基于鋰電池組的變電站直流系統接線方式及其運行

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設計的基礎。直流電源系統的各項技術指標，尤其是系統可靠性，與接線方式密切相關。傳統上變電站直流電源的備用電源系統，以鉛酸蓄電池為儲能元件，工程技術人員經過多年的理論研究和實踐探索，為這種類型的直流電源系統，確立了一種電池饋電拓撲結構，基于這種拓撲結構的直流系統接線方式，已經成為業內標準[1，2]。

隨著鋰電制造工藝的成熟，環保無鉛的鋰電池替代鉛酸電池是一種發展趨勢。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中的應用，設計一種新的電路拓撲，以適應鋰電池的工作特性，確保整個直流電源系統的高可靠性。

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。標稱電壓為220 V的直流母線，正常運行時允許±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%偏差的條件計算串聯電池的只數：

串聯電池的只數應在66到72之間選取。在實際工程應用中，從系統的可維護性考慮，需要由設備生產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場把幾個電池包串接成一組。鋰電池包技術特性應盡量的統一、規范，同時也應兼顧110 V直流電源系統應用需求。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只電池單體串聯而成。按這種方式構成的電池組，在幾種典型狀態下的端電壓如表1所示。

表1典型狀態下電池組的端電壓 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程關于最高母線電壓242 V的規定，不能直接輸出到饋電母線，必須對直流系統主接線進行特殊設計。

2直流系統接線方式

采用鉛酸蓄電池組的變電站直流系統，典型的接線方式如圖1所示。

圖1鉛酸蓄電池直流系統接線方式

這種接線方式在生產實踐中具有廣泛的應用，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。依據文獻[1]及磷酸鐵鋰電池的技術特性，在典型設計GDZW40的基礎上，提出一種新的直流系統接線方式，如圖2所示。

圖2磷酸鐵鋰電池組直流系統接線方式

這種接線方式下，整個直流電源系統由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高頻開關整流模塊并聯工作，自均流，以恒壓限流模式運行，直流穩壓值為223 V，穩壓精度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荷。

充電母線另外配置2個20 A高頻開關整流模塊并聯工作，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直流系統運行方式

兩類直流母線分別設立后，仍然必須保證在變電站的自用交流供電失去時，直流系統能夠平滑切換到由備用蓄電池提供電源。這由系統的動態電源路徑管理實現。動態電源路徑管理通過控制快速切換開關，確保在各種不同運行條件下，直流饋電母線的持續穩定供電。

3.1整流供電

交流供電正常情況下，交流電源經饋電整流模塊組向直流負載提供電流，饋電母線電壓由饋電整流模塊的輸出電壓決定。考慮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狀態，快速切換開關進入零電流隔離狀態，將充電母線與饋電母線隔離，保護蓄電池組不會因為繼續充電而受損。

3.2沖擊負荷

當饋電支路上出現短路，或者出現較大的合閘操作電流時，直流母線的電壓應保持足夠穩定，以保證符合規程內有關沖擊放電曲線的規定。鉛酸蓄電池直接并聯在母線上浮充電的傳統接線方式，就考慮了當直流系統出現上述沖擊性負荷時，由電池組補充提供臨時需要的瞬態大電流，以便維持直流母線電壓的穩定。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，當出現沖擊負荷時，位于蓄電池組與饋電母線之間的快速切換開關自動導通，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，確保在外部沖擊負荷時維持母線電壓穩定。

3.3電池供電

當外部交流電源失電時，處于隔離狀態的快速切換開關變為導通狀態，電池組向饋電母線提供負荷電流。饋電母線電壓隨電池放電過程，在規程容許的范圍內有一定變化。就68串電池組而言，電池組荷電率從95%變化至15%時，所對應的電壓變化在227～203 V之間，符合相關技術規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，充電整流模塊組經充電控制開關對蓄電池組進行充電，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，被快速切換開關隔離，互不影響。充電模塊在電池管理系統（BMS）控制下為磷酸鐵鋰電池組充電。根據文獻資料[3，4]和電池生產廠的建議，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給出，限壓值設置為252 V。充電模塊在電池組電壓達到252 V后，繼續對電池組進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，直流系統會自動轉入電池供電的運行狀態，直流系統供電連續性不受影響。

4系統試驗

按照國家標準[5]對采用新型接線方式的磷酸鐵鋰電池直流系統進行試驗，試驗數據表明：這種直流系統的特性符合國家標準，其沖擊負荷下的電壓穩定性明顯優于采用鉛酸電池的系統。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準規定的范圍。

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，系統自動轉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，在交流恢復后，經過短暫的延時，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結束語

圖4交流供電恢復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，需要設計一種新型接線方式，并保證這種接線方式之下的各種運行特性滿足變電站的實際運行需要。針對變電站直流系統的應用環境，提出一種新的接線方式，將充電母線與饋電母線分別設立，采用快速切換開關保證交流供電、直流供電和充電狀態下，直流供電母線的電壓始終處于規程要求的范圍之內。動態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束后，不必長期工作在對其不利的浮充電狀態下，從而解決了磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統中應用的一個關鍵問題。

[1]DL/T 5044—2004，電力工程直流系統設計技術規程[S].

[2]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]武雪峰，王振波.LiFePO 4/C電池循環性能和安全性能的研究[J].電池工業，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計[D].重慶：重慶大學，2010.

[5]GB/T 19826—2005，電力工程直流電源設備通用設計條件及安全要求[S].