串联型磷酸铁锂直流电源系统应用研究

汪逍旻

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350001）

0 引言

目前，我国变电站内直流电源系统采用阀控型铅酸蓄电池作为备用电源。阀控型铅酸蓄电池价格便宜、可长期浮充、可靠性高、不宜爆炸等优点，使其长期以来作为变电站蓄电池的首选。但是阀控型铅酸蓄电池温度特性差、能量密度低、铅污染、循环寿命低、维护工作量大等缺点，制约了其进一步发展。

近年来，锂离子电池，尤其是磷酸铁锂电池得到了迅猛的发展和广泛的应用。磷酸铁锂电池具有能量密度高、大电流放电能力强、温度特性好、循环寿命长、安全性较好、绿色环保、维护工作量小等优点，被视为铅酸蓄电池的理想代替品。随着磷酸铁锂电池在储能站、电动汽车等领域广泛应用，其技术水平逐渐提高、设备安全性大幅提升、工程造价逐步降低，满足国家电网提质增效的需求［1-3］。

随着国家电网智能化的推进，需要大力发展新型高效节能、先进环保、资源循环利用技术和装备，以提高电网技术装备水平。因此，本文对智能变电站采用磷酸铁锂蓄电池直流系统配置问题进行分析研究，提出适用于智能变电站的磷酸铁锂蓄电池直流系统设计方案。

1 磷酸铁锂直流系统选型方案

（1）串联型直流电源系统。目前变电站中普遍应用串联型直流电源系统，该系统采用蓄电池组串联获得110 V/220 V 额定电压，并经过熔断器直接接入直流母线方式，接线图如图1所示。

图1 串联型直流电源系统

（2）并联型直流电源系统。并联型直流系统多用于分布式直流电源系统中，通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC 充电模块、DC/DC 升压模块等器件设计为“并联用智能蓄电池模块”，并通过多只蓄电池模块并联，组成满足实际需要的多并联蓄电池模块组，取代变电站传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，如图2 所示。

图2 并联用智能蓄电池模块原理框图

（3）直流电源系统比较。串联型与并联型直流电源系统比较见表1。

由表1 可知，虽然并联型直流系统可适用于分布式电源系统，但是其应用经验少、设备布置分散、维护工作量大、增加了DC/DC 设备损坏风险，因此目前串联型更适用于变电站直流电源系统。

表1 串联型与并联型直流电源系统比较

2 磷酸铁锂电池容量计算和选型方案

以110 kV 变电站为例，假设直流电源系统电压为220 V，变电站负荷如表2 所示。

表2 负荷统计表 单位：A

（1）蓄电池个数。蓄电池单体浮充电压Uf：3.4 V；均充电压：3.45 V。

n=1.05 Ue/Uf=1.05×220 V/3.4=67.9 只

蓄电池个数取n=68 只。

（2）事故放电末期的终止电压

Upn=0.875 Ue/n=0.875×220/68=2.83 V

终止电压取Upn=2.83 V。

（3）均充电压校验

取蓄电池单体均充电压U＝3.45 V

Um=68×3.45=234.6 V≤1.10 Ue 满足要求。

故取蓄电池个数为68 只。

（4）蓄电池容量。磷酸铁锂电池容量换算系数Kc=I/C10。如表3 所示，由于变电站的1 min～120 min 的负荷一致，因此可以简化阶梯算法，蓄电池组容量为：

表3 磷酸铁锂电池容量换算系数

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

因此蓄电池容量可取200 Ah。全站配置一套200 Ah 蓄电池组，由于容量不大于200 Ah，因此可以组屏布置于二次设备。

同理，220 kV 变电站1 min～120 min 持续负荷一般为140 A，蓄电池容量可取400 Ah；500 kV 变电站1 min～120 min 持续负荷一般为150 A，蓄电池容量可取400 Ah。

3 串联型磷酸铁锂电源系统设计方案

3.1 系统设计方案

串联型磷酸铁锂电源系统与变电站传统铅酸蓄电池电源系统相似，采用单充单蓄、两充两蓄和三充两蓄三种模式。其系统结构如图3 所示。

图3 串联型直流系统图

3.2 串联型磷酸铁锂电源系统浮充方案

目前变电使用的串联型蓄电池系统，采用蓄电池经过熔断器直接接入直流母线。由于磷酸铁锂电池不适宜长期浮充，因此该方案易导致电池过热、击穿等事故发生。

针对磷酸铁锂蓄电池无法长时间浮充的特性，以及变电站直流电源系统需要蓄电池组长期接于母线并在事故时快速接入供电，已有部分学者提出相关的解决方案［4-5］。本文提出新型拓扑结构和控制策略，解决磷酸铁锂蓄电池长期浮充和事故时快速接入的矛盾。

（1）总体方案。磷酸铁锂电池通过接入装置接入直流母线，可实现正常运行时对磷酸铁锂电池间歇性充电，事故时快速接入直流母线保障系统正常运行。以单充单蓄为例，新型磷酸铁锂电池直流系统拓扑如图4 所示。

