電動汽車電池用于電網低電壓線路的儲能調壓試驗

廖強強，穆廣平，徐華，周國定，周肖平，李曉華，蔣大為

(1.上海電力能源轉換工程技術研究中心(上海電力學院)，上海市 200090；2. 國網上海市電力公司, 上海市 200080)

電動汽車電池用于電網低電壓線路的儲能調壓試驗

廖強強1，穆廣平2，徐華2，周國定1，周肖平2，李曉華1，蔣大為2

(1.上海電力能源轉換工程技術研究中心(上海電力學院)，上海市 200090；2. 國網上海市電力公司, 上海市 200080)

通過增加桿上變壓器數量來擴大電網容量，會大大增加電網線路的改造成本。為此，采用由國家電網公司提供的充、換電站電動汽車電池和自行研制的能量轉換裝置(power conversion system，PCS)組成的儲能系統，通過實驗室模擬對低電壓線路進行調壓試驗。試驗結果表明：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，1個電池箱工作電壓為69～80 V，5個電池箱串聯可滿足PCS直流側電壓在324～438 V的要求；在低電壓時段通過電池儲能系統放電給供電線路，可以有效提升線路電壓。與增加桿上變壓器擴容方法相比，電池儲能調壓裝置具有安裝簡便、占地少、投資小、移動靈活、可重復利用等特點。

電動汽車電池；低電壓線路；儲能；調壓

0 引 言

電網線路低電壓現象是影響城市和農村用電質量的主要因素之一[1-2]。由于家用電器集中使用、線路設備陳舊老化、臨時租借房屋超負荷用電、居民或工業小區供電半徑過長等原因，致使短時段負荷增大，導致電壓跌落。線路低電壓問題將增大線損、降低送變電設備能力，造成空調、冰箱等電器不能正常運轉，嚴重時還將造成電壓崩潰和大面積停電。上海低電壓熱點地區具有季節性和時段性特點，而且隨著城市人口的流動頻繁，每年低電壓熱點地區會有變化。解決低電壓問題的常規辦法是通過增加桿上變壓器數量來擴大電網容量[3]，電網通過足夠的備用容量來應對僅數天的短時峰值負荷，這種辦法大大增加了設備的投資、安裝和運行費用。采用電容器對低電壓線路進行無功補償是改善低電壓現象的有效手段[4]，然而，城市電網線路低電壓的主要原因是由于短時段負荷增大導致電壓跌落，通過加裝傳統的電容器也不能解決問題。而基于電壓源換流器(voltage source convertor，VSC)的新型無功補償裝置(static var generator，SVG)，其直流側是電容，存儲的能量非常有限，只能運行在2個象限內，即發出無功功率和吸收無功功率，而不能與系統交換大量的有功功率。如果在直流側采用電池儲能系統，就可以發送和吸收有功功率，解決短時段負荷增大引起的電壓跌落問題。

隨著電池儲能技術[5-8]的發展，采用電池儲能系統解決包括低電壓現象在內的電能質量問題[9-13]是研究的熱點之一，文獻[14]采用Hawker能源公司的高級鉛酸電池研制的動態電壓恢復器有效解決了低電壓問題。由于鉛酸電池的能量密度小、功率密度低、充電時間長、循環壽命短、自放電率高，再加上容易造成環境污染，盡管成本較低，但已經不是電池儲能技術的發展方向。而鋰離子電池具有比能量高、循環壽命長、大電流放電能力強、高功率承受力、自放電率低等優點，其比能量達到了鉛酸電池的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，遠大于鉛酸電池單體電池電壓，鋰離子電池循環壽命在淺充放模式下可以達到3 000～5 000次，儲能效率可以達到90%以上。因此，鋰離子電池儲能系統成為居民或工業小區的理想選擇。

為了推動電動汽車的發展，國家電網公司在蘇滬杭高速公路服務區建設了電動汽車充換電站，儲備了大量的換電式電動汽車標準電池(磷酸鐵鋰電池)。由于電動汽車發展步伐的放緩，如何拓寬換電式車用鋰離子電池的應用領域也是國有資產保值增值所要考慮的問題。本文采用由國家電網電動汽車換電式標準電池和自行研制的能量轉換裝置(power conversion system, PCS)組成儲能系統，通過實驗室模擬低電壓線路進行調壓試驗，重點關注換電式電動汽車標準電池的放電特性以及對低電壓線路的調壓效果。

