串聯(lián)型磷酸鐵鋰直流電源系統(tǒng)應(yīng)用研究

汪逍旻

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350001）

0 引言

目前，我國變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)采用閥控型鉛酸蓄電池作為備用電源。閥控型鉛酸蓄電池價格便宜、可長期浮充、可靠性高、不宜爆炸等優(yōu)點，使其長期以來作為變電站蓄電池的首選。但是閥控型鉛酸蓄電池溫度特性差、能量密度低、鉛污染、循環(huán)壽命低、維護工作量大等缺點，制約了其進一步發(fā)展。

近年來，鋰離子電池，尤其是磷酸鐵鋰電池得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、大電流放電能力強、溫度特性好、循環(huán)壽命長、安全性較好、綠色環(huán)保、維護工作量小等優(yōu)點，被視為鉛酸蓄電池的理想代替品。隨著磷酸鐵鋰電池在儲能站、電動汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其技術(shù)水平逐漸提高、設(shè)備安全性大幅提升、工程造價逐步降低，滿足國家電網(wǎng)提質(zhì)增效的需求［1-3］。

隨著國家電網(wǎng)智能化的推進，需要大力發(fā)展新型高效節(jié)能、先進環(huán)保、資源循環(huán)利用技術(shù)和裝備，以提高電網(wǎng)技術(shù)裝備水平。因此，本文對智能變電站采用磷酸鐵鋰蓄電池直流系統(tǒng)配置問題進行分析研究，提出適用于智能變電站的磷酸鐵鋰蓄電池直流系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 磷酸鐵鋰直流系統(tǒng)選型方案

（1）串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)。目前變電站中普遍應(yīng)用串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用蓄電池組串聯(lián)獲得110 V/220 V 額定電壓，并經(jīng)過熔斷器直接接入直流母線方式，接線圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)

（2）并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)。并聯(lián)型直流系統(tǒng)多用于分布式直流電源系統(tǒng)中，通過將單只蓄電池與匹配的AC/DC 充電模塊、DC/DC 升壓模塊等器件設(shè)計為“并聯(lián)用智能蓄電池模塊”，并通過多只蓄電池模塊并聯(lián)，組成滿足實際需要的多并聯(lián)蓄電池模塊組，取代變電站傳統(tǒng)設(shè)計中的充電模塊、蓄電池組、蓄電池巡檢設(shè)備配置，如圖2 所示。

圖2 并聯(lián)用智能蓄電池模塊原理框圖

（3）直流電源系統(tǒng)比較。串聯(lián)型與并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)比較見表1。

由表1 可知，雖然并聯(lián)型直流系統(tǒng)可適用于分布式電源系統(tǒng)，但是其應(yīng)用經(jīng)驗少、設(shè)備布置分散、維護工作量大、增加了DC/DC 設(shè)備損壞風(fēng)險，因此目前串聯(lián)型更適用于變電站直流電源系統(tǒng)。

表1 串聯(lián)型與并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)比較

2 磷酸鐵鋰電池容量計算和選型方案

以110 kV 變電站為例，假設(shè)直流電源系統(tǒng)電壓為220 V，變電站負荷如表2 所示。

表2 負荷統(tǒng)計表 單位：A

（1）蓄電池個數(shù)。蓄電池單體浮充電壓Uf：3.4 V；均充電壓：3.45 V。

n=1.05 Ue/Uf=1.05×220 V/3.4=67.9 只

蓄電池個數(shù)取n=68 只。

（2）事故放電末期的終止電壓

Upn=0.875 Ue/n=0.875×220/68=2.83 V

終止電壓取Upn=2.83 V。

（3）均充電壓校驗

取蓄電池單體均充電壓U＝3.45 V

Um=68×3.45=234.6 V≤1.10 Ue 滿足要求。

故取蓄電池個數(shù)為68 只。

（4）蓄電池容量。磷酸鐵鋰電池容量換算系數(shù)Kc=I/C10。如表3 所示，由于變電站的1 min～120 min 的負荷一致，因此可以簡化階梯算法，蓄電池組容量為：

表3 磷酸鐵鋰電池容量換算系數(shù)

