電動(dòng)汽車電池用于電網(wǎng)低電壓線路的儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)

廖強(qiáng)強(qiáng)，穆廣平，徐華，周國(guó)定，周肖平，李曉華，蔣大為

(1.上海電力能源轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心(上海電力學(xué)院)，上海市 200090；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司, 上海市 200080)

電動(dòng)汽車電池用于電網(wǎng)低電壓線路的儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)

廖強(qiáng)強(qiáng)1，穆廣平2，徐華2，周國(guó)定1，周肖平2，李曉華1，蔣大為2

(1.上海電力能源轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心(上海電力學(xué)院)，上海市 200090；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司, 上海市 200080)

通過(guò)增加桿上變壓器數(shù)量來(lái)擴(kuò)大電網(wǎng)容量，會(huì)大大增加電網(wǎng)線路的改造成本。為此，采用由國(guó)家電網(wǎng)公司提供的充、換電站電動(dòng)汽車電池和自行研制的能量轉(zhuǎn)換裝置(power conversion system，PCS)組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬對(duì)低電壓線路進(jìn)行調(diào)壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著放電功率增大，可利用的電池容量減少；在放電功率為3 kW時(shí)，1個(gè)電池箱工作電壓為69～80 V，5個(gè)電池箱串聯(lián)可滿足PCS直流側(cè)電壓在324～438 V的要求；在低電壓時(shí)段通過(guò)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電給供電線路，可以有效提升線路電壓。與增加桿上變壓器擴(kuò)容方法相比，電池儲(chǔ)能調(diào)壓裝置具有安裝簡(jiǎn)便、占地少、投資小、移動(dòng)靈活、可重復(fù)利用等特點(diǎn)。

電動(dòng)汽車電池；低電壓線路；儲(chǔ)能；調(diào)壓

0 引 言

電網(wǎng)線路低電壓現(xiàn)象是影響城市和農(nóng)村用電質(zhì)量的主要因素之一[1-2]。由于家用電器集中使用、線路設(shè)備陳舊老化、臨時(shí)租借房屋超負(fù)荷用電、居民或工業(yè)小區(qū)供電半徑過(guò)長(zhǎng)等原因，致使短時(shí)段負(fù)荷增大，導(dǎo)致電壓跌落。線路低電壓?jiǎn)栴}將增大線損、降低送變電設(shè)備能力，造成空調(diào)、冰箱等電器不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)還將造成電壓崩潰和大面積停電。上海低電壓熱點(diǎn)地區(qū)具有季節(jié)性和時(shí)段性特點(diǎn)，而且隨著城市人口的流動(dòng)頻繁，每年低電壓熱點(diǎn)地區(qū)會(huì)有變化。解決低電壓?jiǎn)栴}的常規(guī)辦法是通過(guò)增加桿上變壓器數(shù)量來(lái)擴(kuò)大電網(wǎng)容量[3]，電網(wǎng)通過(guò)足夠的備用容量來(lái)應(yīng)對(duì)僅數(shù)天的短時(shí)峰值負(fù)荷，這種辦法大大增加了設(shè)備的投資、安裝和運(yùn)行費(fèi)用。采用電容器對(duì)低電壓線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是改善低電壓現(xiàn)象的有效手段[4]，然而，城市電網(wǎng)線路低電壓的主要原因是由于短時(shí)段負(fù)荷增大導(dǎo)致電壓跌落，通過(guò)加裝傳統(tǒng)的電容器也不能解決問(wèn)題。而基于電壓源換流器(voltage source convertor，VSC)的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置(static var generator，SVG)，其直流側(cè)是電容，存儲(chǔ)的能量非常有限，只能運(yùn)行在2個(gè)象限內(nèi)，即發(fā)出無(wú)功功率和吸收無(wú)功功率，而不能與系統(tǒng)交換大量的有功功率。如果在直流側(cè)采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，就可以發(fā)送和吸收有功功率，解決短時(shí)段負(fù)荷增大引起的電壓跌落問(wèn)題。

隨著電池儲(chǔ)能技術(shù)[5-8]的發(fā)展，采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)解決包括低電壓現(xiàn)象在內(nèi)的電能質(zhì)量問(wèn)題[9-13]是研究的熱點(diǎn)之一，文獻(xiàn)[14]采用Hawker能源公司的高級(jí)鉛酸電池研制的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器有效解決了低電壓?jiǎn)栴}。由于鉛酸電池的能量密度小、功率密度低、充電時(shí)間長(zhǎng)、循環(huán)壽命短、自放電率高，再加上容易造成環(huán)境污染，盡管成本較低，但已經(jīng)不是電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。而鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、大電流放電能力強(qiáng)、高功率承受力、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，其比能量達(dá)到了鉛酸電池的3倍左右，鈷酸鋰和磷酸鐵鋰鋰離子電池的單體電池工作電壓分別為3.7、3.2 V，遠(yuǎn)大于鉛酸電池單體電池電壓，鋰離子電池循環(huán)壽命在淺充放模式下可以達(dá)到3 000～5 000次，儲(chǔ)能效率可以達(dá)到90%以上。因此，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成為居民或工業(yè)小區(qū)的理想選擇。