1 實驗裝置

圖1為電池儲能系統拓撲圖。國家電網電動汽車換電式標準電池(電池箱)組由5個電池箱串聯組成，額定電壓為400 V，電池組容量為24 kW·h，每個電池箱含1個電池管理單元 (battery management unit, BMU)，電池組管理系統設1個觸摸監控屏、4個電池狀態控制器(battery signal conditioning, BSC)、1個電池狀態主控制器(battery signal collection module, BSCM)以及主回路電氣控制元件，其中BSCM實現成組后電池箱的電流檢測以及高壓電氣控制。自行研制的PCS是一個雙向逆變裝置，可以實行直流儲能電池組與交流電網之間雙向能量傳遞，實現對電池組的充放電和網側電壓的控制。

圖1 電池儲能系統拓撲圖

2 儲能調壓試驗

2.1 負荷特性

本文以上海市某小區負荷為例，進行電池儲能調壓試驗。圖2為該小區某日配變側電壓-時間曲線，由圖2可知，在用電高峰時段B相電壓出現小于210 V的低電壓現象。

圖2 某小區配變側電壓-時間曲線

2.2 電池箱特性

試驗用PCS直流側的電壓為324～438 V，放電功率不超過20 kW。電池組由5個電池箱串聯組成，因此平均要求每個電池箱的電壓為64.8～87.6 V，放電功率不超過4 kW。圖3為某電池箱以3 kW功率放電時的電壓-容量曲線，額定放電容量為0～60 A·h時，電池箱電壓為69～80 V，達到使用要求。

圖3 電池箱以3 kW功率放電時的電壓-容量曲線

圖4為電池箱分別以1，2，3，4，5 kW功率放電時的電壓-時間曲線，如果以放電電壓不小于64.8 V為限，電池箱放電時間分別為290，145，93，57，42 min，則不同放電功率時電池容量分別為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電壓-時間曲線

2.3 試驗結果

通過隔離變壓器和電器負載，人為地將線路電壓降下來，采用Fluke 435電能質量測試儀測量A相、B相和C相的交流電壓和交流電流。儲能調壓試驗分為3種情況：(1)儲能設備不運行，無負載；(2)儲能設備不運行，但有負載；(3)有負載且儲能設備投入。表1為儲能調壓試驗測試數據。從表1可看出，接入負載以后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；當儲能設備投入運行后，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，相當于每個電池箱放電功率為3 kW。顯然，儲能設備投入運行可以有效地提升線路電壓。

表1 儲能調壓試驗前、后電壓和電流測試數據

3 結 論

(1)大城市居民或工業小區供電線路可能出現短時段的低電壓現象，在低電壓時段通過電池儲能系統放電給供電線路(用電低峰時段電網給儲能電池充電)，可以有效提升線路電壓。采用電池儲能系統是解決低電壓問題的一種有效方法。

(2)換電式車用電池除了用作電動汽車動力以外，還可以用于配網側小容量的電力儲能，拓寬了換電式電動汽車電池的應用范圍。

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(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

上海市科委項目(12692104500)；國家電網公司科技項目(515111107X, 52091113502K)；上海市教委科研創新項目(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

廖強強(1971)，男，博士，教授，研究方向為電力儲能，E-mail : liaoqiangqiang@shiep.edu.cn；

穆廣平(1958)，男，大專，經濟師，研究方向為電力資產管理；

徐華(1962)，女，本科，工程師，研究方向為電力工程管理；

周國定(1938)，男，碩士，教授，研究方向為電力儲能；

周肖平(1977)，男，本科，工程師，研究方向為電力經濟技術管理；

李曉華(1974)，女，博士，副教授，研究方向為電力電子和電力傳動；

蔣大為(1977)，男，本科，助理工程師，研究方向為電力運檢管理。