并聯型直流電源系統在儲能電站中的應用

岳長城

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350001）

0 引言

儲能電站在負荷削峰填谷、增加電網調峰能力、系統調頻調壓方面具明顯優勢。近年來儲能電站建設數量不斷增加，規模及容量日益增長。目前我國儲能電站內直流電源系統蓄電池仍采用閥控型鉛酸蓄電池，其溫度特性差、能量密度低、維護工作量大等缺點明顯。為增加儲能電站直流系統的可靠性、減少運行成本，本文提出在儲能電站中引入磷酸鐵鋰蓄電池，同時引入并聯型直流電源系統。磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、溫度特性及安全性好、綠色環保、維護工作量小等優點，因此將磷酸鐵鋰蓄電池作為直流系統的備用電源。

由于磷酸鐵鋰蓄電池特性，長期浮充將導致電池陰極材料結構逐漸塌陷，對電極結構造成永久性損壞，產生安全隱患。采用并聯型直流電源系統則可以解決磷酸鐵鋰蓄電池因長期浮充帶來的安全問題。同時可對單體蓄電池在線進行充放電管理，實現在線更換蓄電池及在線核容。

1 并聯型直流電源技術原理

并聯用智能電池模塊通過將單只蓄電池與匹配的AC/DC充電模塊、DC/DC 升壓模塊等器件集成設計為一體。模塊通過將單只蓄電池與匹配的AC/DC 充電模塊并聯，再通過DC/DC升壓模塊獲得直流母線額定電壓［1］。

并聯型直流電源將單體電池進行了隔離，當單體電池發生故障時，僅影響本組電池包的性能，而不會波及到其他電池組。并聯型直流電源系統運行的可靠性更高，可實現在線更換電池，方便運維。

并聯型直流電源可針對單體電池進行在線核容［2］，提前發現運行異常的電池，將電池使用至壽命終止期，提高了電池利用率。

與常規串聯型直流系統相比，并聯型直流電源系統雖然因為增加了升壓模塊數量導致投資成本增加，但是因降低了后期維護成本，減少了全壽命周期投入，其綜合成本低于串聯型直流電源系統。

針對并聯型直流電源系統在儲能電站中的應用，本文提出適用于儲能電站的磷酸鐵鋰蓄電池直流系統設計方案。

2 并聯型直流電源磷酸鐵鋰蓄電池容量選擇

以某220 kV 儲能電站為例，直流電源系統電壓采用220 V，通信電源電壓采用48 V。直流電源系統采用主、分柜兩級輻射式供電方式。

將儲能電站直流系統母線分為兩段。Ⅰ段母線為保護、測控、操作及UPS 電源使用，電壓為220 V，并聯電源變換模塊選擇DC220V/2A。Ⅱ段母線為通信電源使用，電壓為48 V，并聯電源變換模塊選擇DC48 V/10 A，磷酸鐵鋰電池選擇12.8 V/150 Ah 磷酸鐵鋰電池包。

