采用电池组并联供电的直流系统方案
摘要 直流系统是发电厂、变电站的能源中心，为操作机构和自动化装置提供能量。若直流系统出现故障，则后果相当严重。本文结合笔者所在公司研制生产的并联型直流屏，着重比较了采用电池组并联供电的并联型直流屏与采用电池组串联供电的传统直流屏的优缺点，说明了采用电池组并联供电的直流系统方案在电池组使用寿命、维护、运行可靠性等方面具有相当的优越性。 关键词 电池组 并联 直流屏
0 引言
目前，发电厂、变电站的直流系统均采用传统的直流屏，它由充电装置、蓄电池组和馈电回路三部分组成，系统框图如图1所示。其电池组是串联起来对外供电的，比如220V直流系统，就必须由18节12V的电池组或108节的单体电池串联起来。由这么多节电池串联起来的电池组，很容易出现各电池不均衡的问题，进而导致有的电池长期过充电有的电池则长期过放电，严重降低电池的使用寿命，一旦其中一节电池出现故障，为了保证整个电池组的一致性，必须整组电池换掉，造成了不必要的浪费。目前解决此问题的方法是由工作人员定期的对每节电池进行深度放电，再对整个电池组进行均充。整个过程大概需要2天时间，大大加大了维护成本。即便如此，该方法仍然不能完全解决电池使用寿命的问题。
基于以上问题，笔者所在公司研制了一种电池组并联的供电方案，它主要由N个变流装置和电池组并联组成，系统框图如图2所示。每个变流装置配备2节12V的电池组，变流装置实现以下功能：
（1）、当有交流输入时，变流装置把220VAC的交流电转换成稳定的
220VDC直流电，同时对电池组进行充电。（2）、当交流失电时，变流装置把24VDC的电池电压转换成220VDC的直流电。（3）、变流装置定期对电池进行自动放电维护，无需人工干预。每个变流装置的输出通过均流控制器处理完后接在一起，实现并联输出，以满足大功率场合的需要。该方案实现了由24V电池组并联供电，减少电池串联节数，下面重点阐述该方案的各方面优越性。
1 电池寿命
目前传统的直流屏上采用的电池组绝大部分是免维护的阀控式铅酸蓄电池（VRLA电池），为了比较电池组并联供电和串联供电对电池寿命的影响，首先我们必须了解阀控式铅酸蓄电池的工作原理。
1.1 VRLA电池的工作原理
单体的VRLA电池的基本部件有正极板、负极板、硫酸电解液、隔板、电池槽盖、极柱等。VRLA电池的正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状金属铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4），其基本反应原理可表示为
：
从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70％时，开始析出氧气，负极充电到90％时开始析出氢气，由于氢氧
气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干涸；对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因；而VRLA电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。VRLA
电池氧循环图示如下：
可以看出，在VRLA电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应,由硫酸铅反应成海绵状铅。
1.2 VRLA电池主要参数
1.2.1 电池的容量
处于完全充电状态的铅酸蓄电池在一定放电条件下，放电到规定的终止电压时所能给出的电量成为电池容量，常用单位为安培小时（AH），电池容量分为理论容量、实际容量。理论容量是指根据活性物质的质量按照法拉第定律计算而得的最高容量。实际容量是指电池在一定放电条件下所能输出的电量。由于组成电池时，除电池的主反应外，还有副反应发生，加之其他种种原因，活性物质利用率不可能外100%，因此远低于理论容量。电池的实际容量主要与电池正、负
极活性物质的数量及利用率有关。活性物质利用率主要受放点制度、电机结构、制造工艺影响。
1.2.2 电池内阻
电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断变化。VRLA电池的内阻很小，但在大电流放电情况下，电池的电压降损失可达数百毫伏。 电池的内阻有欧姆内阻和极化内阻两部分。欧姆内阻主要由电极材料、隔板、电解液、接线柱等构成，也与电池尺寸、结构及装配因素有关。极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起的，是电池充放电过程中两电极进行化学反应时极化产生的内阻。极化内阻与电池制造工艺、电极结构及活性物质的活性有关。
1.2.3 电池电动势 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4）留在正极板上，故正极板上缺少电子。 负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。 可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。电动势大小取决于电解液中的离子数和在电极上的自由电荷，而这些又与制成极板的活性物
