站用磷酸鐵鋰直流操作電源的研究與應(yīng)用

摘" 要： 為了解決磷酸鐵鋰電池在直流操作電源中長期浮充和運(yùn)維工作量大的問題，提出一種適用于此系統(tǒng)的控制策略。首先，給出磷酸鐵鋰直流操作電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其運(yùn)行工作原理；然后，提出間歇式充電控制策略，避免電池長期處于浮充狀態(tài)，并引入有源并網(wǎng)放電技術(shù)的放電控制以降低電池運(yùn)維工作量，通過串聯(lián)二極管的溫控風(fēng)冷散熱設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的獨(dú)立不間斷供電；最后，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況的分析，給出系統(tǒng)電壓和電流參數(shù)的運(yùn)行變化曲線。研制了站用磷酸鐵鋰直流操作電源系統(tǒng)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提控制策略正確且有效，可為磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用及推廣提供參考。

關(guān)鍵詞： 磷酸鐵鋰電池； 直流操作電源； 有源并網(wǎng)放電技術(shù)； 間歇式充電； 核容式放電； 獨(dú)立不間斷供電

中圖分類號： TN86?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）06?0068?05

Research and application of lithium iron phosphate DC operating power

supply for substation

ZHAO Jing1， 2， ZHANG Weigang2

（1. Henan Network Engineering Intelligent Service Engineering Research Center， Xuchang 461000， China;

2. Xuchang Vocational Technical College， Xuchang 461000， China）

Abstract： In order to solve the problem of long?term floating charge and large operation and maintenance workload of lithium iron phosphate battery in DC operating power supply， a novel control strategy suitable for this system is proposed. The main circuit topology of lithium iron phosphate DC operating power supply is given， and its operating principle is described. The internal charging control strategy is proposed to avoid the battery being in floating charging state for a long time， and the discharge control of active grid?connected discharge technology is introduced to reduce the workload of battery operation and maintenance. The independent uninterrupted power supply of the load is realized by means of the temperature controlled and air?cooled heat dissipation design with series diode. According to the analysis of the operating condition of the system， the operating curves of the system voltage and current parameters are given. The prototype of the lithium iron phosphate DC operating power supply for substation is developed. The experimental results show that the proposed control strategy is correct and effective， which can provide reference for the application and popularization of lithium iron phosphate battery in substation.

Keywords： lithium iron phosphate battery; DC operating power supply; active grid?connected discharge technology; internal charging; nuclear capacitive discharging; independent uninterrupted power supply

0" 引" 言

蓄電池作為備用電源，是站用直流操作電源系統(tǒng)的重要組成部分，是保證負(fù)荷不間斷供電的最后一道防線[1]。然而，閥控鉛酸蓄電池含有對人體及環(huán)境有害的重金屬且維護(hù)工作量大[2]。隨著綠色環(huán)保和節(jié)能減排的需求日益強(qiáng)烈，具有安全環(huán)保和可維護(hù)性等特點(diǎn)的磷酸鐵鋰電池[3?4]開始得到應(yīng)用。

有研究以單體電池串并聯(lián)形成電池組，然后通過串聯(lián)方式組成滿足站用母線電壓需求的磷酸鐵鋰電池簇，然而客觀存在不能過充過放和一致性差等不足，同時長期的浮充電運(yùn)行工況會使得電池材料表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變或破壞，從而導(dǎo)致電池浮充失效及性能衰減，甚至?xí)戆踩[患，進(jìn)而引發(fā)一系列安全問題[5?6]。文獻(xiàn)[1]提出變電站磷酸鐵鋰直流系統(tǒng)的間斷式充電控制策略，通過調(diào)整間斷式浮充電的時間占比來給電池充電。文獻(xiàn)[7]提出了浮充保護(hù)型磷酸鐵鋰電池，可以直接代替鉛酸蓄電池應(yīng)用到站用直流操作電源中，然而該電池的成本相對較高。文獻(xiàn)[8]將磷酸鐵鋰電池在110 kV變電站浮充使用，提出需要增加對單體電池進(jìn)行均衡的電池管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]提出了基于磷酸鐵鋰電池的非浮充式變電站直流電源系統(tǒng)，通過電池管理實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池不離線和非浮充的充電控制及保護(hù)。

本文中針對磷酸鐵鋰電池在站用直流操作電源的應(yīng)用，結(jié)合恒流充電、恒壓充電和間歇式脈沖充電[10?13]的充電理念，首先闡述了磷酸鐵鋰電池的直流操作電源的構(gòu)成和工作原理；接著提出了基于充放電控制閥的系統(tǒng)控制策略，利用間歇式充電解決了長期浮充帶來的安全隱患，采用有源并網(wǎng)放電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，降低了核容運(yùn)維工作量，同時能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷的不間斷供電需求；最后研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，為磷酸鐵鋰電池在站用直流操作電源的應(yīng)用及發(fā)展提供了一定的借鑒意義。