為了推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司在蘇滬杭高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)了電動(dòng)汽車充換電站，儲(chǔ)備了大量的換電式電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)電池(磷酸鐵鋰電池)。由于電動(dòng)汽車發(fā)展步伐的放緩，如何拓寬換電式車用鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域也是國(guó)有資產(chǎn)保值增值所要考慮的問(wèn)題。本文采用由國(guó)家電網(wǎng)電動(dòng)汽車換電式標(biāo)準(zhǔn)電池和自行研制的能量轉(zhuǎn)換裝置(power conversion system, PCS)組成儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬低電壓線路進(jìn)行調(diào)壓試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注換電式電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)電池的放電特性以及對(duì)低電壓線路的調(diào)壓效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)鋱D。國(guó)家電網(wǎng)電動(dòng)汽車換電式標(biāo)準(zhǔn)電池(電池箱)組由5個(gè)電池箱串聯(lián)組成，額定電壓為400 V，電池組容量為24 kW·h，每個(gè)電池箱含1個(gè)電池管理單元 (battery management unit, BMU)，電池組管理系統(tǒng)設(shè)1個(gè)觸摸監(jiān)控屏、4個(gè)電池狀態(tài)控制器(battery signal conditioning, BSC)、1個(gè)電池狀態(tài)主控制器(battery signal collection module, BSCM)以及主回路電氣控制元件，其中BSCM實(shí)現(xiàn)成組后電池箱的電流檢測(cè)以及高壓電氣控制。自行研制的PCS是一個(gè)雙向逆變裝置，可以實(shí)行直流儲(chǔ)能電池組與交流電網(wǎng)之間雙向能量傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充放電和網(wǎng)側(cè)電壓的控制。

圖1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)

2.1 負(fù)荷特性

本文以上海市某小區(qū)負(fù)荷為例，進(jìn)行電池儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)。圖2為該小區(qū)某日配變側(cè)電壓-時(shí)間曲線，由圖2可知，在用電高峰時(shí)段B相電壓出現(xiàn)小于210 V的低電壓現(xiàn)象。

圖2 某小區(qū)配變側(cè)電壓-時(shí)間曲線

2.2 電池箱特性

試驗(yàn)用PCS直流側(cè)的電壓為324～438 V，放電功率不超過(guò)20 kW。電池組由5個(gè)電池箱串聯(lián)組成，因此平均要求每個(gè)電池箱的電壓為64.8～87.6 V，放電功率不超過(guò)4 kW。圖3為某電池箱以3 kW功率放電時(shí)的電壓-容量曲線，額定放電容量為0～60 A·h時(shí)，電池箱電壓為69～80 V，達(dá)到使用要求。

圖3 電池箱以3 kW功率放電時(shí)的電壓-容量曲線

圖4為電池箱分別以1，2，3，4，5 kW功率放電時(shí)的電壓-時(shí)間曲線，如果以放電電壓不小于64.8 V為限，電池箱放電時(shí)間分別為290，145，93，57，42 min，則不同放電功率時(shí)電池容量分別為4.8，4.8，4.6，3.8，3.5 kW·h，即放電功率越大，可利用的電池容量越小。

圖4 電池箱以不同的功率放電時(shí)電壓-時(shí)間曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)隔離變壓器和電器負(fù)載，人為地將線路電壓降下來(lái)，采用Fluke 435電能質(zhì)量測(cè)試儀測(cè)量A相、B相和C相的交流電壓和交流電流。儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)分為3種情況：(1)儲(chǔ)能設(shè)備不運(yùn)行，無(wú)負(fù)載；(2)儲(chǔ)能設(shè)備不運(yùn)行，但有負(fù)載；(3)有負(fù)載且儲(chǔ)能設(shè)備投入。表1為儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。從表1可看出，接入負(fù)載以后A相、B相和C相的電壓分別從213.9，215.1，214.3 V下降到207.7，208.6，209.9 V；當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備投入運(yùn)行后，A相、B相和C相的電壓分別從207.7，208.6，209.9 V提升到213.1，214，213.4 V，A相、B相和C相的補(bǔ)償電流分別為33，32，31 A，電池組放電電流為37.65 A，輸出功率約為15 kW，相當(dāng)于每個(gè)電池箱放電功率為3 kW。顯然，儲(chǔ)能設(shè)備投入運(yùn)行可以有效地提升線路電壓。

表1 儲(chǔ)能調(diào)壓試驗(yàn)前、后電壓和電流測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)大城市居民或工業(yè)小區(qū)供電線路可能出現(xiàn)短時(shí)段的低電壓現(xiàn)象，在低電壓時(shí)段通過(guò)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電給供電線路(用電低峰時(shí)段電網(wǎng)給儲(chǔ)能電池充電)，可以有效提升線路電壓。采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決低電壓?jiǎn)栴}的一種有效方法。

(2)換電式車用電池除了用作電動(dòng)汽車動(dòng)力以外，還可以用于配網(wǎng)側(cè)小容量的電力儲(chǔ)能，拓寬了換電式電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用范圍。

[1]王啟新，倪厚翔. 城中村低電壓改造的難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施[J]. 農(nóng)村電氣化, 2012(S1): 103-104.

