變電站鋰電池并聯(lián)系統(tǒng)與級差配合研究

趙文欽，肖輝，張茂林，李逸航，龍飛宇，文章

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙410103；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南長沙410004)

0 引言

目前，變電站直流系統(tǒng)后備電源大多采用閥控式鉛酸電池，但鉛酸蓄電池維護工作量大、壽命短、容量受溫度影響較大、含對人體及環(huán)境有害的重金屬，不滿足現(xiàn)代化智能電網(wǎng)綠色、環(huán)保、低碳的發(fā)展要求[1]。文獻[2]分析了使用磷酸鐵鋰電池替代傳統(tǒng)鉛酸電池的可行性及預期效果，介紹了具體替代策略。文獻[3]中對電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)采用主動或被動均衡電路，可以基本實現(xiàn)電池單體間的電量均衡，解決電池單體間不一致性的問題，但因均衡電路單一，存在均衡時間較長、效率低等不足。同時，傳統(tǒng)的方法將電池串聯(lián)使用也使得電池組受單體電池影響較大，系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性較差，電池壽命較短。文獻[4]提出一種以磷酸鐵鋰電池為核心的新型智能并聯(lián)電池系統(tǒng)作為后備電源，可以提高直流系統(tǒng)供電可靠性，減少能量損耗，提高直流電源運行壽命。

在直流系統(tǒng)使用磷酸鐵鋰電池替代原有鉛蓄電池后，系統(tǒng)拓撲、蓄電池內(nèi)阻等重要參數(shù)發(fā)生變化，原有級差配合方案可能不再適用，會出現(xiàn)越級保護、靈敏性較低等問題。因此，必須重新計算直流系統(tǒng)短路電流、分析其級差配合是否合理，避免因設備更新不及時，系統(tǒng)出現(xiàn)故障時繼電保護元件拒動、誤動而造成嚴重后果[5]。

1 磷酸鐵鋰電池性能優(yōu)勢

磷酸鐵鋰電池是一種綠色環(huán)保的二次能源電池，具有能量比高、電壓高、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。隨著科技進步，生產(chǎn)力發(fā)展，近幾年磷酸鐵鋰電池在后備電源領域得到廣泛應用，具有廣闊的市場前景。磷酸鐵鋰電池作為鋰電池中一種高能量比的電池，具有以下優(yōu)勢[6]。

1)優(yōu)越的充放電性能。磷酸鐵鋰電池可大電流、快速、穩(wěn)定充放電，而鉛酸電池不具備此性能。

2)耐高溫。鉛酸電池耐高溫特性較差，浮充時電池容量損耗較大，而磷酸鐵鋰電池的充放電范圍較大，耐高溫能力較好。

3)能量比更高。相同體積下，磷酸鐵鋰電池的能量密度是鉛酸電池的3~4倍。

4)擱置壽命更長。鉛酸電池在電極進入電解液后會產(chǎn)生不可逆的硫酸鹽化問題，而磷酸鐵鋰電池在靜置過程中正負極材料完全隔離，擱置壽命更長。

5)無硫化問題。鉛酸電池的極板會不可逆地硫化產(chǎn)生硫酸鉛，需要定期溶解產(chǎn)生的硫酸鉛。而磷酸鐵鋰電池極板之間相互隔離，不會產(chǎn)生硫化問題。

6)安全、環(huán)保。鉛酸蓄電池主要原料是鉛和硫酸，生產(chǎn)、使用過程對環(huán)境污染較嚴重。而磷酸鐵鋰電池符合ROHS(Restriction of Hazardous Substances)規(guī)定，制造過程對環(huán)境污染較小。

選用磷酸鐵鋰電池取代鉛酸電池作為變電站直流系統(tǒng)后備電源可以解決鉛酸電池維護工作量大、壽命短、容量受溫度影響較大等問題，是目前變電站的一大發(fā)展趨勢，可以提高直流系統(tǒng)后備電源的供電可靠性，更好地適應電網(wǎng)發(fā)展需求。

2 智能電池并聯(lián)系統(tǒng)