1" 系統(tǒng)工作原理

站用磷酸鐵鋰直流操作電源主要由充電裝置、放電裝置、絕緣監(jiān)測裝置、直流監(jiān)控裝置、充放電控制閥和磷酸鐵鋰電池簇等組成，如圖1所示。

正常情況下，站用交流電經(jīng)交流配電單元，通過AC/DC變換器連接直流母線給負(fù)荷供電，電池處于自放電的備用供電狀態(tài)。

電池充電運(yùn)行狀態(tài)：交流電經(jīng)充電裝置和充電控制閥給磷酸鐵鋰電池簇進(jìn)行充電，不影響直流母線給直流負(fù)荷的供電。

電池放電運(yùn)行狀態(tài)：電池經(jīng)充放電控制閥和放電裝置連接交流電進(jìn)行放電，不影響直流母線給直流負(fù)荷供電。

電池供電運(yùn)行狀態(tài)：突然交流失電的情況下，電池經(jīng)充放電控制閥連接直流母線，從而不間斷地給直流負(fù)荷供電。

2" 系統(tǒng)控制策略

2.1" 間歇式充電控制

為了避免磷酸鐵鋰電池長期處于浮充工作模式，借鑒間歇脈沖充電[10?13]的控制思想，將間歇脈沖充電中的正脈沖和零脈沖由恒流充電的電流值更改為充電的控制信號，正脈沖和零脈沖的時間比更改為開通時間ton和關(guān)斷時間toff。

在開通時間內(nèi)，對電池進(jìn)行恒流充電?恒壓充電的補(bǔ)充充電，由于磷酸鐵鋰電池具有可大電流充電的特性，可以在0.1C10～1.0C10的范圍內(nèi)充電，其開通時間為幾分鐘到半小時；在關(guān)斷時間內(nèi)，電池處于靜置自放電狀態(tài)，由于磷酸鐵鋰電池具有自放電率低的特性，其關(guān)斷時間的單位為月或者年。間歇式充電控制方法的原理如圖2所示。

電池充電電壓被控制在最高允許電壓范圍內(nèi)，防止電池長期過充和欠充的電池安全隱患。電池電壓低于單體電池設(shè)定值1（Vset1）·串聯(lián)電池數(shù)量或者定期充電時間到達(dá)設(shè)定值，又或者電池組剩余容量（SOC）小于90%，同時調(diào)高AC/DC變換器和充電裝置電壓至單體電池設(shè)定值2（Vset2）·串聯(lián)電池數(shù)量，調(diào)節(jié)充電裝置輸出電流限流值為設(shè)置值1（Iset1），最后控制充放電控制閥的充電接口導(dǎo)通，電池組開始充電。當(dāng)限流給定調(diào)節(jié)到零（Iset2）時，或者電池電壓大于單體電池設(shè)定值2（Vset2）·串聯(lián)電池數(shù)量，或者電池電流小于輸出電流限流值1（Iset1），延時一定時間（例如15 min）；或者充電告警（充電高溫或者充電低溫）時延時一定時間（例如5 s）。接著，控制充放電控制閥的充電接口斷開，同時調(diào)低AC/DC變換器和充電裝置電壓至單體電池設(shè)定值3（Vset3）·串聯(lián)電池數(shù)量。

2.2" 核容式放電控制

站用鉛酸蓄電池正常情況下長期處于浮充狀態(tài)，其高倍率放電是周期性的核對性放電試驗(yàn)，通常定期將耗散型電阻負(fù)載通過人工操作連接到直流操作電源系統(tǒng)的放電端子上，同時關(guān)掉交流電輸入，讓其以0.1C10電流恒流進(jìn)行10 h放電[1]。而磷酸鐵鋰電池可以在0.1C10～1.0C10的范圍內(nèi)放電，大幅度縮短核對性放電的時間。此外，有源并網(wǎng)放電裝置可以代替耗散型電阻，將電池的能量轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排且避免了人工大量操作。

設(shè)置放電電流（Iset3）、放電終止單體電壓（Vset4）和放電終止電池電壓（Vset4·串聯(lián)電池數(shù)量），當(dāng)設(shè)置的定期核容放電時間到達(dá)，且能夠滿足電池放電的外部條件時，控制充放電控制閥的放電接口開通，經(jīng)有源并網(wǎng)放電裝置開始恒流放電操作。當(dāng)任何一個放電終止條件滿足或者放電告警時，控制有源并網(wǎng)放電裝置關(guān)機(jī)，且關(guān)斷充放電控制閥的放電接口。

2.3" 負(fù)荷不間斷供電

為了實(shí)現(xiàn)交流失電情況下負(fù)荷供電不間斷，充放電控制閥的供電接口內(nèi)部與直流母線正極之間串聯(lián)二極管，利用二極管的單向?qū)ㄐ员苊庵绷髂妇€對電池充電，根據(jù)所設(shè)計電池允許的最大放電電流，選擇二極管的通態(tài)平均電流，同時考慮裕量和可靠性，采用二極管并聯(lián)組成的模塊。為了實(shí)現(xiàn)二極管的可靠散熱，配置散熱器及強(qiáng)迫風(fēng)冷的風(fēng)機(jī)，由于此工況運(yùn)行較少，以散熱器溫度超過設(shè)定值來啟動風(fēng)機(jī)，此外正常工況下風(fēng)機(jī)不運(yùn)行。