[2]宿華明, 張軍六, 王翠虎. 農(nóng)村低電壓綜合治理探索[J]. 山西電力, 2013,179(2):24v26.

[3]焦玉振. 解決電網(wǎng)低電壓的基本技術(shù)手段[J]. 農(nóng)村電工, 2012(4):31.

[4]金哲, 崔征, 王有可.增加配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償改善低電壓[J]. 農(nóng)村電氣化, 2011(3): 10-11.

[5]廖強(qiáng)強(qiáng)，陸宇東，王棟，等. 發(fā)電側(cè)備用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 電力建設(shè), 2014, 35(1): 118-121.

[6]陳躍燕，李相俊，韓曉娟，等. 基于移動(dòng)平均法和風(fēng)電波動(dòng)率約束的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電出力控制策略[J]. 電力建設(shè), 2013, 34(7): 1-5.

[7]謝志佳, 馬會(huì)萌, 靳文濤. 大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析[J]. 電力建設(shè), 2012, 33(8): 22-26.

[8]靳文濤, 馬會(huì)萌, 謝志佳. 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率控制策略[J]. 電力建設(shè), 2012, 33(7): 7-11.

[9]付學(xué)謙, 張虹, 李國(guó)棟, 等. 基于有源式混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[J]. 現(xiàn)代電力, 2011，28(2):32-36.

[10]Kashem M A, Ledwich G. Energy requirement for distributed energy resources with battery energy storage for voltage support in three-phase distribution lines[J]. Electric Power Systems Research, 2007, 77(1): 10-23.

[11]Duong Q H, Mithulananthan N, Bansal R C. Integration of PV and BES units in commercial distribution systems considering energy loss and voltage stability [J]. Applied Energy, 2014, 113: 1162-1170.

[12]Serban I, Marinescu C. Battery energy storage system for frequency support in microgrids and with enhanced control features for uninterruptible supply of local loads [J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2014, 54: 432-441.

[13]Mohammad R A, Hajar A. A new approach for optimal sizing of battery energy storage system for primary frequency control of islanded Microgrid[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2014, 54: 325-333.

[14]Zhan C, Barnes M, Ramachandarmurthy V K, et al. Dynamic voltage restorer with battery energy storage for voltage dip mitigation[C]//Power Electronics and Variable Speed Drives. Savoy Place, London: IEE, 2000: 360-365.

(編輯：蔣毅恒)

VoltageRegulationTestofEnergyStorageSystemforLow-VoltagePowerLinewithUsingElectricVehicleBattery

LIAO Qiangqiang1, MU Guangping2, XU Hua2,ZHOU Guoding1, ZHOU Xiaoping2, LI Xiaohua1, JIANG Dawei2

(1. Shanghai Engineering Research Center of Electric Power Transfer, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China;2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200080, China)

The capacity of power grid can be enlarged by means of increasing pole transformers, which will greatly increase the improvement cost of the line in power network. With regards to this reason, the voltage regulation tests for low-voltage power line were carried out in the laboratory by means of the battery energy storage system consisting of electric vehicle battery in charge and replacement station provided by State Grid Corporation and self-made power conversion system (PCS). The results show that the available battery capacity decreases with the increase of discharge power. The operating voltage of one battery box is in the range of 69-80 V at the discharge power of about 3 kW, therefore, five battery boxes in series can meet the needs of voltage range of 324-438 V on PCS DC side. The voltage of power line can be effectively improved when the battery energy storage system affords power supply during low-voltage hours. Compared with the method of increasing pole transformers, the voltage regulation equipment containing battery energy storage has advantages of simple installation, small space requirement, small investment, flexible mobility and reusable.

electric vehicle battery; low-voltage power line; energy storage; voltage regulation

上海市科委項(xiàng)目(12692104500)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(515111107X, 52091113502K)；上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目(13YZ107)。

TM 761;U 469.722

： A

： 1000-7229(2014)05-0056-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.009

2013-11-14

：2014-01-16

廖強(qiáng)強(qiáng)(1971)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏?chǔ)能，E-mail : liaoqiangqiang@shiep.edu.cn；

穆廣平(1958)，男，大專，經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)殡娏Y產(chǎn)管理；

徐華(1962)，女，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娏こ坦芾恚?/p>

周國(guó)定(1938)，男，碩士，教授，研究方向?yàn)殡娏?chǔ)能；

周肖平(1977)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娏?jīng)濟(jì)技術(shù)管理；

李曉華(1974)，女，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗娏鲃?dòng)；

蔣大為(1977)，男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)殡娏\(yùn)檢管理。