基于鋰電池組的變電站直流系統(tǒng)接線方式及其運(yùn)行

花 盛，潘曉明，闞建飛，俞世清

(1.蘇州供電公司，江蘇蘇州215004；2.南京工程學(xué)院，江蘇南京211167)

一種簡單可靠的接線方式是變電站直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。直流電源系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，尤其是系統(tǒng)可靠性，與接線方式密切相關(guān)。傳統(tǒng)上變電站直流電源的備用電源系統(tǒng)，以鉛酸蓄電池為儲能元件，工程技術(shù)人員經(jīng)過多年的理論研究和實(shí)踐探索，為這種類型的直流電源系統(tǒng)，確立了一種電池饋電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流系統(tǒng)接線方式，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。

隨著鋰電制造工藝的成熟，環(huán)保無鉛的鋰電池替代鉛酸電池是一種發(fā)展趨勢。鋰電池具有和鉛酸電池不同的充放電特性，簡單地將蓄電池組更換為鋰電池，直流系統(tǒng)無法正常工作，還可能造成鋰電池組使用壽命快速衰減。必須為鋰電池在變電站直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種新的電路拓?fù)洌赃m應(yīng)鋰電池的工作特性，確保整個直流電源系統(tǒng)的高可靠性。

1磷酸鐵鋰蓄電池組

磷酸鐵鋰電池單體的額定電壓為3.20 V；荷電率大于92%時開路端電壓3.35 V；充電終止電壓3.70 V；放電至20%荷電率時電壓大于3.00 V；放電終止電壓為2.50 V。標(biāo)稱電壓為220 V的直流母線，正常運(yùn)行時允許±10%的電壓波動。分別按照蓄電池荷電率20%時，母線電壓為-10%偏差，以及蓄電池荷電率為92%時，母線電壓為+10%偏差的條件計(jì)算串聯(lián)電池的只數(shù)：

串聯(lián)電池的只數(shù)應(yīng)在66到72之間選取。在實(shí)際工程應(yīng)用中，從系統(tǒng)的可維護(hù)性考慮，需要由設(shè)備生產(chǎn)廠家把多個鋰電芯封裝成一個電池包，由施工人員在工程現(xiàn)場把幾個電池包串接成一組。鋰電池包技術(shù)特性應(yīng)盡量的統(tǒng)一、規(guī)范，同時也應(yīng)兼顧110 V直流電源系統(tǒng)應(yīng)用需求。綜合考慮，每個電池包由17只鋰電單芯串接，是比較適宜的選擇。220 V電池組，由4個電池包組成，共有68只電池單體串聯(lián)而成。按這種方式構(gòu)成的電池組，在幾種典型狀態(tài)下的端電壓如表1所示。

表1典型狀態(tài)下電池組的端電壓 V

從表1可以看出，充電時磷酸鐵鋰電池組的端電壓超出規(guī)程關(guān)于最高母線電壓242 V的規(guī)定，不能直接輸出到饋電母線，必須對直流系統(tǒng)主接線進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

2直流系統(tǒng)接線方式

采用鉛酸蓄電池組的變電站直流系統(tǒng)，典型的接線方式如圖1所示。

圖1鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)接線方式

這種接線方式在生產(chǎn)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用，但是如前文所述，磷酸鐵鋰電池組的最高端電壓高于242 V的上限，不能直接輸出到饋電母線。依據(jù)文獻(xiàn)[1]及磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特性，在典型設(shè)計(jì)GDZW40的基礎(chǔ)上，提出一種新的直流系統(tǒng)接線方式，如圖2所示。

圖2磷酸鐵鋰電池組直流系統(tǒng)接線方式

這種接線方式下，整個直流電源系統(tǒng)由2組磷酸鐵鋰蓄電池、2組整流器組成，直流母線為單母線分段式，和圖1所示接線方式比較，具有顯著區(qū)別。

新的接線方式將饋電母線與充電母線分開，其間采用快速切換開關(guān)相連。磷酸鐵鋰電池組在充電時，電池組端電壓較高，不能像鉛酸蓄電池一樣直接并聯(lián)在直流母線長期浮充電。兩類母線分開之后，饋電母線配置2個20 A高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián)工作，自均流，以恒壓限流模式運(yùn)行，直流穩(wěn)壓值為223 V，穩(wěn)壓精度0.5%，限流值為20 A。2個20 A模塊的電流輸出，可以滿足正常的直流負(fù)荷。

充電母線另外配置2個20 A高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián)工作，專門為磷酸鐵鋰電池充電。磷酸鐵鋰電池比較適宜的充電電流，為1小時放電電流的0.3倍，對于容量為100 A·h的電池組，這一充電電流值為30 A，2個模塊所能提供的充電電流滿足正常充電需求。饋電母線和充電母線分別設(shè)立，可以允許不同的母線電壓范圍，既保證了磷酸鐵鋰電池的正常充電，又使得饋電母線電壓不超過正常范圍。兩類母線上的各自的雙整流模塊配置，滿足“1+1”的備用原則。

3直流系統(tǒng)運(yùn)行方式

兩類直流母線分別設(shè)立后，仍然必須保證在變電站的自用交流供電失去時，直流系統(tǒng)能夠平滑切換到由備用蓄電池提供電源。這由系統(tǒng)的動態(tài)電源路徑管理實(shí)現(xiàn)。動態(tài)電源路徑管理通過控制快速切換開關(guān)，確保在各種不同運(yùn)行條件下，直流饋電母線的持續(xù)穩(wěn)定供電。