2.4" 系統(tǒng)參數(shù)變化曲線

磷酸鐵鋰直流操作電源根據(jù)系統(tǒng)控制策略，可以分為充電工況、放電工況和供電工況三個運(yùn)行工況，其中充電方式具有恒流充電、恒壓充電和間歇充電，放電方式具有靜置備用自放電和恒流核容放電，供電方式具有AC/DC負(fù)荷供電和交流失電不間斷供電。運(yùn)行工況下的電壓及電流參數(shù)變化曲線如圖3所示，具體為t1～t5階段的變化趨勢[14]。

1） t1階段為恒流充電

充電電流保持恒定，最大充電電流限制在允許值，充電電壓低于最大充電允許值，且電池電壓逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到設(shè)定的電壓值后結(jié)束此階段。充電電流越大則電壓增長越快，能夠加快充電速度進(jìn)而縮短時間[15]。

2） t2階段為恒壓充電

充電電壓保持恒定，最大充電電壓限制在允許值，充電電流低于最大充電允許值，且充電電流逐步減小，當(dāng)電池充電電流下降到設(shè)定值或充電時間達(dá)到規(guī)定值后，結(jié)束此階段。該階段能夠?qū)崿F(xiàn)電池容量的充滿，避免電池處于虛滿狀態(tài)。

3） t3階段為靜置備用

電池完成充電后，充放電回路均斷開，進(jìn)入靜置備用狀態(tài)，電池端電壓和容量隨著自放電或事故放電逐步降低，在電池電壓或SOC達(dá)到設(shè)定值，結(jié)束此階段。

4） t4階段為間歇充電

在電池電壓或SOC降低到設(shè)定值時，電池充電回路接通，電池重新進(jìn)入t1階段和t2階段，避免了電池處于長期浮充帶來的安全隱患。

5） t5階段為恒流放電

在t1～t4的任何一個階段，交流失電或者AC/DC變換器故障無輸出時，電池?zé)o延時、不間斷地對直流負(fù)荷供電，并根據(jù)負(fù)荷情況提供能量。

3" 試" 驗(yàn)

基于上述系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研制了系統(tǒng)樣機(jī)，其中：單體電池采用山東圣陽YJT40220413?150Ah型磷酸鐵鋰電池，共68只鐵鋰鋁殼電芯，12個單體電池串聯(lián)組成一個標(biāo)準(zhǔn)電池組，8個單體電池組成一個非標(biāo)準(zhǔn)電池組，最后由5個標(biāo)準(zhǔn)電池組和1個非標(biāo)電池組形成磷酸鐵鋰電池簇。AC/DC變換器3臺，10 A/220 V并聯(lián)；充電裝置為4臺10 A/220 V并聯(lián)；放電裝置1臺，20 A/220 V；充放電控制閥1套。同時測試儀器包括臺式計算機(jī)、數(shù)字熒光示波器DP04034B。

基于核容放電控制的電壓和電流變化曲線如圖4所示。從圖中可以看到，電流值保持不變，電壓逐步降低，符合恒流放電階段的參數(shù)變化曲線，表明了核容放電控制的理論分析的有效性。

充電過程中的電壓和電流參數(shù)變化曲線如圖5所示。從圖中可以看到，其波形的變化同恒流充電、恒壓充電、靜置備用和間歇充電的理論分析波形相似，表明了間歇式充電和系統(tǒng)參數(shù)變化曲線的有效性。

圖6為負(fù)荷不間斷供電的波形圖。從圖中可以看到，當(dāng)交流失電的過程中，直流母線電壓仍然存在，保證了負(fù)荷的不間斷供電。

4" 結(jié)" 論

本文提出了站用磷酸鐵鋰直流操作電源的系統(tǒng)控制策略，給出了系統(tǒng)的主電路拓?fù)洳㈥U述了工作原理，利用間歇式充電解決了電池的長期浮充問題，引入有源并網(wǎng)放電技術(shù)降低了電池的運(yùn)維工作量，采用二極管的溫控風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的獨(dú)立不間斷供電，給出了各運(yùn)行工況下電壓和電流的變化曲線，最后研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了控制策略的有效性和正確性，為磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用及發(fā)展提供了一定的借鑒意義。

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作者簡介：趙" 景（1982—），女，河南許昌人，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。

張偉剛（1979—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)殡娐废到y(tǒng)設(shè)計。

收稿日期：2024?07?15" " " " " "修回日期：2024?08?20

基金項(xiàng)目：2021年河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計劃立項(xiàng)項(xiàng)目：基于無線組網(wǎng)技術(shù)的花園智能生態(tài)管理系統(tǒng)的研究（22B520030）；許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院“5G工程技術(shù)中心”科研平臺；2023年度河南省職業(yè)教育教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（省級重點(diǎn)）《新課標(biāo)背景下高職《信息技術(shù)》課程改革與實(shí)踐》（豫教（2024）05760）