发电厂动力蓄电池组的可靠性研究

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：动力蓄电池组是广泛存在于发电企业直流系统的重要元件。其设置原因，就是为了提高直流系统供电的可靠性，为重要设备提供应急控制电源及动力电源。本文對直流系统蓄电池组进行可靠性研究和分析，指出一般的分析方法。
　　关键词：蓄电池；可靠性；重要度
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.158
　　0 引言
　　蓄电池是直流系统重要的系统元件，它作为备用电源在紧急情况下为系统供电。一般情况下，直流系统是通过电池充电机或者交直流设备供电的。当直流系统负荷超过蓄电池充电机最大输出能力时，其便会投入运行。现在的阀控铅酸蓄电池往往因为使用保养不当，存在使用寿命缩短的问题。
　　1 蓄电池组的工作循环及寿命的确定
　　蓄电池设备主要工作特点是周期性充放电，所以它的工作周期是电池所供电的所有负荷工作周期的总和，一般进行直流潮流计算得出。一个典型企业用220V蓄电池组一般有104块单体电池组成，单体电池浮充电压：2.23-2.25V，单体电池均充电电压：2.35-2.40V，C10放电终止电压：1.87V。
　　每组蓄电池的数量满足充电器件最大的系统电压与放电期间最小系统电压的要求。一般根据IEEE485标准，由工作周期确定蓄电池组的电池数量和单个蓄电池容量。对于已经存在的系统，则按实际设计模型进行分析。用最小二乘法拟合剩余容量下的电压和内阻的关系曲线，并比对厂家相关曲线数据，来预测该电池的寿命。其寿命可以使用剩余时间，也可以应用剩余循环数。在得到积累样本时，选择其一即可。
　　根据IEEE Std 1188-1996的方法，电池容量用以下等式计算：
　　在25℃时百分比容量：
　　其中是到达指定终止电压时的实际测试时间（带温度补偿）；指定终止电压的额定时间。其温度补偿参阅IEEE Std 1188-1996附录C。电池更换标准为容量低于额定值的80%。
　　2 蓄电池组的失效率模型特点及分析
　　由于蓄电池的充放电过程，是一个连续变化的过程，在整个系统可靠性分析上，一般定义为蓄电池容量的下降和内阻的上升。当蓄电池的容量降到额定容量的80%的时候，就认为蓄电池失效，或者内阻上升到R时，认为蓄电池有更换的必要。
　　结合一般电厂用蓄电池最近几年出现新的特点，主要是168试运时机组启停频繁，蓄电池使用比较过度，所以早期失效区有再抬高的可能；随着电网的扩大和煤炭价格高企，30万机组年利用小时数下降严重，常值失效区被拉长；机组寿命接近尾声，又有变调峰机组的可能，损耗区又被抬高。
　　在常值失效区，失效一般是难以预测的。特别是低负载使用造成电池降额这种情况，在大电网下的运行机组中特别常见。就国内运营电厂实际情况而言，由于近年来电网规模比较大，供电可靠性显著提升，双母线双机配置很常见，所以其机组蓄电池使用率并不高。当机组启停机时，使用的往往是由可靠性比较高的保安电源经交直流变换设备供电的直流电。由于电厂投资的特点，设计的系统裕量往往还比较大。这就导致其存在低负载长期运行的情况。不确定的检修和维护保养周期，导致了实际电池充放电保养远不是计划中的那么标准。分析时这些特点都要考虑。
　　3 蓄电池系统的可靠性建模分析和评估
　　蓄电池组是一个典型的串联系统，其特点是任何组件的任意一种失效都会导致整个系统失效。比如某一蓄电池开路或起火，导致整个蓄电池组供电停止。
　　由n个电池构成的系统正常运行的要求是所有电池都必须正常运行，因而蓄电池组的可靠度可以表示为：
　　以上公式说明，失效的某电池组件其潜在失效机理会影响其他电池组件，比如某编号蓄电池内阻上升导致电池发热量显著上升，其发热量影响临近电池的电化学反应速率，缩短临近蓄电池寿命，也使得相邻电池的失效率上升。
　　如某串联系统有10块额定电压为20V的单体蓄电池，其各单体电池组件的运行概率分别为0.99876，0.99754，0.98921，0.90922，0.99277，0.98835，0.95411，0.89277，0.97027，0.99773。
　　因而其整个蓄电池组的可靠度计算为0.72502，低于最差组件的可靠度。由此可见对于大型蓄电池系统，剔除并更换低可靠性组件很有必要。
　　4 电池组件的重要度计算
　　重要度计算是系统可靠性优化的前提。
　　某些大型电站，往往拥有数台在役机组，每个机组都至少有两组并联的直流蓄电池组，这还不包括开关站的直流系统蓄电池组，数量足有上千块之多。因而，分析重要度并优化全站电池组件，有着显著的重要意义。
　　一般通过计算电池组件的Birnbaum重要度、FUSSELL-VESELY重要度等来综合分析。对于其他串并联综合模型，其单组件i的重要度最后也可以进行加权平均计算后比较。不过其综合模型不能简单用串并联公式套用，应该根据系统结构函数化简后再行计算。
　　文中电池失效率取恒值模型，如果前期建模后，分段拟合澡盆曲线，则应该在不同失效区内，用不同模型进行替代后计算。电池的失效机理比较单一，所以选择失效率模型的时候，不必考虑过多。参数越多，当然模型也越精确，但模型过于复杂反而对简化模型的选取不利，毕竟样本数和系统组件数是有限集。
　　5 小结
　　（1）建模或者采取实验的方法得到预研究电池系统组件的样本数据；
　　（2）分析其样本数据，要结合其实际运行状态。对应于失效率曲线，选择或者推导能够拟合反映其状态的确信度高的失效率模型，确定可靠度、失效率等参数；
　　（3）利用上述样本进而计算并评估本系统模型的可靠度、组件的重要度等相关分析参数；
　　（4）确定自己的优化标准和方法，适当优化系统。
　　参考文献：
　　[1]ELSAYED A.ELSAYED著，杨舟译.可靠性工程[M].电子工业出版社，2013.
　　[2]IEEE Std 1188-1996[S].Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.1996.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14707603.htm