC2切换瞬间出现DC/DC1对DC/DC2瞬时反送电。

直流供电回路与蓄电池组相连接，其包括输出直流变换器DC/DC，该输出直流变换器DC/DC的输入分别与蓄电池组的正负极相连接，其输出端能够输出直流电给用电设备等。

采样单元ADC与蓄电池组相连接，通过该采样单元ADC可以对蓄电池组以及各单体蓄电池分别进行电压采样。控制单元采用DSP芯片TMS320F28335，其与采样单元相连接，从而采样所得的各电压信号被送入控制单元DSP芯片中进行处理，且控制单元DSP芯片依据对电压信号的处理结果产生各种控制信号。控制单元分别与蓄电池组、电源变换模块、可控模块、直流供电回路相连接。

此外，变电站蓄电池组控制仪还包括放电试验回路和故障应急回路。

放电试验回路经可控模块而与蓄电池组相连接，其连接于第一导线和第二导线之间，而控制单元与放电试验回路相连接并控制放电试验回路的通断。具体的，放电试验回路包括相串联的电阻R和与控制单元相连接以控制放电试验回路通断的放电控制元件，放电控制元件为可控硅。通过该放电试验回路配合可控模块和控制单元，可以对蓄电池组进行放电试验。

故障应急回路连接于第一导线和第二导线之间，在蓄电池组供电过程中故障应急回路能够配合可控模块短路任意一节或几节单体蓄电池。故障应急回路包括相串联的两个可控硅a、b。可控硅a、b的正极与第二导线相连接，负极与第一导线相连接。为了防止蓄电池组供电过程中发生单体蓄电池严重故障导致的蓄电池组回路断开的情况，回路中增设了上述故障应急回路，通过两个可控硅串联的方式保证不会误导通。当发生紧急情况时，可以通过导通编号为1、4的可控硅元件以及a、b可控硅元件短接该蓄电池，从而继续为整个系统供电。

上述变电站蓄电池组控制仪采用的控制方法，包括对各节单体蓄电池逐节充电的补充电控制方法和放电试验控制方法两个主要部分。

如附图3所示，补充电控制方法为：对蓄电池组的电压进行监视，当蓄电池组的电压达到设定的充电电压（上下偏差不超过0.1V）、蓄电池的充电电流小于设定的电流设定值且蓄电池组未执行放电程序，则开始对蓄电池组充电。开启电源变换模块，控制单元按设定的顺序对各节单体蓄电池逐节进行充电。对任意一节单体蓄电池充电时，控制单元控制该节单体蓄电池两端所连接的输入控件和输出控件接通，使该节单体蓄电池与电源变换模块相接通而进行充电。例如，对于第1节单体蓄电池，若控制单元使编号为1的输入控件和编号为4的输出控件接通时，即可对该第1节单体蓄电池进行充电。当该节单体蓄电池的电压达到其浮充电压时，转到对下一节单体蓄电池进行充电，直至全部单体蓄电池均充电完毕。在补充电控制方法中，若交流电失电，则中断充电过程。上述补充电控制方法采用小电流恒流控制的方式，一般应用于对蓄电池组的整组充电结束后，单独对其中的单体蓄电池进行补充充电，因此第二直流变换器也可称之为单体补充电模块。

上述过程中，控制仪系统结束当前单体蓄电池充电的条件为：1、单体蓄电池电压过低而认为此单体蓄电池损坏，则直接跳过该单体蓄电池；2、当前单体蓄电池电压达到浮充电压。控制仪系统退出蓄电池组补充电程序的条件为：1、交流电源失电；2、最后一块单体蓄电池补充电完成。

当总控元件K1和分控元件K2接通时，上述控制仪可以对蓄电池组进行逐节充电。而当分控元件K2断开时，则可以对蓄电池组进行传统的整组充电。

第二直流变换器，即单体补充电模块自身故障判别逻辑包括：1、充电电流高次谐波比重超过限制；2、充电电流值误差超过允许值；如有此类故障出现，则闭锁单体充电模块，并发出告警信号。

