一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量方法，其步骤如下：1）建立变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型；2）考虑到蓄电池的剩余容量SOC对蓄电池的开路电压OCV的影响和蓄电池的极化效应，对上述简化模型公式进行修正，并通过实验方法获取所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的OCV－SOC曲线、充放电电阻和极化效应产生的电压变化值；3）在步骤2修正后模型基础上，分别以蓄电池的剩余容量SOC为状态向量和以蓄电池的端电压为观测向量建立状态方程和观测方程；4）根据卡尔曼滤波器迭代公式，在均方误差最小的准则下，在经过有限次的迭代之后，使所述蓄电池的剩余容量SOC的估算值接近其真实值。本发明的优点是精度高、计算量小。
【专利说明】-种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电池容量测量方法，尤其是一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩 余容量在线实时测量方法。
【背景技术】
[0002] 变电站直流电源系统是为变电站提供交直流电源系统作为变电站及电厂的"也 脏"，是电站安全、可靠运行的重要保障。目前变电站直流电源系统普遍采用阀控式密封铅 酸蓄电池为断路器提供分合间操作电源及交流失电后的备用电源，因此蓄电池的剩余容量 监测是保证直流系统安全运行的重要条件。
[0003] 蓄电池的剩余电量（State Of化arge,简称S0C)是指蓄电池目前所存储的电量， 是电池状态的主要参数之一，由于蓄电池剩余容量与电池的开路电压、充放电电流、蓄电池 内阻、电解液温度、自放电及电池的循环寿命等多个参数有关，且具有较强的非线性，很难 做到准确估算，因此结合蓄电池特性建立准确的数学模型，实现剩余容量的准确估算具有 重要的现实意义。
[0004] 目前对蓄电池容量监测的方法主要有电流积分法、开路电压法、内阻法、测量电解 液法和模糊控制等方法。电流积分法通过计算某一时段流过电池的电流和时间的积分，力口 上充电效率或放电倍率的修正，与电池组初始状态相加，即得到电池组当前的S0C值，该种 方法主要应用于实验室计算电池组充电效率、检验S0C估算精度等用途，缺点是无法估算 S0C的初始状态，需要恒流充放电，存在累积误差；开路电压法，利用S0C和开路电压（0CV) 存在着一定的对应关系，可W通过测量0CV计算S0C，但是需要考虑前一时刻的充放电状 态，温度和静置时间，不适于在线测量；内阻法通过在电池组两端叠加一个交流信号，测量 电池组的电压变化，计算电池组的交流阻抗，W此作为计算S0C的标准，精确度较差且不能 在线测量；电解液测量法通过测量电池电解液的有效质量计算S0C。该方法对于可直接测 量电解液质量的敞开式铅酸电池比较适合，理论上可W精确测量S0C，但阀控式密封铅酸蓄 电池为为封闭结构，无法测量电解液；应用模糊控制理论辨识电池的准确模型，将影响S0C 的各种因素综合到电池模型中，可W提高S0C的估算精度，但是目前国内外尚停留在理论 计算或仿真阶段，离具体实际应用还有距离。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种快速有效、方便准确的变电站阀控式密封 铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案如下： 一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量方法，其通过如下步骤实 现： 步骤1;建立变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型： 将变电站阀控式密封铅酸蓄电池简化成由一个恒压源与电阻串联组成的模型，从而建 立变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型公式（1)如下： U 二 QCV - I 父 R (1) 所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池简称蓄电池。
[0007] 步骤2 ;考虑到蓄电池的剩余容量S0C对蓄电池的开路电压0CV的影响和蓄电池 的极化效应，对所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型公式（1)进行修正的方法，并 通过实验方法获取所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的0CV - S0C曲线、充放电电阻和极 化效应产生的电压变化值。
[0008] 具体修正方法如下： 2-1.通过脉冲充放电实验法测定S0C - 0CV曲线，建立充电和放电两个S0C - 0CV表， 从而狄得0CV和S0C的函数关系； 2-2.分别在充电和放电时，通过在电流I变化瞬间测量所述变电站阀控式密封铅酸蓄 电池的端电压U的变化情况，计算出所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的充电内阻R。和放 电内阻Rd; 2- 3.通过实验测得电池的极化效应值G，6为电压值，即为极化效应对电池电压造 成的变化值，单位为V。