3.1整流供電

交流供電正常情況下，交流電源經(jīng)饋電整流模塊組向直流負(fù)載提供電流，饋電母線電壓由饋電整流模塊的輸出電壓決定?？紤]到連接饋線上的壓降，整流模塊輸出電壓，通常比額定電壓略高，典型的數(shù)值為223 V。磷酸鐵鋰電池組在充滿電后，充電整流模塊處在待機(jī)狀態(tài)，快速切換開關(guān)進(jìn)入零電流隔離狀態(tài)，將充電母線與饋電母線隔離，保護(hù)蓄電池組不會因?yàn)槔^續(xù)充電而受損。

3.2沖擊負(fù)荷

當(dāng)饋電支路上出現(xiàn)短路，或者出現(xiàn)較大的合閘操作電流時，直流母線的電壓應(yīng)保持足夠穩(wěn)定，以保證符合規(guī)程內(nèi)有關(guān)沖擊放電曲線的規(guī)定。鉛酸蓄電池直接并聯(lián)在母線上浮充電的傳統(tǒng)接線方式，就考慮了當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)上述沖擊性負(fù)荷時，由電池組補(bǔ)充提供臨時需要的瞬態(tài)大電流，以便維持直流母線電壓的穩(wěn)定。新的接線方式下，雖然磷酸鐵鋰電池組采用了不同的備用方式，當(dāng)出現(xiàn)沖擊負(fù)荷時，位于蓄電池組與饋電母線之間的快速切換開關(guān)自動導(dǎo)通，由磷酸鐵鋰電池組提供超出在饋電整流模塊輸出電流的額外電流，確保在外部沖擊負(fù)荷時維持母線電壓穩(wěn)定。

3.3電池供電

當(dāng)外部交流電源失電時，處于隔離狀態(tài)的快速切換開關(guān)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電池組向饋電母線提供負(fù)荷電流。饋電母線電壓隨電池放電過程，在規(guī)程容許的范圍內(nèi)有一定變化。就68串電池組而言，電池組荷電率從95%變化至15%時，所對應(yīng)的電壓變化在227～203 V之間，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范對母線電壓的要求。

3.4電池充電

在交流電源正常供電時，充電整流模塊組經(jīng)充電控制開關(guān)對蓄電池組進(jìn)行充電，充電母線電壓在170～252 V之間。充電母線上的電壓與饋電母線上223 V饋電電壓，被快速切換開關(guān)隔離，互不影響。充電模塊在電池管理系統(tǒng)（BMS）控制下為磷酸鐵鋰電池組充電。根據(jù)文獻(xiàn)資料[3，4]和電池生產(chǎn)廠的建議，鋰電池組采用恒流限壓模式充電，充電電流由電池管理系統(tǒng)給出，限壓值設(shè)置為252 V。充電模塊在電池組電壓達(dá)到252 V后，繼續(xù)對電池組進(jìn)行一段時間的脈沖充電，以充分利用電池容量。充電過程中交流供電突然失去，直流系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)入電池供電的運(yùn)行狀態(tài)，直流系統(tǒng)供電連續(xù)性不受影響。

4系統(tǒng)試驗(yàn)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)[5]對采用新型接線方式的磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：這種直流系統(tǒng)的特性符合國家標(biāo)準(zhǔn)，其沖擊負(fù)荷下的電壓穩(wěn)定性明顯優(yōu)于采用鉛酸電池的系統(tǒng)。在交流供電失去時直流饋電母線電壓的波形如圖3所示。從圖3可看出交流供電電源的變化，不影響直流供電的連續(xù)性。在交流失電瞬間，直流饋電母線上電壓的微小上升，是由于蓄電池組的輸出電壓，略高于高頻整流饋電模塊的輸出電壓。這種微小的波動小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

圖3交流供電失去時的直流饋電母線電壓

在蓄電池組供電情況下，交流供電恢復(fù)，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為使用整流模塊輸出提供直流饋電時，饋電母線的電壓變化情況如圖4所示。由圖4看出，在交流恢復(fù)后，經(jīng)過短暫的延時，等待饋電模塊啟動完畢，直流母線電壓有微小的降低，這表明蓄電池同直流饋電母線隔離，系統(tǒng)改由整流模塊供電。電壓的變動范圍和圖3所示相同，只不過電壓的變動方向相反。

5結(jié)束語

圖4交流供電恢復(fù)時的直流饋電母線電壓

磷酸鐵鋰電池的充放電特性與鉛酸電池不同，需要設(shè)計(jì)一種新型接線方式，并保證這種接線方式之下的各種運(yùn)行特性滿足變電站的實(shí)際運(yùn)行需要。針對變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，提出一種新的接線方式，將充電母線與饋電母線分別設(shè)立，采用快速切換開關(guān)保證交流供電、直流供電和充電狀態(tài)下，直流供電母線的電壓始終處于規(guī)程要求的范圍之內(nèi)。動態(tài)電源路徑的管理方法，使得磷酸鐵鋰蓄電池組在充電過程結(jié)束后，不必長期工作在對其不利的浮充電狀態(tài)下，從而解決了磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統(tǒng)中應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。

[1]DL/T 5044—2004，電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]武雪峰，王振波.LiFePO 4/C電池循環(huán)性能和安全性能的研究[J].電池工業(yè)，2010（15）：156-159.

[4]徐 偉.磷酸鐵鋰動力電池充電方法研究和均衡充電模塊的設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[5]GB/T 19826—2005，電力工程直流電源設(shè)備通用設(shè)計(jì)條件及安全要求[S].