直流储能电源系统电池组并联方法研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 16 日 作者简介：赵晶晶（1987），女，河北保定人，研究方向为电源领域产品设计与检测。-171-直流储能电源系统电池组并联方法研究 赵晶晶 宇能电气有限公司,河北 保定 071000 摘要：摘要：通过对传统串联电池组直流储能电源系统缺点的分析，提出了直流储能电源系统的并联方案及其优势。但是，受生产制造等因素的影响，单体电池的性能存在一定的差异性。并联电池组在充放电过程中会产生相应的环流现象，影响并联电池组的寿命。同时，还造成一定的能量损失。为此，提出将 12V 蓄电池组进行并联的方法，克服传统串联方法的不足。同时，提出预充电阻方法、串联二极管方法和串联 DC-DC 方法去解决并联电池组的环流问题。关键词：关键词：直流储能电源；电池并联；环流问题 中图分类号：中图分类号：V242.2 直流电源系统是变电站运行过程中不可或缺的一部分，能够在设备发生故障时快速给变电站电气设备提供动作电源，特别是在智能测控、保护装置和计量设备中。将单个 12V 蓄电池以并联方式连接在一块可以得到电压为 110V 或者 120V 的直流电源，满足不同负载对供电电压的需求。但是，受并联电源系统架构因素的影响，供电系统中的过载电流或者短路电流都要由并联电源系统提供，受现有电池技术的限制，单个并联直流电源系统能够输出的最大电流为eI8。另外，在大型电力系统中，直流电源系统的线路阻抗高，额定工作电流大，很难为系统提供较大的短路电流。为此，本文就直流储能电源电池组的并联方法进行探究，寻找相应的解决方案。1 传统直流储能电源系统电池串联的缺陷 一般情况下，直流储能电源系统包括了充电装置、蓄电池组、电池巡检和馈线四个模块。对于 220V 直流供电系统，需要串联 108 个单体电池或者 18 节 12V 电池。串联系统在使用过程中存在如下几个方面的问题：（1）电池充放电不均衡 对于直流储能电池，每个电池的容量不同，即便是同一个厂家同一个批次和规格电池的容量也呈现出一定的差异。充电时按照电阻组的电压平均值进行控制，对于容量较小的电池会先充满电，容量大的则需要继续充电。长期这样下去就必然存在电池欠充或者过充的问题，降低直流电池的寿命。（2）电池单体一致性差 串联电池组中一个单体电池出现故障或者问题，很难找到跟其完全相同的电池，致使整个电池组无法正常运转。一方面，会降低电池组的互换性，给采购和维修人员带来较大的难度。另一方面，会增加电池组的运行成本，带来资源的浪费。（3）在线核容和更换无法实现 直流储能电源系统中的电池组巡检装置只能够完成对单个电池端电压的在线监测，整个电池组的电压监测只能够通过离线监测。离线监测所需要花费的时间、人力和精力较大，给电池组容量的核算带来了较大的困难。总之，串联电池组在电力系统应用中还存在很多问题，影响了其应用范围。2 直流储能电源系统电池组并联供电系统 对于大容量电池系统，常将多个单体电池并联。但是随着并联电池数量的增加，其运行稳定性不断下降。再加上电池储能系统中使用的器件并非理想元器件，呈现出非常复杂的阻抗关系。与电网连接后，还会产生一定的耦合，导致系统中出现持续谐振。如果设置的控制策略不能够抑制谐振问题，输出电流中会产生较多的谐波含量，无法满足并网要求。并联供电系统是采用并联方法将N个电源模块连接成一个整体，每个电源模块都配置了相应的 12V 蓄电池组。当配电网正常运行状态下，直流系统直接由 220VDC 供电，并且完成对电池组的充电。一旦配电网运行出现故障，交流电供应异常，系统中的直流电源模块会将存储的中国科技期刊数据库 工业 A-172-电压通过 DC/DC 升压模块直接转换成配电网所需要的220VDC 直流电，确保整个配电网系统的正常运行。电源模块可完成对系统中 12V 电池模块充放电的自动管理和在线核容，无需人工干涉。所有电源模块输出的电流都要通过均流控制器，对电流信号进行处理后并联输出，达到系统对输出电流功率大小的要求。另外，系统运行过程中任何一个电池模块出现故障，可独立退出进行更换，不会影响系统中的其它模块，满足电池在线更换的要求。