质的化学成分和电解液的浓度和温度有关，电动势与极板的现状、大小及电解液的数量无关。充电后的铅酸电池的电动势一般为2.1 V。 电动势是电池在理论上输出能量大小的量度之一。如果其他条件相同，电动势愈高的电池，理论上能输出的能量就愈大，使用价值就愈高
1.3 多节电池串联对电池组性能的影响
1.3.1 对充电的影响
传统的220V直流屏系统，采用18节12V的电池串联。由于串联节数过多，必须要求各节电池的性能参数一致，才能保证充电的均衡性。然而，从章节1.2可以知道，电池的容量、内阻、电动势等主要参数均与电池的原材料（活性物质及电解液）的性能、电池结构、电池尺寸、制造工艺有密切的关系，即使是同厂家同批次的电池要保证18节电池完全一致也是很难实现的。这样就造成各个电池在出厂时，本身的容量、内阻、电动势就存在一定的差异。另外，直流屏厂家在将各节电池串联起来的时候，也是没办法保证各电池间连接线的电阻完全一致。
直流屏所用的充电机都是在理想状态下设计均充电压和浮充电压的，所谓的理想状态即认为每节电池的均充电压和浮充电压都是相等的。假设每节浮充电压定为13.5V，则充电机设计的浮充电压即为18*13.5=243V。这样做忽视了上面所提到的各电池的性能差异，会导致各节电池实际浮充电压各不相同，有的电池可能是14V，处于过充电状态；有的电池可能是13V，处于没充饱状态。这对长期处于浮充
电状态下的直流屏电池，是非常不利的。从VRLA电池的氧循环示意图可以看出，浮充电压过高，过冲电流大，氧气析出多，使气体再复合效率低，会造成明显的失水现象。通常认为失水是影响VRLA电池寿命的主要原因之一，一般失水20%，电池的寿命也就终止了。浮充电压过低，虽然氧气析出少，气体复合率高，但电池因长期充电不足会造成电池负极板上的PbSO4不能及时还原成海绵状的Pb，而使PbSO4重结晶，生成不可逆的PbSO4，这个过程称为负极硫酸盐化。而负极的硫酸盐化是VRLA电池失效的另一个重要原因。
1.3.2 对放电的影响
直流屏电池的放电终止电压也是在理想状态下设计，即认为每节电池的放电终止电压为10.8V，这样18节电池的放电终止电压即为18*10.6=190.8V。但由于各节电池的容量、内阻、接线电阻差异，各节电池的实际终止电压并不相等，有的可能是10.5V，有的可能是11V。这样就造成有的电池会过放电，而有的电池电量却没有充分利用。经常过度放电的电池易造成负极的硫酸盐化，大大缩短电池寿命。在多节串联的电池组中，过度放电过的电池在下次充电过程中，实际浮充电电压会偏低，而电池电量没有放光的电池的实际浮充电压又会偏高，这就导致了电池组在多次充放电循环中形成恶性循环：没充饱的电池也容易过放电，过放电的电池越充不饱；电量没放光的电池容易过充电，而过充电的电池容量更不能充分利用。在这种恶性循环下，电池寿命是急剧缩短的。
1.4电池并联供电的好处
研究和实践表明串联的蓄电池组的寿命远远不及单体电池的寿命，所以最好的延长电池寿命的方法应该是每个单体电池都配备一个独立的电池充放电管理单元，但是这样会大大增加成本，而且由于单体电池的电压太低，在输出同等功率情况下，单体电池的放电电流比电池组的要大得多，降低了放电效率。我们经过综合考虑，最终我们选择用2节12V的电池串联成电池组后再对外供电。由于只有2节12V的电池相对于直流屏18节电池来说，同一组电池出厂的一致性得到了明显的改善。从图2可以看出，每个电池组都配有一个独立的充放电管理模块，可以很好的保证每节电池的浮充电压和放电终止电压的一致性。有效的抑制了VRLA电池的失水和负极的硫酸盐化，在很大程度上减缓了电池的失效。
2 运行维护
为了保证蓄电池组在工作中保持一致性，传统直流屏的蓄电池组必须由专业的维护人员携带专业设备定期的进行深度放电，然后再对整组电池进行均衡充电。在正常情况下，这需要2天左右的实间才能完成。而现在工作人员经常遇到异常情况：在进行深度放电时，电池组提前终止放电，未能达到深度放电，主要原因是由于个别电池的电压偏低，在整组放电时，整组电池电压很快就低于欠压点，直流屏的电池监测装置对电池组进行了欠压保护。这就导致有大部分电池未能深度放电，需要单独对每节电池进行深度放电。在这种情况下，维护时间就远远不止2天，极大的增加了维护费用。
针对以上问题，我们在变流装置里设计了一个电池放电维护的模
块，该模块根据电池的特性定期的对电池进行自动放电维护，无需人工参与，大大节约了维护的费用。
即使有一组电池出现故障，也只需换掉那一组的2个电池，而不需要像直流屏那样换掉所有的18节电池，这在很大程度上抑制了资源的浪费。
3 可靠性
由于采用并联供电，在电池或变流装置出现故障的时候，其他组电池和变流装置仍然能正常工作，保证直流输出的连续性；而直流屏一旦有个电池坏掉了，整个直流母线的电压就会出现异常，甚至无输出，这将导致整个变电站的直流系统异常，造成其他更严重故障。 4 总结
通过以上各方面的比较，我们公司研制的并联型直流屏，在电池寿命、运行维护、可靠性方面具有明显的优越性，但是由于电池能量是通过电子电路转换输出的，输出功率不可能有传统直流屏那么大，虽然可以通过并联多个模块来增大功率，但是综合成本、体积等因素，并联模块数量不会太多，并联数量在10个以下比较合适。我们已经生产了3台样机分别在3个开闭所内试运行，至今已经连续运行了6个多月，运行情况良好。我们今后要做的是，研制出较大功率单个模块，并核算出变电站的实际直流负荷，尽快将我们的产品应用到变电站的场合。