如附图4所示，放电试验控制方法为：当需要对蓄电池组进行放电试验时，闭锁电源变换模块，控制单元按设定的顺序对各节单体蓄电池逐节进行放电试验，对任意一节单体蓄电池进行放电试验时，控制单元控制该节单体蓄电池两端所连接的输入控件和输出控件接通，使该节单体蓄电池与放电试验回路相接通。例如，对于第1节单体蓄电池，若控制单元使编号为2的输出控件和编号为3的输入控件接通时，其与放电试验回路相连接，则该第1节单体蓄电池进行放电。当该节单体蓄电池的放电时间达到预设的时间值或的该节单体蓄电池的电压下降到预设的结束电压值时，转到对下一节单体蓄电池进行放电试验，直至全部单体蓄电池均放电试验完毕，从而控制单元基于放电试验过程分析蓄电池组的故障。现有检修模式中，蓄电池组的年度放电工作需要配备专人、专车、专用蓄电池和放电仪器对串联蓄电池组进行整体放电，放电时间长，放电功率高，严重影响工作效率，因此放电仪器通常选择较大的功率电阻。本方案通过增设较小功率电阻，对蓄电池组进行单体逐个浅度（剩余容量不小于70%）放电，成本低，控制方式灵活，可实现自动放电。

当变电站具备两个蓄电池组且都处于正常备用状态，且串联充放电回路处于小电流浮充状态时，才可以对其中一组启动放电试验。放电试验开始时，首先闭锁主充电和单体充电回路，然后对蓄电池进行放电，通过设置放电时间控制放电深度，如果在放电时间内电池电压下降超过故障检测值，则判电池故障，反之，则电池正常，放电结束后按照阶段式快充的方法对蓄电池进行充电。

为了防止在单体放电过程中发生失电，DSP芯片控制程序中设置了中断程序，一旦检测到失电，则立即停止单体放电，并通过另一组蓄电池组提供的电能对该单体蓄电池进行阶段式快充，使其容量快速恢复。

上述控制仪对单体蓄电池补充电通过双向导通晶闸管通断选择受电单体蓄电池，包括以下情况：

a、当1、4导通时，单体蓄电池处于正常充电状态；

b、当可控硅（晶闸管）发生故障产生诸如1、6导通的情况时，会造成多块单体蓄电池同时补充电，可能会发生某块单体蓄电池过充的情况；

c、当故障导致诸如1、2同时导通时，则单体补充电模块发生短路；

d、当充电过程中故障导致诸如2、3同时导通时，则对单体蓄电池进行了反充电；

e、当故障导致可控硅不能导通时，则回路断开；

f、非充电过程中当故障导致诸如1、3，2、3，1、4，2、4，导通时，蓄电池发生了正负极短路。

当情况b发生时，显然串接于充电回路正负端的电压为多块单体蓄电池电压；当c发生时，回路电压应该为两可控硅压降，明显小于单体蓄电池电压，非常容易判别；当情况d发生时，输出回路两端电压为负的电池电压；当情况e发生时，由于采用恒流控制，其电压也将快速升高。因此通过电压能够很好的判别可控硅故障导致的回路错误，采样并检测输出回路电压可以实现对输出回路的保护。为了防止情况f发生，可控硅与蓄电池间串入了熔丝作为短路保护元件。

上述控制仪方案立足变电站蓄电池组充放电实际情况，在蓄电池组的整体充电电压设定上仍然遵循原来的降低设定原则，改进了回路结构与控制逻辑，同时设计了单充电回路、单充电控制逻辑和单充电回路保护逻辑，将整组充电与单充电整合成一个受逻辑控制的整体。采用蓄电池组整组充电与单充电相配合的原理，既能在整组充电中保证有个别蓄电池损坏的情况下不会过充，又能保证蓄电池组能够达到满充状态，对于蓄电池寿命的提升具有积极意义，同时还设计了蓄电池自动放电试验回路、蓄电池放电紧急状态下的应急回路。

