基于磷酸鐵鋰電池的110 kV變電站直流系統(tǒng)中的電池容量選擇

王 洪 ，林雄武 ，李 麗 ，金 林 ，劉 平 ，劉 軼

（1.華北電網(wǎng)張家口供電公司，河北省 張家口市 075000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東省 深圳市 518057）

引言

直流電源系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，蓄電池系統(tǒng)設(shè)備選型的合理性、安全可靠性直接影響著變電站的可靠性。

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰材料無任何有毒有害物質(zhì)不會對環(huán)境構(gòu)成任何污染被世界公認為綠色環(huán)保電池，該電池?zé)o論在生產(chǎn)及使用中，均無污染，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目。

跟傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比，它具有以下顯著優(yōu)勢：超長壽命、使用安全、綠色環(huán)保、可大電流充放電、耐高溫、自放電率小、無記憶效應(yīng)、體積小、重量輕、廉價。

磷酸鐵鋰電池擁有的諸多優(yōu)越的特性，安全環(huán)保，特別是在高功率或大容量電池中具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性，引起各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，特別是在電動汽車領(lǐng)域和儲能領(lǐng)域，已經(jīng)開始大力推廣。磷酸鐵鋰電池作為后備電源，在變電站站用電源領(lǐng)域尚未見到應(yīng)用。本文通過某110 kV變電站作為范例，結(jié)合變電站的規(guī)程和磷酸鐵鋰電池的特性，詳細介紹了在站用直流電源領(lǐng)域磷酸鐵鋰電池的容量計算。

1 變電站直流系統(tǒng)簡介

1.1 額定電壓的選擇

目前，國內(nèi)110 kV變電站直流電源額定電壓為DC220 V，DC110 V兩種。

1.2 直流負荷

直流負荷包括電氣的控制、信號、測量和繼電保護、自動裝置、操作機構(gòu)直流電動機、斷路器電磁操動的合閘機構(gòu)、站內(nèi)交流不停電電源系統(tǒng)、遠動和事故照明等負荷。

1.3 接線方式

根據(jù)規(guī)范要求，1組蓄電池的直流系統(tǒng)采用單母線或單母線分段接線方式，2組蓄電池的直流系統(tǒng)采用二段單母線接線，蓄電池組應(yīng)分別接于不同母線段，二段直流母線之間應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)電器。

目前，主流設(shè)計一般采用單母線分段接線方式，其優(yōu)點是：可靠性高，任意母線出現(xiàn)故障或需要檢修都不影響正常供電；根據(jù)對直流電源的要求便于擴展配置。

1.4 蓄電池配置

110 kV及以下變電站宜裝設(shè)1組蓄電池，對于重要的110 kV變電站也可裝設(shè)2組蓄電池，為滿足無人值班直流供電冗余需要，110 kV變電站直流電源系統(tǒng)宜配置兩組蓄電池。

1.5 充電裝置

充電裝置是保證蓄電池可靠運行的主要設(shè)備，磷酸鐵鋰蓄電池對充電裝置的要求較高。110 kV變電站直流電源系統(tǒng)宜配置兩組高頻充電裝置，智能型高頻開關(guān)電源具有安全、可靠、自動化程度高、具有更小的體積和重量、綜合效率高以及噪音低等優(yōu)點，適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要。

2 負荷計算

該110 kV變電站原有28面10 kV開關(guān)柜，經(jīng)過改擴建后，新增25面10 kV開關(guān)柜，根據(jù)新舊設(shè)備的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行負荷計算，作為蓄電池配置計算的理論依據(jù)，并對蓄電池配置結(jié)果進行校驗。

2.1 110kV系統(tǒng)GIS配電裝置計算電流

GIS配電裝置共7個間隔，每個間隔的經(jīng)常負荷電流以0.1 A計(信號燈及繼電器等)。

因此，GIS配電裝置負荷電流：I1＝0.7 A。

2.2 原有10 kV配電裝置計算電流

原有10 kV配電裝置有28面開關(guān)柜，主要負荷包括信號燈、位置繼電器、控制和保護電源等，測控保護裝置經(jīng)常負荷約15 W/面，信號燈約15 mA/個(斷路器和隔離開關(guān)信號燈各一個)；

因此，經(jīng)常負荷計算電流：I2＝（15/220+0.015×2）×28=2.75 A。

2.3 新建10 kV配電裝置計算電流

新建10 kV配電裝置開關(guān)柜共25面，有關(guān)數(shù)據(jù)參照 2.2，因此，經(jīng)常負荷計算電流：I3＝（15/220+0.015×2）×25=2.45 A。

2.4 控制室內(nèi)微機監(jiān)控及保護測控裝置計算電流

控制室內(nèi)保護測控裝置屏柜經(jīng)常負荷約：2.65 A（585 W，220 V）；故障錄波器柜，其經(jīng)常負荷電流約：0.91 A；電度表屏及其他屏柜，經(jīng)常負荷電流約：1 A；微機監(jiān)控光纖通訊集成柜及微機監(jiān)控組柜，經(jīng)常負荷約電流約：2 A。

