并联型直流电源系统在储能电站中的应用

岳长城

（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

储能电站在负荷削峰填谷、增加电网调峰能力、系统调频调压方面具明显优势。近年来储能电站建设数量不断增加，规模及容量日益增长。目前我国储能电站内直流电源系统蓄电池仍采用阀控型铅酸蓄电池，其温度特性差、能量密度低、维护工作量大等缺点明显。为增加储能电站直流系统的可靠性、减少运行成本，本文提出在储能电站中引入磷酸铁锂蓄电池，同时引入并联型直流电源系统。磷酸铁锂电池具有能量密度高、温度特性及安全性好、绿色环保、维护工作量小等优点，因此将磷酸铁锂蓄电池作为直流系统的备用电源。

由于磷酸铁锂蓄电池特性，长期浮充将导致电池阴极材料结构逐渐塌陷，对电极结构造成永久性损坏，产生安全隐患。采用并联型直流电源系统则可以解决磷酸铁锂蓄电池因长期浮充带来的安全问题。同时可对单体蓄电池在线进行充放电管理，实现在线更换蓄电池及在线核容。

1 并联型直流电源技术原理

并联用智能电池模块通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC充电模块、DC/DC 升压模块等器件集成设计为一体。模块通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC 充电模块并联，再通过DC/DC升压模块获得直流母线额定电压［1］。

并联型直流电源将单体电池进行了隔离，当单体电池发生故障时，仅影响本组电池包的性能，而不会波及到其他电池组。并联型直流电源系统运行的可靠性更高，可实现在线更换电池，方便运维。

并联型直流电源可针对单体电池进行在线核容［2］，提前发现运行异常的电池，将电池使用至寿命终止期，提高了电池利用率。

与常规串联型直流系统相比，并联型直流电源系统虽然因为增加了升压模块数量导致投资成本增加，但是因降低了后期维护成本，减少了全寿命周期投入，其综合成本低于串联型直流电源系统。

针对并联型直流电源系统在储能电站中的应用，本文提出适用于储能电站的磷酸铁锂蓄电池直流系统设计方案。

2 并联型直流电源磷酸铁锂蓄电池容量选择

以某220 kV 储能电站为例，直流电源系统电压采用220 V，通信电源电压采用48 V。直流电源系统采用主、分柜两级辐射式供电方式。

将储能电站直流系统母线分为两段。Ⅰ段母线为保护、测控、操作及UPS 电源使用，电压为220 V，并联电源变换模块选择DC220V/2A。Ⅱ段母线为通信电源使用，电压为48 V，并联电源变换模块选择DC48 V/10 A，磷酸铁锂电池选择12.8 V/150 Ah 磷酸铁锂电池包。

储能电站负荷如表1 所示。

表1 直流系统负荷统计表

其中，保护测控、UPS 及断路器跳闸负荷为经常负荷；断路器合闸负荷为随机负荷。

2.1 计算Ⅰ段母线所需并联电源组件数量

（1）为满足事故初期1 min 持续性负荷电流的要求，并联电源组件数量按公式（1）计算。

式中：Isg为交流停电时，变电站事故1 min 后最大持续性负荷电流，A；Kc为冗余系数（一般取1.2）；Idbl为单个并联电源组件额定输出电流，A。

计算需要的并联电源组件数量为：

取n1=24 个。

（2）利用能量守恒定律，满足串联型蓄电池型式下事故放电时间，按照公式（2）计算并联电源组件数量：

式中：Wcl为串联型蓄电池组额定总能量，VAh；Umxe为直流母线额定电压，V；Ccl为串联型蓄电池额定容量，Ah。

由此计算串联型蓄电池组额定总容量为：

单个并联电源组件的额定总容量根据公式（3）计算：

式中：Wdbl为单个并联电源组件额定总能量，VAh；Udbl为单个并联电源组件额定电压，V；Cdbl为单个并联电源组件额定容量，Ah。

由此单个并联电源组件的额定总容量为：

计算并联电源组件数量为：

取n2=28 个。

综合以上2 种计算方法的结果，取n1和n2中数量较大的n2作为并联电源组件数量，为28 个。

2.2 计算Ⅱ段母线所需并联电源组件数量

（1）为满足事故初期1 min 持续性负荷电流的要求，并联电源组件数量按公式（1）计算：

取n1=14 个。

（2）利用能量守恒定律，满足串联型蓄电池型式下事故放电时间，按照公式（2）计算并联电源组件数量：

单个并联电源组件的额定总容量按照公式（3）计算：

计算并联电源组件数量为：

取n2=22 个。

综合以上2 种计算方法，取n1和n2中数量较大的n2作为并联电源组件数量，为22 个。

2.3 过载续流电路设计

当空开脱扣电流大于并联电池模块组件的限流上限时，系统将闭锁DC/DC 电压变换装置［3］。为保证大负荷馈线回路微型断路器正常脱扣，设置蓄电池组串联续流回路保障短路电流大于微型断路器脱扣电流，其拓扑如图1 所示。

图1 过载续流电路拓扑示意图

用于保护测控及操作的DC220V 直流电源系统将16 个12.8V/150Ah 磷酸铁锂电池包串联后通过过载续流二极管（2个）、熔断器后接于直流母线，其余磷酸铁锂电池包不接入续流电路。

用于通信电源的DC48V 直流电源系统将4 个12.8V/150Ah 磷酸铁锂电池包串联后通过过载续流二极管（4 个）、熔断器后接于直流母线。

3 并联型直流电源磷酸铁锂蓄电池布置方案

由于磷酸铁锂电池对于安全性的要求，并联型直流电源组件组柜布置在独立的蓄电池室中。并联型直流电源柜体按照800 mm（宽）×600 mm（深）×2 260 mm（高）考虑。

用于保护测控及操作电源的直流电源I 段母线组柜4 面，布置28 个12.8V/150Ah 磷酸铁锂电池包。用于通信电源的直流电源Ⅱ段母线组柜3 面，布置22 个12.8V/150Ah 磷酸铁锂电池包。

并联型直流电源系统配置1 套直流电源监控装置，提供对直流系统的监测及控制功能。监测功能包括直流系统的交流输入电压、直流母线电压电流、对地绝缘电阻以及每个单体电池的电压电流、单体电池的模块温度、电池的环境温度等。控制功能包括直流系统功能参数设置、充电方式选择、充放电电流调节、定时均充等。直流电源监控装置布置安装在并联型直流电源组件柜内。

根据 《电力工程直流电源系统设计技术规程》（DL/T 5044—2014）及《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》（DL/T 5136—2012）中对蓄电池布置及屏柜布置的要求，将并联型直流电源组件柜布置在储能电站的蓄电池室中，布置方案如图2 所示。

图2 蓄电池布置示意图

图2 布置方案为蓄电池室所需净尺寸，实际工程中需要对墙体厚度及开门位置进行更加细致的考虑。

4 结论

并联型直流电源系统可实现蓄电池的在线核容，提高了电池利用率，实现了在线更换单体蓄电池包，方便了运维及检修。并联型直流电源系统解决了磷酸铁锂蓄电池因长期浮充带来的安全问题，实现了磷酸铁锂蓄电池在储能电站中的应用。

本文研究了并联型直流电源容量的计算方法及布置方案，为并联型直流电源系统在储能电站中的应用起到了一定的推动作用。