傳統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)中，采取串聯(lián)一定數(shù)目的單體電池的方法，目前單體電池端電壓(3.2 V左右)較低，為達到直流系統(tǒng)電壓要求，需要大量電池參與串聯(lián)，但單體電池存在差異，電池組不一致性成為需要克服的一大難題。解決電池組不一致性的方法主要是通過均衡電路對單體電池電量進行平衡、轉(zhuǎn)移，但引入均衡電路的同時也帶來了一系列新的問題，如均衡時間過長、能量轉(zhuǎn)換率低、需要BMS實時管理、監(jiān)控等。

本文將單體電池與電力電子設備連接，組成具有升壓、逆變功能的智能電池并聯(lián)系統(tǒng)[7]。選擇單體電壓12 V，容量150 A·h的鋰電池，經(jīng)升壓、逆變后變?yōu)?20 V交流電壓輸出，滿足直流系統(tǒng)電壓基本需求的同時，也減少了因電池組不一致性對電池壽命的影響，避免引入均衡電路帶來的問題，解決串聯(lián)電池組接線復雜、可靠性低、需要停電運行維護、新舊電池兼容性較差等問題。智能電池并聯(lián)系統(tǒng)如圖1所示，其中直流輸入電壓為10.5~14.5 V，輸出直流電壓為220 V。

圖1 智能電池并聯(lián)系統(tǒng)

3 直流系統(tǒng)與級差分析

3.1 直流系統(tǒng)拓撲圖

對某110 kV變電站進行直流系統(tǒng)蓄電池升級改造后，使用磷酸鐵鋰電池替代之前的鉛酸電池，采用兩組電池組，互為備用，每個電池組包括兩個智能電池并聯(lián)系統(tǒng)，每個智能電池并聯(lián)系統(tǒng)容量為150 A·h，原有充電裝置、核容設備保持不變，系統(tǒng)拓撲如圖2所示。其中S0為充電接觸器，控制充電機與電池系統(tǒng)的通斷，聯(lián)合放電二極管D0實現(xiàn)充放電回路分離，S0斷開時保證放電回路持續(xù)導通；S1、S2為并機接觸器，控制單簇電池并聯(lián)系統(tǒng)與直流母線的通斷；K1、K2、K3為核容接觸器，控制單簇電池并聯(lián)系統(tǒng)與核容器的通斷；Q1、Q2為組串斷路器，控制單簇電池并聯(lián)系統(tǒng)通斷，可滿足系統(tǒng)過載、短路、急停狀態(tài)下的保護需求。直流系統(tǒng)部分參數(shù)見表1。

圖2 含智能電池并聯(lián)系統(tǒng)的直流系統(tǒng)拓撲

表1 磷酸鐵鋰電池型直流電源系統(tǒng)性能參數(shù)

3.2 直流系統(tǒng)短路計算

直流斷路器與熔斷器是直流系統(tǒng)的主要繼電保護元件，通常在同一回路中設置三至四級，各級保護元件的額定電流之差即為級差。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各級保護元件能否及時、準確地配合動作，直接關乎到直流系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定性。若級差配合設置不合理，保護元件出現(xiàn)誤動、拒動、越級動作等情況，不能迅速準確地將故障切除、縮小停電區(qū)域，會給直流系統(tǒng)甚至變電站造成嚴重后果。同時，廠商生產(chǎn)直流負荷側(cè)保護設備時，主要考慮供電可靠性，設置的設備額定電流較大，忽略了最大負荷電流的選擇原則，使得保護元件對電路保護選擇性降低。故使用新的電池替代原有電池后，對新的系統(tǒng)進行短路電流計算，分析級差配合合理性是必須的[8]。

直流斷路器是變電站直流系統(tǒng)中的主要保護器件，分析其級差配合是否合理的主要依據(jù)是系統(tǒng)各短路點短路電流值，故需要對系統(tǒng)各回路進行短路電流計算，考慮級差問題。磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩部分，在恒溫條件下，歐姆電阻基本不變，而極化電阻會發(fā)生變化。運行電流及短路電流引起的極化內(nèi)阻在一定程度上可減小短路電流，故備電狀態(tài)下忽略極化內(nèi)阻，僅考慮歐姆內(nèi)阻。根據(jù)國家電網(wǎng)公司?直流電源系統(tǒng)技術標準?，斷路器處短路電流Ik計算公式如下:

式中，Un為直流系統(tǒng)額定電壓；n為蓄電池個數(shù)；rb為蓄電池內(nèi)阻；r1為蓄電池間連接條或?qū)w電阻；∑rl為蓄電池組至斷路器安裝處連接電纜或?qū)w電阻之和；∑rb為相關斷路器觸頭電阻之和。

根據(jù)繼電保護元件整定原則，考慮級差配合時需按最大短路電流計算[9]，即考慮系統(tǒng)回路總電阻最小情況。但由于磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻隨電池荷電量(SOC)變化，一般認為當電池SOC為50%左右時，電池直流內(nèi)阻達到最小[10]。故計算短路電流時，磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻選取SOC為50%時的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)。同時，采用新型智能電池并聯(lián)系統(tǒng)，引入的部分電力電子器件內(nèi)阻同樣需要考慮，因此對式(1)進行補充，得到式(2):

式中，re為智能電池并聯(lián)系統(tǒng)元件內(nèi)阻。

3.3 短路電流計算方案

選取湖南省內(nèi)某220 kV變電站直流系統(tǒng)分析，該變電站直流系統(tǒng)電壓220 V，系統(tǒng)容量為300 A·h，蓄電池選用LFP48173170E型磷酸鐵鋰電池。電池出口處保護采用直流熔斷器與斷路器配合，熔斷器型號為BUSSMAN NH，斷路器采用5SJ52系列塑殼斷路器，分斷能力為10 kA，瞬時脫扣范圍為8In~12In。系統(tǒng)部分參數(shù)見表2，直流系統(tǒng)網(wǎng)絡簡化如圖3所示，根據(jù)式(2)分別計算電池出口、直流母線等5個點故障時的短路電流。

圖3 直流系統(tǒng)網(wǎng)絡簡化圖

表2 系統(tǒng)阻值 mΩ

續(xù)表2

1)d1點短路(電池出口)

短路點電流:Id1＝Un/[(RB＋RE＋RQF0＋RK)/2]＝220/[(37.6＋0.5＋0.6)/2]＝11.37 kA。

單電池組串電流:IB＝Id1/2＝5.68 kA。

2)d2點短路(直流母線)

短路點電流:Id2＝Un/[(RB＋RE＋RQF0＋RK) /2＋RL0] ＝220/[(37.6＋0.5＋0.6) /2＋28] ＝4.65 kA。

單電池組串電流:IB＝Id2/2＝2.32 kA。

3)d3點短路(饋電屏出口)

短路點電流:Id3＝Un/[(RB＋RE＋RQF0＋RK) /2＋RL0＋RKB＋RLQF2＋RQF2] ＝220/[ (37.6＋0.5＋0.6)/2＋28＋1.05＋0.66＋1.4]＝4.36 kA。

單電池組串電流:IB＝Id3/2＝2.18 kA。

4)d4點短路(大負荷)

短路點電流:Id4＝Un/[(RB＋RQF0＋RK) /2＋RL0＋RKB＋RLQF2＋RQF2＋RL2] ＝220/[ (37.6＋0.5＋0.6)/2＋28＋1.05＋0.66＋1.4＋10.94]＝3.58 kA。

單電池組串電流:IB＝Id4/2＝1.79 kA。

5)d5點短路(小負荷)

短路點電流:Id5＝Un/[(RB＋RQF0＋RK) /2＋RL0＋RKB＋RLQF3＋RQF3＋RL3] ＝220/[ (37.6＋0.5＋0.6)/2＋28＋1.05＋1.32＋2.5＋43.76]＝2.29 kA。

