电力系统中蓄电池的放电技术

　　1 前言

　　在电力系统变电所和发电厂内，蓄电池是直流操作电源的重要组成部分，其性能好坏，在很大程度上决定直流操作电源的可靠性。合理的使用和维护蓄电池，使其保持在良好的运行状态，是延长蓄电池寿命以提高直流操作电源可靠性的关键。但在目前系统运行中，作为直流操作电源的蓄电池是工作在持续不断的浮充电状态的，其充电器以恒定电压对蓄电池进行持续不断的浮充充电。从而使蓄电池置于只充电不放电的不合理工作状态，造成了蓄电池阳极板钝化，使电池内阻增大，电池的可用容量大大低于其标称容量，导致蓄电池可能提供的实际后备供电能力大大降低。这样在电力系统遇到停电故障时，一些操作的电源就不能得到保障，不能确保发电厂和变电站的安全运行。因此，在蓄电池的使用和维护过程中，为了活化蓄电池和测量蓄电池的容量，必须定期进行核对性放电实验。这样，一套高性能的放电装置对保证蓄电池乃至整个直流系统的安全稳定运行就显得非常重要。

　　2 传统电阻放电

　　蓄电池通过电阻放电是一种应用较早的放电方式，由电阻丝或水电阻构成，在放电试验时，通过开关的通断来人工调整放电电流的大小，将电能转化为热能加以消耗。其结构简单、技术含量低、价格便宜、工作可靠，目前仍在广泛使用。但是其缺点也很明显：(1)由于大量的热量消耗，造成环境温升，影响安全 (火灾隐患和人身安全)和降低了周围设备的绝缘，缩短了周围设备的使用寿命;(2)在放电过程中，随着蓄电池端电压的变化及电阻值随温度的变化，放电电流不能保持恒定，对蓄电池的测量结果造成较大的偏差;(3)电能被消耗，造成了能量的浪费;(4)维护人员的劳动强度大，不适合电站的完全无人值守。

　　3 变压器隔离型相控有源逆变放电

　　3.1 工频隔离，一级功率变换

　　PWM整流逆变电路直接与蓄电池组相连，将蓄电池的直流电压逆变成交流电压，然后再通过工频变压器与电网相连，蓄电池组释放的能量反馈给电网。工频变压器除了起电气隔离的作用外，还将网侧电压降低，以满足PWM整流逆变电路正常工作时的电压条件，即PWM整流变电路交流侧电压的峰值必须小于其直流侧电压。这种方案只有一级电力电子变换，成本比较低，具有控制简单、电能变换效率高等优点。但是需一定功率等级的工频变压器，工频变压器体积大、质量大、不利于安装、不便于移动和携带。而且变压器的变比很大，输入电流等级很高。逆变部分选用逆变电路时，因为输人的低压大电流造成技术上的难以实现，并且硬开关工作时损耗非常大，散热问题难以解决，整体可靠稳定实现较为困难。综合这些因素，这种方案的效率不会因为系统简单而有明显的提高。

　　3.2 工频隔离，两级功率变换

　　同第一种方案相比，该方案增加了一级DC/DC升压变换电路(Boost变换电路)。DC/DC变换电路具有两个作用：一方面进行恒流放电控制;另一方面将蓄电池电压升高，使之满足PWM整流逆变电路正常工作所需的电压条件¨J。在该方案中，工频变压器只起电气隔离作用。这种方案采用两级变换，系统较为复杂，所用电力电子元件较多，但交流侧可以直接接人公共电网，电流畸变很小。这种方案的难点在于低压大电流的DC/DC部分，开关元件的导通损耗较大，对散热设计要求较高。而且仍然存在工频变压器笨重，整体系统体积较大，不便于移动和携带的缺点。