图4 改进串联型磷酸铁锂蓄电池直流系统拓扑图

（2）接入装置拓扑。新型接入装置由DC/DC 变换装置和二极管并联组成，拓扑如图5 所示。

图5 新型接入装置拓扑图

根据规范要求，正常运行时，直流母线电压为105%系统标称电压，目前变电站直流母线电压为110 V/220 V 两种，则正常运行时直流母线电压为115.5 V 和231 V 两种。设置DC/DC 电压变换装置，输入端接入直流母线，输出端接入蓄电池两端。DC/DC 电压变换装置输出电压为220 V 或者110 V。磷酸铁锂电池的额定电压为3.2 V，浮充电压为3.4 V，因此对于系统电压为220 V 直流电源一般配置68 个磷酸铁锂电池串联组合，对于110 V 直流系统一般配置34 个磷酸铁锂电池串联组合。

以母线标称电压为220 V 为例，本文提出的串联型磷酸铁锂蓄电池直流系统有4 种运行模式。

模式1：正常运行且蓄电池处于充电状态，直流母线A 点电压为231 V（105%倍标称），DC/DC 输出电压为220 V，则A点电压高于B 点电压，二极管不导通。DC/DC 变换装置仅对蓄电池组充电，直流母线电压由充电装置维持。

模式2：正常运行且蓄电池处于充电完成状态，直流母线A 点电压为231 V（105%倍标称），DC/DC 电压变换装置闭锁，B 点电压为蓄电池组端电压220 V，则A 点电压高于B 点电压，二极管不导通。直流母线电压由充电装置维持。

模式3：蓄电池处于均充状态（快速充电），直流母线A 点电压为238 V（小于110%倍标称），DC/DC 输出电压为234.6 V（3.45×68 V 磷酸铁锂电池均充电压），则A 点电压高于B 点电压，二极管不导通。DC/DC 变换装置仅对蓄电池组均衡充电，直流母线电压由充电装置维持。

模式4：交流系统故障AC/DC 充电装置无电压输出，直流母线A 点电压为负荷侧两端电压，当直流母线电压低于220 V时，A 点电压低于B 点电压，二极管导通。直流母线电压由蓄电池端电压维持，此时蓄电池接入直流母线供电。

（3）控制策略。串联型磷酸铁锂蓄电池直流系统需根据直流系统实际运行工况控制接入装置运行状态。接入装置由蓄电池统一管理系统，控制系统采集交流母线电压、充电装置状态、直流母线电压、DC/DC 变换装置状态、蓄电池端电压等数据。控制共4 种运行工况，以直流系统标称电压为220 V 为例：

工况1：

采集信息：交流系统电压正常、充电装置运行正常、蓄电池组端电压低于204 V（单个蓄电池电压低于3 V）。

信息分析：直流系统供电正常，蓄电池容量极低，需快速充电。

控制策略：控制AC/DC 电压变换装置输出电压至均充电压238 V，DC/DC 电压变换装置输出电压234.6 V，直流母线对蓄电池组均衡充电。

工况2：

采集信息：交流系统电压正常、充电装置运行正常、蓄电池组端电压高于204 V 低于214V（单个蓄电池电压高于3V低于额定电压98%）。

信息分析：直流系统供电正常，蓄电池容量低于额定容量，需充电。

控制策略：控制AC/DC 电压变换装置输出电压至浮充电压231 V，DC/DC 电压变换装置输出电压220 V，直流母线对蓄电池组充电。

工况3：

采集信息：交流系统电压正常、充电装置运行正常、蓄电池组端电压高于217.6 V（单个蓄电池电压高于3.2 V）。

信息分析：直流系统供电正常，蓄电池充电完成。

控制策略：控制AC/DC 电压变换装置输出电压至浮充电压231 V，DC/DC 电压变换装置闭锁。

工况5：

采集信息：交流系统失压或充电装置运行异常、闭锁。

信息分析：直流系统供电异常。

控制策略：无论此时AC/DC 和DC/DC 电压变换装置处于运行还是闭锁状态，均发送闭锁命令，控制AC/DC 电压变换装置闭锁，DC/DC 电压变换装置闭锁。

工况6：

采集信息：直流母线处于蓄电池供电状态时，交流系统恢复且充电装置恢复正常，人工发送确认命令。

信息分析：直流系统供电已正常，人工确认恢复供电。

控制策略：首先控制AC/DC 电压变换装置输出电压至浮充电压231 V，DC/DC 电压变换装置依旧闭锁。然后判断直流系统处于工况1～3 之中何种状态，按该工况策略执行。

4 结论

传统的阀控型铅酸蓄电池直流电源系统技术相对落后，无法适应智能变电站的发展需求，本文结合工程需求分析了串联型磷酸铁锂蓄电池在智能变电站的应用设计方案。

结合规范的计算方法，本文分析了磷酸铁锂蓄电池在110 kV～500 kV 变电站的配置容量为200/400/400 Ah，远小于现在阀控型铅酸蓄电池的400/800/800 Ah 的配置容量。

为解决磷酸铁锂蓄电池无法浮充的问题，本文提出了新型拓扑结构和控制策略解决磷酸铁锂蓄电池的浮充问题。