單電池組串電流:IB＝Id5/2＝1.15 kA。

3.4 直流系統(tǒng)級差配合分析

系統(tǒng)采用并聯(lián)方式實現(xiàn)2組電池系統(tǒng)互備的運行方式，單體電池容量為150 A·h，1 h放電電流約150 A，根據(jù)?電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程?，電池端出口熔斷器和斷路器額定電流選取160 A，當斷路器短路電流達到8In(1 280 A)時，斷路器可能在0.02 s內(nèi)脫扣。斷路器脫扣特征曲線如圖4所示，熔斷器脫扣特征曲線如圖5所示。

圖4 5SJ52斷路器脫扣特征曲線

圖5 熔斷器脫扣特征曲線

根據(jù)計算的各位置短路電流數(shù)值及保護器件脫扣曲線，進行級差分析:

1)d1點短路，電池短路電流5 680 A。QFx均不動作；QF0x瞬時脫扣電流8In＝1 280 A，12In＝1 920 A，QF0x會在0.02 s內(nèi)脫扣；FU0x根據(jù)時間電流特性曲線，會在0.01 s內(nèi)熔斷。

2)d2點短路，電池短路電流2 320 A。QFx均不動作；QF0x瞬時脫扣電流8In＝1 280 A，12In＝1 920 A，QF0x可能在0.02~5 s內(nèi)脫扣，靈敏性不足；FU0x根據(jù)時間電流特性曲線，會在0.1 s內(nèi)熔斷。

3)d3點短路，短路點電流5 000 A，電池短路電流2 180 A。QF2瞬時脫扣電流10In＝630 A，QF2分斷能力滿足需求并可在0.1 s內(nèi)脫扣；QF0x最小瞬時脫扣電流8In＝1 280 A，QF0x可能在0.02 s內(nèi)脫扣，越級保護；FU0x根據(jù)時間電流特性曲線，會在0.1 s內(nèi)熔斷，越級保護。

4)d4點短路，短路點電流4 000 A，電池短路電流1 790 A。QF2瞬時脫扣電流10In＝630 A，QF2分斷能力滿足需求并可在0.1 s內(nèi)脫扣；QF0x最小瞬時脫扣電流8In＝1 280 A，QF0x可能在0.02 s內(nèi)脫扣，越級保護；FU0x根據(jù)時間電流特性曲線，會在0.1 s左右熔斷，越級保護。

5)d5點短路，短路點電流2 460 A，電池短路電流1 150 A。QF3瞬時脫扣電流10In＝320 A，QF3分斷能力滿足需求并可在0.1 s內(nèi)脫扣；QF0x最小瞬時脫扣電流8In＝1 280 A，QF0x脫扣時間大于5 s；FU0x根據(jù)時間電流特性曲線，熔斷時間大于3 s。

3.5 直流系統(tǒng)級差配合問題及建議

1)d2和d3短路點臨近，兩點間阻抗較小，短路時體現(xiàn)在電池的短路電流相差過小(2 320 A－2 180 A＝140 A)，QF0x欲實現(xiàn)d2點短路時瞬時脫扣，d3點短路時不脫扣，其額定電流需滿足12In－8In<120 A，得In<30 A，不符合系統(tǒng)需求，因此級差分析時d2和d3點作為一點分析，即母線短路，并盡可能保證直流屏出口無故障。

2)d4點短路時，也會發(fā)生越級保護，應更改配置。

3)d2點短路時，QF0x瞬時脫扣靈敏性不足，應更改配置。

4 結(jié)語

對湖南省內(nèi)某220 kV變電站直流系統(tǒng)后備電源使用新型磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)替代原有蓄電池后，對該系統(tǒng)進行短路電流計算與級差配合分析，結(jié)果表明系統(tǒng)的保護元件會出現(xiàn)靈敏度不足、越級保護等問題。

因此，將變電站直流系統(tǒng)蓄電池使用磷酸鐵鋰電池替代后，其供電可靠性、安全性提高，更加符合智能電網(wǎng)現(xiàn)代化、智能化的趨勢，但同時也引出了新的問題:原有繼電保護裝置不再滿足選擇性，需要更新升級，且必須進行大量級差配合試驗。應選擇合適的斷路器、熔斷器型號，保證各級保護之間合理配合，當回路中出現(xiàn)故障時及時切除故障、及時縮小故障范圍，為直流系統(tǒng)提供可靠的保障。