　　3.3 高频隔离。两级功率变换

　　DC/DC变换电路采用高频变压器隔离，一方面将蓄电池电压变换成PWM整流电路所要求的直流电压，另一方面实现蓄电池流放电控制;PWM整流电路直接与电网相连，将蓄电池释放的能量变换成交电回馈给电网，同时还使装置流人电网的电流接近正弦波。同第二种方案相比，由于采用了高频变压器隔离，从而可省去笨重的工频隔离变压器，体积小、重量轻、便于移动和携带。

　　同时，利用DC/DC变换电路控制恒流放电，可以获得优良的放电特性。但主电路分为高频逆变和工频逆变两部分，比较复杂。由于高频隔离DC /AC/DC的功率等级一般较小，所以采用这种拓朴结构的逆变器集中在5kW 以下，而且高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十kHZ或更高，系统的EMC比较难设计。该并网系统很难处理直流分量问题，是2O世纪90年代比较流行的主电路方式。

　　从以上分析讨论可以看出：在隔离型并网系统中，变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能。若在逆变器的交流输出侧采用工频变压器，该变压器体积大、质量重且价格昂贵。并且在输入与输出端之间安装变压器导致的能量损失可达5% ，甚至更高。若在逆变器DC/DC变换级或DC/AC变换级采用高频变压器，功率变换电路将被分成数级，使得控制复杂化，还降低了系统的效率，同时高频变压器受到其功率的限制，使其难以在大功率上得到应用 。

　　4 非隔离型逆变并网放电

　　现在电力系统中许多发电厂和变电站的直流屏都采用两套蓄电池，可以一组运行，另一组断开负荷进行全核对性放电。所以蓄电池放电的过程是完全退出系统的，从而在蓄电池放电过程中不必考虑与交流系统互联而造成的直流系统误动作和直流系统安全问题。因此可以考虑采用非隔离型放电方式。在非隔离型蓄电池有源逆变放电系统中，省去了笨重的工频变压器或复杂的高频变压器，使得系统结构简单、重量轻、成本最低并具有较高的效率(98%左右) .4 J。其系统原理框图如图4所示。

　　系统主要由三部分组成，前级的DC—DC变换器、后级的DC—AC逆变器以及控制电路。前级DC—DC变换采用BOOST升压斩波电路，通过控制电路的配合，具有对蓄电池进行恒流放电控制的功能，同时其升压特性将蓄电池放电电压升高，使之满足PWM整流逆变电路正常工作所需的电压条件。DC— AC逆变器主电路采用全桥式结构，由四个带反并联二极管的IGBT开关管构成，主要完成直流输出的逆变过程，控制正弦波电流输出，保证并网电流与电网电流保持同频、同相。系统控制部分采用以数字控制芯片和单片机为核心的数字控制方式，保证系统工作可靠性，提高了系统效率，降低逆变电流的谐波含量，减小对电网的谐波污染[5,6l。

　　由于无变压器隔离，该系统容易向电网注入直流分量。并网逆变器向电网中注入直流分量会对电网设备产生不良影响，如引发变压器或互感器饱和、变电所接地网腐蚀等问题。但对于非隔离并网系统，只要采取适当措施，完全可以保证主电路和控制电路运行的安全性。随着电力系统蓄电池放电技术的发展，无变压器的非隔离型并网逆变器由于省略了高频或工频变压器，简化了系统，减小了逆变器的体积和重量，降低了成本，对于推动蓄电池放电向着节能环保型方向发展具有重要的意义。体积小、重量轻、效率高、成本低等优点使得该结构将成为今后主要的逆变并网方式。

　　5 结束语

　　蓄电池电阻放电方式由于其简单易操作等特点，目前在电力系统中广泛应用，但其缺点有：不满足对节能环保的要求;采用工频变压器隔离的逆变并网型放电装置存在体积大和逆变效率低;采用高频变压器隔离的逆变并网装置存在系统电路复杂。非隔离型有源逆变放电装置克服了隔离型放电装置体积大、效率低和电路结构复杂的缺点。不仅可以实现蓄电池恒流放电，将释放出来的电能反馈回电网，而且保证了并网的功率因数高、对电网的谐波污染小，是一种高效节能的蓄电池放电方式。