Cc=1.4×C4+Cr=1.4×54.6/0.542+3.6=145 Ah

因此蓄電池容量可取200 Ah。全站配置一套200 Ah 蓄電池組，由于容量不大于200 Ah，因此可以組屏布置于二次設(shè)備。

同理，220 kV 變電站1 min～120 min 持續(xù)負荷一般為140 A，蓄電池容量可取400 Ah；500 kV 變電站1 min～120 min 持續(xù)負荷一般為150 A，蓄電池容量可取400 Ah。

3 串聯(lián)型磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

串聯(lián)型磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)與變電站傳統(tǒng)鉛酸蓄電池電源系統(tǒng)相似，采用單充單蓄、兩充兩蓄和三充兩蓄三種模式。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 串聯(lián)型直流系統(tǒng)圖

3.2 串聯(lián)型磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)浮充方案

目前變電使用的串聯(lián)型蓄電池系統(tǒng)，采用蓄電池經(jīng)過熔斷器直接接入直流母線。由于磷酸鐵鋰電池不適宜長期浮充，因此該方案易導(dǎo)致電池過熱、擊穿等事故發(fā)生。

針對磷酸鐵鋰蓄電池?zé)o法長時間浮充的特性，以及變電站直流電源系統(tǒng)需要蓄電池組長期接于母線并在事故時快速接入供電，已有部分學(xué)者提出相關(guān)的解決方案［4-5］。本文提出新型拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，解決磷酸鐵鋰蓄電池長期浮充和事故時快速接入的矛盾。

（1）總體方案。磷酸鐵鋰電池通過接入裝置接入直流母線，可實現(xiàn)正常運行時對磷酸鐵鋰電池間歇性充電，事故時快速接入直流母線保障系統(tǒng)正常運行。以單充單蓄為例，新型磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)拓撲如圖4 所示。

圖4 改進串聯(lián)型磷酸鐵鋰蓄電池直流系統(tǒng)拓撲圖

（2）接入裝置拓撲。新型接入裝置由DC/DC 變換裝置和二極管并聯(lián)組成，拓撲如圖5 所示。

圖5 新型接入裝置拓撲圖

根據(jù)規(guī)范要求，正常運行時，直流母線電壓為105%系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，目前變電站直流母線電壓為110 V/220 V 兩種，則正常運行時直流母線電壓為115.5 V 和231 V 兩種。設(shè)置DC/DC 電壓變換裝置，輸入端接入直流母線，輸出端接入蓄電池兩端。DC/DC 電壓變換裝置輸出電壓為220 V 或者110 V。磷酸鐵鋰電池的額定電壓為3.2 V，浮充電壓為3.4 V，因此對于系統(tǒng)電壓為220 V 直流電源一般配置68 個磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組合，對于110 V 直流系統(tǒng)一般配置34 個磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組合。

以母線標(biāo)稱電壓為220 V 為例，本文提出的串聯(lián)型磷酸鐵鋰蓄電池直流系統(tǒng)有4 種運行模式。

模式1：正常運行且蓄電池處于充電狀態(tài)，直流母線A 點電壓為231 V（105%倍標(biāo)稱），DC/DC 輸出電壓為220 V，則A點電壓高于B 點電壓，二極管不導(dǎo)通。DC/DC 變換裝置僅對蓄電池組充電，直流母線電壓由充電裝置維持。

模式2：正常運行且蓄電池處于充電完成狀態(tài)，直流母線A 點電壓為231 V（105%倍標(biāo)稱），DC/DC 電壓變換裝置閉鎖，B 點電壓為蓄電池組端電壓220 V，則A 點電壓高于B 點電壓，二極管不導(dǎo)通。直流母線電壓由充電裝置維持。

模式3：蓄電池處于均充狀態(tài)（快速充電），直流母線A 點電壓為238 V（小于110%倍標(biāo)稱），DC/DC 輸出電壓為234.6 V（3.45×68 V 磷酸鐵鋰電池均充電壓），則A 點電壓高于B 點電壓，二極管不導(dǎo)通。DC/DC 變換裝置僅對蓄電池組均衡充電，直流母線電壓由充電裝置維持。