因此，控制室內(nèi)微機監(jiān)控及保護測控裝置總負荷電流：

由 2.1，2.2，2.3，2.4 可得總經(jīng)常性負荷計算電流：

對計算結(jié)果保留一定的余量，取值Ijc=15A，負荷系數(shù)取0.6。

2.5 UPS系統(tǒng)的逆變器直流負荷計算電流

直流系統(tǒng)直接向UPS系統(tǒng)的逆變器供電，UPS的容量為5 kVA。

直流負荷計算電流：

式中：逆變器的效率取η取值0.8，可靠系數(shù)取Kk取值1.15,負荷系數(shù)Kf取0.6。

2.6 新10 kV配電裝置、控制室和繼電保護室事故照明

直流負荷約電流Ic＝9.1 A，負荷系數(shù)取1.0。

2.7 斷路器跳閘電流

Id＝12 A，其負荷系數(shù)取0.6?？紤]最嚴重情況為：110 kV I（或 II）段母差保護動作，I（或 II）段母線3臺斷路器同時跳閘。

2.8 最大合閘沖擊電流

一臺10 kV電磁操作機構(gòu)的斷路器，其合閘電流為 DC220 V，120A。

由2.1至2.8的計算所得，進行直流負荷統(tǒng)計，見表1。

3 磷酸鐵鋰電池計算

3.1 蓄電池個數(shù)選擇

蓄電池組正常情況下采用浮充電方式運行，事故放電后自動轉(zhuǎn)為均衡充電方式運行，即充電裝置方式選擇開關(guān)置于浮充-均充狀態(tài)。

表1 220 V直流負荷統(tǒng)計表

根據(jù)《DL/T 5004-2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，對控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統(tǒng)，在均衡充電運行情況下，直流母線電壓不應(yīng)高于直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的110%，在事故放電情況下，蓄電池組出口端電壓不低于直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的87.5%。蓄電池個數(shù)是由單體電池正常浮充電電壓和直流母線電壓確定。其中直流母線電壓取1.05倍直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值，是考慮允許用電設(shè)備有5%的電纜壓降，以保證正常運行時電壓不低于額定值。

表2 磷酸鐵鋰電池參數(shù)

按浮充電運行時，直流母線電壓為1.05 Un,選擇蓄電池個數(shù)：

n=1.05 Un/Uf=1.05×220/3.42≈67.5（只）,取整 68。

式中：n為蓄電池組串聯(lián)的蓄電池個數(shù)；Un為直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓220 VDC；Uf為單體蓄電池浮充電電壓，取值3.42 V。

根據(jù)計算所得，本直流系統(tǒng)蓄電池組選擇68只標(biāo)稱電壓3.2 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)。

電壓校驗：

（1）均充狀態(tài)：在均衡充電運行方式下，直流母線電壓不應(yīng)超過直流系統(tǒng)額定電壓的110%,即Uc≤1.10 Un/n。磷酸鐵鋰電池的均衡充電電壓為3.5，則

（2）放電狀態(tài)：在事故放電末期，對于控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統(tǒng)，蓄電池組出口端電壓不低于直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的87.5%，即UT≥0.875 Un，蓄電池事故放電終止電壓為2.9 V，則:

UT=2.9×68=197.2 V；UT為蓄電池組放電終止電壓。

通過校驗可知，在各種運行方式下，68只磷酸鐵鋰電池串的蓄電池組電壓均能滿足要求。

3.2 蓄電池容量選擇

根據(jù)《DL/T 5004-2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，蓄電池容量需按以下條件進行選擇：

（1）應(yīng)滿足全廠（所）事故全停電時間內(nèi)的放電容量；

（2）應(yīng)滿足事故初期（1 min）直流電動機啟動電流和其他沖擊負荷電流的放電容量；

（3）應(yīng)滿足蓄電池組持續(xù)放電時間內(nèi)隨機（5 s）沖擊負荷電流的放電容量；

（4）應(yīng)以最嚴重的事故放電階段，計算直流母線電壓水平。

本項目蓄電池容量選擇按照電壓控制法（容量換算法）進行計算。

由表1可知，事故放電階段最大事故放電電流為44.92 A。

蓄電池事故放電時間按2 h，放電終止電壓按2.9 V計，蓄電池10 h放電容量計算為：

式中：C10為蓄電池10 h放電容量；KK為可靠系數(shù)，取1.4；CSX為事故全停電狀態(tài)下相應(yīng)的持續(xù)放電時間的放電容量，取值44.92；KCC為容量系數(shù)，磷酸鐵鋰電池沒有標(biāo)準(zhǔn)的容量系數(shù)可供參考，但實驗證明，其容量系數(shù)高于鉛酸蓄電池，根據(jù)規(guī)程DL/T 5044-2004，閥控式密封鉛酸蓄電池（貧液）（單體2 V）在放電終止電壓1.87 V,放電時間1 h時的容量系數(shù)為0.52，以此數(shù)據(jù)作為磷酸鐵鋰電池容量系數(shù)進行保守估算。

因此：蓄電池10 h放電容量選擇為200 Ah可滿足要求。

3.3 電壓水平校核

磷酸鐵鋰電池為動力電池，有很強的大電流放電能力。如圖1所示，持續(xù)進行800 A的大電流放電，電池容量放完80%以后，仍然可以維持3 V左右的電壓。

圖1 單體200 Ah磷酸鐵鋰電池20℃倍率放電容量曲線

可見，容量為200 Ah的電池完全可以滿足設(shè)計要求。

圖2 單體磷酸鐵鋰電池倍率放電曲線

4 結(jié)論

本文采用傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池容量計算的方法，同時考慮到磷酸鐵鋰電池的特性參數(shù)，計算結(jié)果具有較大的裕量，完全可以滿足設(shè)計要求。磷酸鐵鋰電池作為動力電池，對沖擊電流的適應(yīng)性有本能的優(yōu)勢，筆者認為可以取消電壓水平校核，進一步簡化計算過程。

[1]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計手冊（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2004.

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