儲能電站負荷如表1 所示。

表1 直流系統負荷統計表

其中，保護測控、UPS 及斷路器跳閘負荷為經常負荷；斷路器合閘負荷為隨機負荷。

2.1 計算Ⅰ段母線所需并聯電源組件數量

（1）為滿足事故初期1 min 持續性負荷電流的要求，并聯電源組件數量按公式（1）計算。

式中：Isg為交流停電時，變電站事故1 min 后最大持續性負荷電流，A；Kc為冗余系數（一般取1.2）；Idbl為單個并聯電源組件額定輸出電流，A。

計算需要的并聯電源組件數量為：

取n1=24 個。

（2）利用能量守恒定律，滿足串聯型蓄電池型式下事故放電時間，按照公式（2）計算并聯電源組件數量：

式中：Wcl為串聯型蓄電池組額定總能量，VAh；Umxe為直流母線額定電壓，V；Ccl為串聯型蓄電池額定容量，Ah。

由此計算串聯型蓄電池組額定總容量為：

單個并聯電源組件的額定總容量根據公式（3）計算：

式中：Wdbl為單個并聯電源組件額定總能量，VAh；Udbl為單個并聯電源組件額定電壓，V；Cdbl為單個并聯電源組件額定容量，Ah。

由此單個并聯電源組件的額定總容量為：

計算并聯電源組件數量為：

取n2=28 個。

綜合以上2 種計算方法的結果，取n1和n2中數量較大的n2作為并聯電源組件數量，為28 個。

2.2 計算Ⅱ段母線所需并聯電源組件數量

（1）為滿足事故初期1 min 持續性負荷電流的要求，并聯電源組件數量按公式（1）計算：

取n1=14 個。

（2）利用能量守恒定律，滿足串聯型蓄電池型式下事故放電時間，按照公式（2）計算并聯電源組件數量：

單個并聯電源組件的額定總容量按照公式（3）計算：

計算并聯電源組件數量為：

取n2=22 個。

綜合以上2 種計算方法，取n1和n2中數量較大的n2作為并聯電源組件數量，為22 個。

2.3 過載續流電路設計

當空開脫扣電流大于并聯電池模塊組件的限流上限時，系統將閉鎖DC/DC 電壓變換裝置［3］。為保證大負荷饋線回路微型斷路器正常脫扣，設置蓄電池組串聯續流回路保障短路電流大于微型斷路器脫扣電流，其拓撲如圖1 所示。

圖1 過載續流電路拓撲示意圖

用于保護測控及操作的DC220V 直流電源系統將16 個12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包串聯后通過過載續流二極管（2個）、熔斷器后接于直流母線，其余磷酸鐵鋰電池包不接入續流電路。

用于通信電源的DC48V 直流電源系統將4 個12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包串聯后通過過載續流二極管（4 個）、熔斷器后接于直流母線。

3 并聯型直流電源磷酸鐵鋰蓄電池布置方案

由于磷酸鐵鋰電池對于安全性的要求，并聯型直流電源組件組柜布置在獨立的蓄電池室中。并聯型直流電源柜體按照800 mm（寬）×600 mm（深）×2 260 mm（高）考慮。

用于保護測控及操作電源的直流電源I 段母線組柜4 面，布置28 個12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包。用于通信電源的直流電源Ⅱ段母線組柜3 面，布置22 個12.8V/150Ah 磷酸鐵鋰電池包。

并聯型直流電源系統配置1 套直流電源監控裝置，提供對直流系統的監測及控制功能。監測功能包括直流系統的交流輸入電壓、直流母線電壓電流、對地絕緣電阻以及每個單體電池的電壓電流、單體電池的模塊溫度、電池的環境溫度等。控制功能包括直流系統功能參數設置、充電方式選擇、充放電電流調節、定時均充等。直流電源監控裝置布置安裝在并聯型直流電源組件柜內。

根據 《電力工程直流電源系統設計技術規程》（DL/T 5044—2014）及《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》（DL/T 5136—2012）中對蓄電池布置及屏柜布置的要求，將并聯型直流電源組件柜布置在儲能電站的蓄電池室中，布置方案如圖2 所示。

圖2 蓄電池布置示意圖

圖2 布置方案為蓄電池室所需凈尺寸，實際工程中需要對墻體厚度及開門位置進行更加細致的考慮。

4 結論

并聯型直流電源系統可實現蓄電池的在線核容，提高了電池利用率，實現了在線更換單體蓄電池包，方便了運維及檢修。并聯型直流電源系統解決了磷酸鐵鋰蓄電池因長期浮充帶來的安全問題，實現了磷酸鐵鋰蓄電池在儲能電站中的應用。

本文研究了并聯型直流電源容量的計算方法及布置方案，為并聯型直流電源系統在儲能電站中的應用起到了一定的推動作用。