并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用

岳長(zhǎng)城

（中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350001）

0 引言

儲(chǔ)能電站在負(fù)荷削峰填谷、增加電網(wǎng)調(diào)峰能力、系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓方面具明顯優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)儲(chǔ)能電站建設(shè)數(shù)量不斷增加，規(guī)模及容量日益增長(zhǎng)。目前我國(guó)儲(chǔ)能電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)蓄電池仍采用閥控型鉛酸蓄電池，其溫度特性差、能量密度低、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)明顯。為增加儲(chǔ)能電站直流系統(tǒng)的可靠性、減少運(yùn)行成本，本文提出在儲(chǔ)能電站中引入磷酸鐵鋰蓄電池，同時(shí)引入并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)。磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、溫度特性及安全性好、綠色環(huán)保、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，因此將磷酸鐵鋰蓄電池作為直流系統(tǒng)的備用電源。

由于磷酸鐵鋰蓄電池特性，長(zhǎng)期浮充將導(dǎo)致電池陰極材料結(jié)構(gòu)逐漸塌陷，對(duì)電極結(jié)構(gòu)造成永久性損壞，產(chǎn)生安全隱患。采用并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)則可以解決磷酸鐵鋰蓄電池因長(zhǎng)期浮充帶來(lái)的安全問(wèn)題。同時(shí)可對(duì)單體蓄電池在線進(jìn)行充放電管理，實(shí)現(xiàn)在線更換蓄電池及在線核容。

1 并聯(lián)型直流電源技術(shù)原理

并聯(lián)用智能電池模塊通過(guò)將單只蓄電池與匹配的AC/DC充電模塊、DC/DC 升壓模塊等器件集成設(shè)計(jì)為一體。模塊通過(guò)將單只蓄電池與匹配的AC/DC 充電模塊并聯(lián)，再通過(guò)DC/DC升壓模塊獲得直流母線額定電壓［1］。

并聯(lián)型直流電源將單體電池進(jìn)行了隔離，當(dāng)單體電池發(fā)生故障時(shí)，僅影響本組電池包的性能，而不會(huì)波及到其他電池組。并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性更高，可實(shí)現(xiàn)在線更換電池，方便運(yùn)維。

并聯(lián)型直流電源可針對(duì)單體電池進(jìn)行在線核容［2］，提前發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常的電池，將電池使用至壽命終止期，提高了電池利用率。

與常規(guī)串聯(lián)型直流系統(tǒng)相比，并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)雖然因?yàn)樵黾恿松龎耗K數(shù)量導(dǎo)致投資成本增加，但是因降低了后期維護(hù)成本，減少了全壽命周期投入，其綜合成本低于串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)。

針對(duì)并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用，本文提出適用于儲(chǔ)能電站的磷酸鐵鋰蓄電池直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 并聯(lián)型直流電源磷酸鐵鋰蓄電池容量選擇

以某220 kV 儲(chǔ)能電站為例，直流電源系統(tǒng)電壓采用220 V，通信電源電壓采用48 V。直流電源系統(tǒng)采用主、分柜兩級(jí)輻射式供電方式。

將儲(chǔ)能電站直流系統(tǒng)母線分為兩段。Ⅰ段母線為保護(hù)、測(cè)控、操作及UPS 電源使用，電壓為220 V，并聯(lián)電源變換模塊選擇DC220V/2A。Ⅱ段母線為通信電源使用，電壓為48 V，并聯(lián)電源變換模塊選擇DC48 V/10 A，磷酸鐵鋰電池選擇12.8 V/150 Ah 磷酸鐵鋰電池包。

儲(chǔ)能電站負(fù)荷如表1 所示。

表1 直流系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

其中，保護(hù)測(cè)控、UPS 及斷路器跳閘負(fù)荷為經(jīng)常負(fù)荷；斷路器合閘負(fù)荷為隨機(jī)負(fù)荷。

2.1 計(jì)算Ⅰ段母線所需并聯(lián)電源組件數(shù)量

（1）為滿足事故初期1 min 持續(xù)性負(fù)荷電流的要求，并聯(lián)電源組件數(shù)量按公式（1）計(jì)算。

式中：Isg為交流停電時(shí)，變電站事故1 min 后最大持續(xù)性負(fù)荷電流，A；Kc為冗余系數(shù)（一般取1.2）；Idbl為單個(gè)并聯(lián)電源組件額定輸出電流，A。

計(jì)算需要的并聯(lián)電源組件數(shù)量為：

取n1=24 個(gè)。

（2）利用能量守恒定律，滿足串聯(lián)型蓄電池型式下事故放電時(shí)間，按照公式（2）計(jì)算并聯(lián)電源組件數(shù)量：

式中：Wcl為串聯(lián)型蓄電池組額定總能量，VAh；Umxe為直流母線額定電壓，V；Ccl為串聯(lián)型蓄電池額定容量，Ah。

由此計(jì)算串聯(lián)型蓄電池組額定總?cè)萘繛椋?/p>

單個(gè)并聯(lián)電源組件的額定總?cè)萘扛鶕?jù)公式（3）計(jì)算：

式中：Wdbl為單個(gè)并聯(lián)電源組件額定總能量，VAh；Udbl為單個(gè)并聯(lián)電源組件額定電壓，V；Cdbl為單個(gè)并聯(lián)電源組件額定容量，Ah。