[0009] 步骤3 ;在所述步骤2修正后模型的基础上，分别W蓄电池的剩余容量S0C为状态 向量和W蓄电池的端电压为观测向量建立状态方程和观测方程的过程如下： 3- 1. W蓄电池的剩余容量S0C为状态向量建立状态方程，所述状态方程为如下公式 (2):
【权利要求】
1. 一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量方法，其特征在于：其包 括如下步骤： 步骤1:建立变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型： 将变电站阀控式密封铅酸蓄电池简化成由一个恒压源与电阻串联组成的模型，从而建 立变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型公式（1)如下： U ^ OCV - I XR (1) 所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池简称蓄电池； 步骤2 :考虑到蓄电池的剩余容量SOC对蓄电池的开路电压OCV的影响和蓄电池的极 化效应，对所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的简化模型公式（1)进行修正，并通过实验方 法获取所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的OCV-SOC曲线、充放电电阻和极化效应产生 的电压变化值； 步骤3 :在所述步骤2修正后模型的基础上，分别以蓄电池的剩余容量SOC为状态向量 和以蓄电池的端电压为观测向量建立状态方程和观测方程； 步骤4:根据卡尔曼滤波器迭代公式，在均方误差最小的准则下，在经过有限次的迭代 之后，使所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的剩余容量SOC的估算值接近变电站阀控式密 封铅酸蓄电池的真实值。
2. 根据权利要求1所述的一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量 方法，其特征在于：所述步骤2中根据蓄电池的剩余容量SOC对蓄电池的开路电压OCV的影 响和电池的极化效应对蓄电池的简化模型进行修正的方法如下： 2-1.通过脉冲充放电实验法测定SOC-OCV曲线，建立充电和放电两个SOC-OCV表， 从而获得OCV和SOC的函数关系； 2-2.分别在充电和放电时，通过在电流I变化瞬间测量所述变电站阀控式密封铅酸蓄 电池的端电压U的变化情况，计算出所述变电站阀控式密封铅酸蓄电池的充电内阻R。和放 电内阻Rd; 2- 3.通过实验测得电池的极化效应值^&为电压值，即为极化效应对电池电压造 成的变化值，单位为V。
3. 根据权利要求1或2所述的一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测 量方法，其特征在于：所述步骤3中，在所述修正后模型的基础上分别以蓄电池的剩余容量 SOC为状态向量和以蓄电池的端电压为观测向量建立状态方程和观测方程的过程如下： 3- 1.以蓄电池的剩余容量SOC为状态向量建立状态方程，所述状态方程为如下公式 (2)：
其中，^为蓄电池在tk时刻的剩余容量； 为蓄电池在tk+1时刻的剩余容量； 为充电效率； G为蓄电池的额定容量； &为状态模型的激励白噪； &为从tk到tk+1时刻的时间变化值； Jjt为蓄电池在tk时刻的充放电电流； 3- 2.以蓄电池的端电压为观测向量建立观测方程，如下公式（3): Uk=OCV(Xk) - IkXR+Pk(3) 其中，&为在tk时刻的蓄电池端电压； ^为蓄电池在tk时刻的剩余容量； 况Tfri;为蓄电池的剩余容量为^时所对应的蓄电池开路电压值； A为蓄电池充电内阻或者放电内阻； 4为蓄电池在tk时刻的充放电电流； A为极化效应造成电池端电压的变化值，单位为V。
4.根据权利要求3所述的一种变电站阀控式密封铅酸蓄电池剩余容量在线实时测量 方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程如下： 4- 1.根据卡尔曼滤波器算法，根据建立的状态方程公式（2)和观测方程公式（3)，在 均方误差最小的准则下，用状态向量的先验估计值、观测值yk与相应的先验估计误差 去修正估计值，得到最优估计值，并估计出相应的最优估计误差2^^与下一步 的(在tk+1时刻的先验估计误差）,经过循环迭代，估计出整个过程及其相应的误 差，使最优估计值逐渐接近于真实值xk，其中，用" ~ "表示估计，表示先验，" + "表 示最优。
【文档编号】G06F19/00GK104502849SQ201410760550
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】李秉宇, 范辉, 苗俊杰, 潘瑾, 陈晓东 申请人:国家电网公司, 国网河北省电力公司电力科学研究院, 河北省电力建设调整试验所