用户还可通过 RS485 接口连接的触摸屏完成对电池充放电相关参数的调整和控制命令的下发。另外，并联电池组拓扑结构复杂，各并联模块之间存在一定的环流均流问题，降低并联电池组运行的稳定性。跟传统串联方法相比，并联系统具有如下几个方面的优势：（1）提高电池的使用寿命 通过对变电站运行数据的分析，串联方法得到的蓄电池组的寿命低于单体电池的寿命。要想提高串联电池组的寿命，需要为每个单体电池配备独立的充放电管理单元，不可避免的会增加其运行和维护成本。而并联电池组选择 12V 蓄电池，将充放电管理集成在单体电池中，有效确保了并联后单体电池充放电的一致性，降低了传统铅酸电池失水和硫酸盐化的弊端，解决了电池性能丧失的弊端。（2）提高了电池运营经济性 传统串联电池组为了确保其一致性，需要由专人对电池进行充电和放电。但是，由于电池组中电池的差异性，即便是专人利用专业设备进行充放电，也会出现充放电深度不够的情况，导致电池组的维护成本较高。采用并联的电池组，可利用专门的软件对其充放电量进行运算，从而获取当前电池的真实容量。一旦发现单个电池出现过压或者欠压的情况，系统会自动对齐进行充电或者发电操作，并且将相关信息传送到上位机，达到对电池充放电的智能化和无人化管理，降低其运行维护成本。当某一节电池出现运行故障，用户只需要更换该节电池，其它电池仍可正常使用，提高了电池资源的利用率，降低运维成本。（3）提高电池运行可靠性 并联电池组能够实现单体电池的在线更换，有效确保了电池组输出电流的连续性。但是，传统串联电池组只能够离线更换，无法保证供电的持续性，甚至出现无法输出的情况。3 并联电池组的设计 电池组并联系统中的电源模块包括了 AC/DC 充电模块、DC/DC 升压模块和通信部分，设计过程中可采用移相控制全桥零电压开关 PWM 变换器，其中输入 DC 为1014.5V，输出 DC 为 220V/110V，2A/4A，最大功率是 1100W。为了提高其寿命，必须对其充放电进行严格管理，将其分成恒流均充、恒压限流均充、恒压恒流均充和恒压浮充四个阶段。为了避免线路中产生涌浪现象给电池组运行造成损坏，在 DC/DC 升压电路和直流输出端中间增加了防冲击储能电路；同时，增加一个通信接口，实现对直流电池组运行参数的实时监控和充/放电自动控制，系统中任何一个电池组出现故障都不会影响系统中其它电池组的运营。另外，采用并联方法进行连接，电池组可按间隔就地布置，有效确保了直流电源供电系统运行的可靠性，降低了系统中电缆使用量，提高了变电站的设计性。整个变电站系统中无需再设置相同数量的备用电池组，极大的降低了变电站建设投资。一般情况下，电池组采用浮充方式。在浮充一段时间后，还要进行定时均充，从而确保电池容量的充足性，每个季度还要对电池容量进行核定。放电阶段则要设置相应的电池欠压保护，不同放电电流的保护电压点不同。当电池放电电流低于 0.2A 时，其保护电压点为 10.7V；当放电电流处于 0.20.35V 时，其保护电压点为 10.3V；当放电电流处于 0.350.5V 时，其保护电压点为 10.1V；当放电电流处于 0.5V 时，其保护电压点为 10.0V。但是，受生产制造等因素的影响，单体电池的性能存在一定的差异性。并联电池组在充放电过程中会产生相应的环流现象，使得电池能量被白白浪费。同时，也会影响并联电池组的寿命。4 并联电池组环流解决方法 电池组并联能够得到较大的容量和较高的电压等级，但是多个性能参数不同的单体电池并联后，电池组在充放电时不可避免的会产生偏流和环流，影响并联电池组的放电深度，降低其使用寿命。同时，也会给其它元器件造成冲击。为此，提出如下几个解决方中国科技期刊数据库 工业 A-173-法：（1）预充电阻方法 通过对并联电池组中环流现象的分析，其产生的主要原因是单体电池的电压不相等，从而导致电压较高单体电池先对电压较低电池进行充电，产生电池组自建的环流问题。为此，提出利用电阻和接触器构成预充回路，在电池组放电之前将电池组中的单体电池回路闭合，这样在放电之前电压较高电池会先给电压较低电池充电，直到电池组中所有电池电压相同，电路中不会再产生任何环流现象。