由此單個(gè)并聯(lián)電源組件的額定總?cè)萘繛椋?/p>

計(jì)算并聯(lián)電源組件數(shù)量為：

取n2=28 個(gè)。

綜合以上2 種計(jì)算方法的結(jié)果，取n1和n2中數(shù)量較大的n2作為并聯(lián)電源組件數(shù)量，為28 個(gè)。

2.2 計(jì)算Ⅱ段母線所需并聯(lián)電源組件數(shù)量

（1）為滿足事故初期1 min 持續(xù)性負(fù)荷電流的要求，并聯(lián)電源組件數(shù)量按公式（1）計(jì)算：

取n1=14 個(gè)。

（2）利用能量守恒定律，滿足串聯(lián)型蓄電池型式下事故放電時(shí)間，按照公式（2）計(jì)算并聯(lián)電源組件數(shù)量：

單個(gè)并聯(lián)電源組件的額定總?cè)萘堪凑展剑?）計(jì)算：

計(jì)算并聯(lián)電源組件數(shù)量為：

取n2=22 個(gè)。

綜合以上2 種計(jì)算方法，取n1和n2中數(shù)量較大的n2作為并聯(lián)電源組件數(shù)量，為22 個(gè)。

2.3 過(guò)載續(xù)流電路設(shè)計(jì)

當(dāng)空開(kāi)脫扣電流大于并聯(lián)電池模塊組件的限流上限時(shí)，系統(tǒng)將閉鎖DC/DC 電壓變換裝置［3］。為保證大負(fù)荷饋線回路微型斷路器正常脫扣，設(shè)置蓄電池組串聯(lián)續(xù)流回路保障短路電流大于微型斷路器脫扣電流，其拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 過(guò)載續(xù)流電路拓?fù)涫疽鈭D

用于保護(hù)測(cè)控及操作的DC220V 直流電源系統(tǒng)將16 個(gè)12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包串聯(lián)后通過(guò)過(guò)載續(xù)流二極管（2個(gè)）、熔斷器后接于直流母線，其余磷酸鐵鋰電池包不接入續(xù)流電路。

用于通信電源的DC48V 直流電源系統(tǒng)將4 個(gè)12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包串聯(lián)后通過(guò)過(guò)載續(xù)流二極管（4 個(gè)）、熔斷器后接于直流母線。

3 并聯(lián)型直流電源磷酸鐵鋰蓄電池布置方案

由于磷酸鐵鋰電池對(duì)于安全性的要求，并聯(lián)型直流電源組件組柜布置在獨(dú)立的蓄電池室中。并聯(lián)型直流電源柜體按照800 mm（寬）×600 mm（深）×2 260 mm（高）考慮。

用于保護(hù)測(cè)控及操作電源的直流電源I 段母線組柜4 面，布置28 個(gè)12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包。用于通信電源的直流電源Ⅱ段母線組柜3 面，布置22 個(gè)12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包。

并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)配置1 套直流電源監(jiān)控裝置，提供對(duì)直流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及控制功能。監(jiān)測(cè)功能包括直流系統(tǒng)的交流輸入電壓、直流母線電壓電流、對(duì)地絕緣電阻以及每個(gè)單體電池的電壓電流、單體電池的模塊溫度、電池的環(huán)境溫度等。控制功能包括直流系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)置、充電方式選擇、充放電電流調(diào)節(jié)、定時(shí)均充等。直流電源監(jiān)控裝置布置安裝在并聯(lián)型直流電源組件柜內(nèi)。

根據(jù) 《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5044—2014）及《火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5136—2012）中對(duì)蓄電池布置及屏柜布置的要求，將并聯(lián)型直流電源組件柜布置在儲(chǔ)能電站的蓄電池室中，布置方案如圖2 所示。

圖2 蓄電池布置示意圖

圖2 布置方案為蓄電池室所需凈尺寸，實(shí)際工程中需要對(duì)墻體厚度及開(kāi)門位置進(jìn)行更加細(xì)致的考慮。

4 結(jié)論

并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)蓄電池的在線核容，提高了電池利用率，實(shí)現(xiàn)了在線更換單體蓄電池包，方便了運(yùn)維及檢修。并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)解決了磷酸鐵鋰蓄電池因長(zhǎng)期浮充帶來(lái)的安全問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了磷酸鐵鋰蓄電池在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用。

本文研究了并聯(lián)型直流電源容量的計(jì)算方法及布置方案，為并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用起到了一定的推動(dòng)作用。