摘 要 本文分析了直流系统蓄电池运行、维护现状，提出了一种新型蓄电池动态均衡技术，设计了蓄电池不同运行状态下的均衡控制策略，并通过应用实例证明其具有良好的工程实用性。
关键词 直流电源；蓄电池；一致性；动态均衡；
0引言
直流系统在变电站中为自动化控制、继电保护、信号、事故照明及开关操作等提供直流用电，直流系统的可靠与否对变电站的安全运行起着至关重要的作用，是变电站安全运行的保证［1］。蓄电池组作为直流系统的关键和核心，一般由多只单体电池串联而成，任何一只一旦出现问题，将造成保护失效、断路器拒动，整个变电站处于无安全防护的瘫痪状态，后果不堪设想。
因此，研究蓄电池动态均衡技术，保持蓄电池组中各单体电池电压一致性，使每只电池都处于最佳运行状态，有效延长其使用寿命，对保证电力系统运行安全具有重要意义。
1蓄电池一致性差的原因分析
蓄电池的不一致性是指同一型号规格的电池电压、内阻、容量等参数存在差异，产生的原因主要有两个方面：一是在制造过程中，由于工艺和材料均匀性问题，使得同批次出厂的同型号电池容量、内阻等不完全一致，二是电池在使用过程中，各个电池单体初始容量、自放电及使用环境等方面的差异，增加了电池的不一致性。
因为串联型电池组中给每节电池提供的充放电电流是完全一致的，而实际每只蓄电池会因生产线制造工艺精度或配组控制精度问题产生很细微的差异,导致每只蓄电池实际参数也不可能完全一致，如自放电率、容量、内阻等性能，这些细微的差异随着时间的积累就能达到相当的水平，串联型蓄电池组的容量遵循木桶效应原理，性能最弱的电池决定了整组电池的性能,只有让蓄电池组中的每只电池都工作在最佳工作状态，蓄电池组才能发挥最佳性能。
电池的不一致性，会使电池组容量低的电池更容易过充和过放电，容量减少，而且随着时间的推移，将进一步加深蓄电池参数的不一致性，正是这种恶性循环极大地缩短了蓄电池组的使用寿命。
2新型蓄电池均衡技术原理及控制策略
2.1蓄电池均衡技术原理
本文采用低充高放控制原理，实现串联蓄电池组在线动态均衡。低充高放均衡原理见图1：
图1 低充高放控制原理图
均衡充放电单元主要包括DC/DC变换器和放电电阻，由多路转换开关K1～Kn连接蓄电池组各单体电池。正常运行时，电池组充电电流主要还是靠直流系统充电机提供浮充电流，同时在线监测各单体电池电压，如果发现某只电池电压低于蓄电池组平均电压只差超过定值，立即对其进行电压均衡，电压偏低的欠充单体电池接通对应开关利用DC/DC变换器进行补充电，电压偏高的过充电池接通对应开关经由放电电阻对器进行放电旁路分流，以实现单体电池电压均衡。在均衡过程中，始终挑选电压偏差最多的电池进行操作，以此类推，最终实现整个电池组的均衡。
2.2均衡控制策略
针对蓄电池不同的运行状态，均衡管理分为三种：浮充策略、均充策略和放电策略。
a.浮充策略：
均衡管理以模块为单位，每个模块管理多只电池，此策略中是优先充电为主，首先找出此模块中最高电池电压和最低的电池电压，然后计算出最高电压和最低电压与系统中单体电池平均电压之间的差值的绝对值，如果高出部分与低出部分相当的情况下是优先充电的，因为蓄电池组是以整组进行浮充，当电压较低的电池因充电而电压升高后，那么对于过充而电压高的电池自然就会下降，因为总电压是一定的，再者对欠充电池充电对电池本身是有百利而无一害的，如果出现电池电压高出部分较低出部分明显较大情况下，就会启动对电压高的电池进行放电电阻分流的方式来平衡浮充电流，使蓄电池电压因浮充电流的减小而下降，依次循环执行判断，最终使电池组中的单体电压都达到一致,在实际现场应用中已经能达到最高电压与最低电压之间压差在4mV以内，这是一种非常理想的浮充电运行状态。
b.均充策略：
均充策略中是优先放电旁路电流的，只是比浮充策略的放电电流要大，因为此策略是以保护电池、防止过充为主要目的的，因为均充过程中充电电流是较大，一般在10A以上，所以当容量小一些的电池已经充满时再去防止过充一般效果就很差了，因为电流较大难以控制，所以必须是旁路平衡电路提前介入，较早参与到保护电池的序列，将大大延长此策略保护电池工作时间，平衡更多的能量，有效的防止了电池过充，并且此策略也不会对电池导致任何伤害，因为旁路的平衡电流全部来源于充电机，只是提前就有效减小了将要过充电池充电电流，此电池将得到较少的充电量，自然也就减少了过充伤害，判断依据是当蓄电池组中单体平均电压达到2.28V以上的时候均充策略自动启动，此时找出此模块中最高电池电压和最低的电池电压，然后计算出最高电压和最低电压与系统中单体电池平均电压之间的差值的绝对值，如果高出部分大于低出部分四分之一的情况下，就开始启动对电压高的电池进行平衡电阻分流均充电流，否则将对电压较低的电池进行充电，这与浮充策略大致是相同的，但是提高了平衡电路电流，并且大大提早了平衡控制电路工作的开始工作点，对于电池过充保护来说是非常必要的。
c.放电策略：
放电过程中默认是关闭的，以免影响蓄电池核对性放电试验的准确性。
3工程应用
2020年3月，运用该技术在110kVXX变电站直流电源进行技术升级改造。该站直流电源系统是单母线分段接线，两组蓄电池，需配置一台监控装置和两套均衡内阻采集模块。均衡前蓄电池组最大单体电池压差79mV，超过50 mV的电力标准规定［2］，均衡后最大单体电池压差3mV，远小于标准规定（均衡前后对比见下图），有效防止电池过充欠充、延长蓄电池的使用寿命，使蓄电池组中每节电池都工作在最佳运行状态。
4结论
目前变电站直流系统蓄电池的运行维护技术还相对落后、单一，处于一种只检测不维护状态，无法满足状态检修维护的要求。本文提出了一种变电站直流系统蓄电池在线维护技术方案，给出了该方案的技术原理，阐述了方案的组成设计，并进行了实地应用。从现场情况来看，该方案实现了蓄电池组的在线电压巡检、内阻测试和动态均衡，使电池处于最佳工作状态，保证了蓄电池的一致性，并能及时预警电池的隐性缺陷。建议今后在直流系统设计阶段即考虑配置蓄电池均衡维护装置，对实测数据自动分析，自动预警，积累运行经验后，可逐步延长蓄电池核对性容量试验周期，达到有效延长蓄电池组使用寿命，节约蓄电池定期维护和容量试验成本之目的。
参考文献
［1］ 田羽,何仲,范春菊. 变电站蓄电池容量计算和算法改进[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):210．
［2］ 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T724-2000电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程[S]. 北京:中国电力出版社 ,2001.
作者简介：
徐峰：（1973-），男，安徽宿州人，高级工程师，长期从事变电运行技术管理工作，E-mail:s53915769@163.com；