模式4：交流系統(tǒng)故障AC/DC 充電裝置無電壓輸出，直流母線A 點電壓為負荷側(cè)兩端電壓，當(dāng)直流母線電壓低于220 V時，A 點電壓低于B 點電壓，二極管導(dǎo)通。直流母線電壓由蓄電池端電壓維持，此時蓄電池接入直流母線供電。

（3）控制策略。串聯(lián)型磷酸鐵鋰蓄電池直流系統(tǒng)需根據(jù)直流系統(tǒng)實際運行工況控制接入裝置運行狀態(tài)。接入裝置由蓄電池統(tǒng)一管理系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采集交流母線電壓、充電裝置狀態(tài)、直流母線電壓、DC/DC 變換裝置狀態(tài)、蓄電池端電壓等數(shù)據(jù)。控制共4 種運行工況，以直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為220 V 為例：

工況1：

采集信息：交流系統(tǒng)電壓正常、充電裝置運行正常、蓄電池組端電壓低于204 V（單個蓄電池電壓低于3 V）。

信息分析：直流系統(tǒng)供電正常，蓄電池容量極低，需快速充電。

控制策略：控制AC/DC 電壓變換裝置輸出電壓至均充電壓238 V，DC/DC 電壓變換裝置輸出電壓234.6 V，直流母線對蓄電池組均衡充電。

工況2：

采集信息：交流系統(tǒng)電壓正常、充電裝置運行正常、蓄電池組端電壓高于204 V 低于214V（單個蓄電池電壓高于3V低于額定電壓98%）。

信息分析：直流系統(tǒng)供電正常，蓄電池容量低于額定容量，需充電。

控制策略：控制AC/DC 電壓變換裝置輸出電壓至浮充電壓231 V，DC/DC 電壓變換裝置輸出電壓220 V，直流母線對蓄電池組充電。

工況3：

采集信息：交流系統(tǒng)電壓正常、充電裝置運行正常、蓄電池組端電壓高于217.6 V（單個蓄電池電壓高于3.2 V）。

信息分析：直流系統(tǒng)供電正常，蓄電池充電完成。

控制策略：控制AC/DC 電壓變換裝置輸出電壓至浮充電壓231 V，DC/DC 電壓變換裝置閉鎖。

工況5：

采集信息：交流系統(tǒng)失壓或充電裝置運行異常、閉鎖。

信息分析：直流系統(tǒng)供電異常。

控制策略：無論此時AC/DC 和DC/DC 電壓變換裝置處于運行還是閉鎖狀態(tài)，均發(fā)送閉鎖命令，控制AC/DC 電壓變換裝置閉鎖，DC/DC 電壓變換裝置閉鎖。

工況6：

采集信息：直流母線處于蓄電池供電狀態(tài)時，交流系統(tǒng)恢復(fù)且充電裝置恢復(fù)正常，人工發(fā)送確認命令。

信息分析：直流系統(tǒng)供電已正常，人工確認恢復(fù)供電。

控制策略：首先控制AC/DC 電壓變換裝置輸出電壓至浮充電壓231 V，DC/DC 電壓變換裝置依舊閉鎖。然后判斷直流系統(tǒng)處于工況1～3 之中何種狀態(tài)，按該工況策略執(zhí)行。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的閥控型鉛酸蓄電池直流電源系統(tǒng)技術(shù)相對落后，無法適應(yīng)智能變電站的發(fā)展需求，本文結(jié)合工程需求分析了串聯(lián)型磷酸鐵鋰蓄電池在智能變電站的應(yīng)用設(shè)計方案。

結(jié)合規(guī)范的計算方法，本文分析了磷酸鐵鋰蓄電池在110 kV～500 kV 變電站的配置容量為200/400/400 Ah，遠小于現(xiàn)在閥控型鉛酸蓄電池的400/800/800 Ah 的配置容量。

為解決磷酸鐵鋰蓄電池?zé)o法浮充的問題，本文提出了新型拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略解決磷酸鐵鋰蓄電池的浮充問題。