上述方案的有益效果在于：

（1）克服了只注重充放电过程中单体蓄电池之间电量均衡的现状，结合了现场实际，不但能够实现均衡充电而且可以额外提供电能。同时只有一套控制单元，不同于多控制单元的并联充电等其他方式，可以降低故障率，使用了故障率低的可控硅元件作为控制主体，而且大量增加的可控硅元件并不会长时间频繁工作，从而使故障率进一步降低；

（2）结合了现场实际，将整组充电与单充相结合实现，在成功规避整组蓄电池中单体故障导致过充的同时实现了对蓄电池组中每一个蓄电池的满充电，并且保留整组充电，保证了大电流快速充电。从而提高了蓄电池的运行维护水平。同时回路中增加了蓄电池组放电过程中单体损坏情况下的应急控制回路，提高了蓄电池组作为UPS电源的供电可靠性；

（3）充分考虑了新设计回路在出现各种故障情况下的现象，并通过控制单元设计了保护逻辑，实现了整个系统的可靠运行，实用性强。同时增加了放电实验逻辑控制单元，并考虑了紧急状态下放电实验的退出方式，较大程度上替代人工放电实验，提高了自动化运行水平和免维护水平，节省了人力资源成本。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变电站蓄电池组控制仪，与变电站中由n节单体蓄电池串联构成的蓄电池组相连接而控制所述蓄电池组，其特征在于：所述变电站蓄电池组控制仪包括将交流电转换为直流电并输出的电源变换模块、连接所述电源变换模块与所述蓄电池组的可控模块、与所述蓄电池组相连接并用于对所述蓄电池组以及各所述单体蓄电池进行电压采样的采样单元、与所述采样单元相连接的控制单元、与所述蓄电池组相连接的直流供电回路、经所述可控模块而与所述蓄电池组相连接的放电试验回路，所述控制单元分别与所述蓄电池组、所述电源变换模块、所述可控模块、所述直流供电回路、所述放电试验回路相连接；所述电源变换模块具有连接第一导线的输出正极和连接第二导线的输出负极；

所述可控模块包括n+1组子模块，各组所述子模块分别与所述蓄电池组中第1节所述单体蓄电池的正极、第n节所述单体蓄电池的负极、任意两节所述单体蓄电池的串接点相连接；每组所述子模块包括连接于所述第一导线和所述单体蓄电池之间并由所述控制单元控制的输入控件、连接于所述单体蓄电池与所述第二导线之间并由所述控制单元控制的输出控件；

所述直流供电回路与所述蓄电池组的正负极相连接；

所述放电试验回路连接于所述第一导线和所述第二导线之间，所述控制单元与所述放电试验回路相连接并控制所述放电试验回路的通断。

2.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：各所述输入控件和各所述输出控件均采用可控硅元件。

3.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述放电试验回路包括相串联的电阻和与所述控制单元相连接以控制所述放电试验回路通断的放电控制元件。

4.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述电源变换模块包括与交流电源相连接的AC/DC变换器、与所述AC/DC变换器相连接的DC/DC变换器。

5.根据权利要求4所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述DC/DC变换器包括与所述AC/DC变换器相连接并具有输出正极和输出负极的第一直流变换器、与所述第一直流变换器的输出正极相连接并控制所述第一直流变换器开断的总控元件、与所述第一直流变换器的输出正极相连接的分控元件、正极入口与所述分控元件相连接而负极入口与所述第一直流变换器的输出负极相连接的第二直流变换器，所述蓄电池组的正极与所述总控元件相连接，所述蓄电池组的负极与所述第一直流变换器的输出负极相连接，所述控制单元分别与所述总控元件和所述分控元件相连接，所述第二直流变换器的输出分别连接所述第一导线和所述第二导线。

6.根据权利要求5所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述总控元件、所述分控元件均采用可控硅元件。

7.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述第一导线上设置有防反送电的二极管。

8.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述变电站蓄电池组控制仪还包括连接于所述第一导线和所述第二导线之间的能够在所述蓄电池组供电过程中配合所述可控模块短路任意一节或几节所述单体蓄电池的故障应急回路。

9.根据权利要求8所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述故障应急回路包括相串联的两个可控硅。

10.根据权利要求1所述的变电站蓄电池组控制仪，其特征在于：所述直流供电回路包括输出直流变换器。