当系统检测到预充时间达到系统设置值或者预充回路中不存在电流时，系统会自动断开电池组中的所有预充回路，并且将支路中的主正接触器和主回路上的主接触器闭合，此时并联电池组开始对外放电。该方法在电池组上电开始利用预充回路完成对 N个电池电压参数的调节。预充回路中电阻的增加，避免了电池中电流参数过大的问题。但是，预充电阻方法只能够确保上电阶段各并联电池之间不出现环流问题。随着电池不断放电，电池组中各个电池的内阻和电压随之变化，电池组中的环流问题依然存在。再加上预充电阻的设置消耗了系统中的部分能量，浪费能量的大小跟预充时间成正比，预充时间越长，浪费电能越多。方案中需要加入一定数量的元器件，会增加系统的占用空间和建设成本。（2）串联二极管方法 通过上面的分析可以看出，预充电阻虽然能够解决初始阶段的环流问题，但是随着充放电的进行，该问题依然存在，无法得到彻底解决。为此，提出增加二极管的方法，将二极管串联在并联电池组系统中。每个并联的电池前面都增加两个二极管，其中一个是充电，一个是放电，前者阳极并联在充电主正母线上；后者的阴极并联在电池组主正母线上。众所周知，二级管具有单向导通性，即便电池在运行过程中出现电压不一致现象，也会避免环流问题的发生。在并联电池组中放电时，假设其负载恒定，即向外输出的电流参数保持不变。随着电池组放电的进行，各单体电池的端电压和内阻均会发生变化，导致单体电池输出的电流参数发生变化，出现电流分配不均衡问题。因此，串联二极管的方法虽然解决了并联电池组中的环流问题，但是解决不了电流分配不均衡问题。（3）串联 DC-DC 方法 为了确保并联电池组充放电正常，避免环流和电流不均衡问题，提出在系统中串联一个 DC-DC 转换器，具体如下图 1 所示。图 1 串联 DC-DC 方法 从图中可以看出，当并联电池组需要对外供电时，可利用 DC-DC 转换器将单体电池的对外电压调整到一致状态，避免充放电过程中单体电池间的环流问题。同时，DC-DC 转换器的添加使并联在主正负母线上的电压始终相同，有效确保单体电池输出电流平衡。由此得出，串联 DC-DC 环流方法既确保了并联电池组环流现象的发生，又确保了并联电池组输出电流平衡，将电池组的利用率提到了最高。该方法需要在每个电池组中增加一个 DC-DC 模块，其体积和成本直接影响其输出功率大小。当并联电池组需要输入的功率较大时，所需要支出的成本相对较高，电池组体积也较大。总之，不用方法的使用范围不同，设计人员可根据并联电池组的使用环境和要求等不同，综合考虑不同方法的优缺点，选择最适用的一种即可。5 结论 通过对串联直流储能电源的分析，其使用过程中存在电池充放电不均衡、电池单体一致性差 和在线核容和更换无法实现等问题。针对该问题，提出电源并联方法，即每个电源模块都配置了相应的12V 蓄电池组。正常情况下，系统由 220VDC 供电和电池组的充电。一旦出现故障，直流电源模块会将存储的电压通过 DC/DC 升压模块直接转换成配电网所需要的 220VDC 直流电，确保整个配电网系统的正常运行。中国科技期刊数据库 工业 A-174-并联电池组具有提高电池的使用寿命、提高电池运营经济性和运行可靠性的优势。整个模块包括了 AC/DC充电模块、DC/DC 升压模块和通信部分，将其充电分成恒流均充、恒压限流均充、恒压恒流均充和恒压浮充四个阶段。另外，还增加了防冲击储能电路和通信接口，实现对电池组运行参数的实时监控。但是，电池组在充放电时不可避免的会产生偏流和环流，可采用预充电阻方法、串联二极管方法和串联 DC-DC 方法解决。每个方法的优缺点不足，要根据并联电池组的应用环境和要求合理去进行选择。参考文献 1肖琨,顾隽楠,陈息坤.模块化 AC/DC 电源并联及其控制策略研究J.现代建筑电气,2023,14(7):28-35.2朱关峰,赵磊.通信电源系统中并联直流电源技术的应用研究J.通信电源技术,2022,39(18):87-89.3葛艳飞,汪本清,汤海松,等.一种站用直流电源系统的蓄电池组并联方法探讨 J.电力设备管理,2023(14):210-212.4孙元新,梁伦发.并联型直流电源系统在铁路变配电所应用研究J.电气化铁道,2022(002):033.5朱关峰,赵磊.通信电源系统中并联直流电源技术的应用研究J.通信电源技术,2022,39(18):87-89.