花 盛，潘曉明，闞建飛，俞世清

(1.蘇州供電公司，江蘇蘇州215004；2.南京工程學(xué)院，江蘇南京211167)

一種簡單可靠的接線方式是變電站直流電源系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。直流電源系統(tǒng)的各項技術(shù)指標，尤其是系統(tǒng)可靠性，與接線方式密切相關(guān)。傳統(tǒng)上變電站直流電源的備用電源系統(tǒng)，以鉛酸蓄電池為儲能元件，工程技術(shù)人員經(jīng)過多年的理論研究和實踐探索，為這種類型的直流電源系統(tǒng)，確立了一種電池饋電拓撲結(jié)構(gòu)，基于這種拓撲結(jié)構(gòu)的直流系統(tǒng)接線方式，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)標準[1，2]。

隨著鋰電制造工藝的成熟，環(huán)保無鉛的鋰電池替代鉛酸電池是一種發(fā)展趨勢。鋰電池具有和鉛酸電池不同的充放電特性，簡單地將蓄電池組更換為鋰電池，直流系統(tǒng)無法正常工作，還可能造成鋰電池組使用壽命快速衰減。必須為鋰電池在變電站直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計一種新的電路拓撲，以適應(yīng)鋰電池的工作特性，確保整個直流電源系統(tǒng)的高可靠性。

1磷酸鐵鋰蓄電池組

磷酸鐵鋰電池單體的額定電壓為3.20 V；荷電率大于92%時開路端電壓3.35 V；充電終止電壓3.70 V；放電至20%荷電率時電壓大于3.00 V；放電終止電壓為2.50 V。標稱電壓為220 V的直流母線，正常運行時允許±10%的電壓波動。分別按照蓄電池荷電率20%時，母線電壓為-10%偏差，以及蓄電池荷電率為92%時，母線電壓為+10%偏差的條件計算串聯(lián)電池的只數(shù)：

串聯(lián)電池的只數(shù)應(yīng)在66到72之間選取。在實際工程應(yīng)用中，從系統(tǒng)的可維護性考慮，需要由設(shè)備生產(chǎn)廠家把多個鋰電芯封裝成一個電池包，由施工人員在工程現(xiàn)場把幾個電池包串接成一組。鋰電池包技術(shù)特性應(yīng)盡量的統(tǒng)一、規(guī)范，同時也應(yīng)兼顧110 V直流電源系統(tǒng)應(yīng)用需求。綜合考慮，每個電池包由17只鋰電單芯串接，是比較適宜的選擇。220 V電池組，由4個電池包組成，共有68只電池單體串聯(lián)而成。按這種方式構(gòu)成的電池組，在幾種典型狀態(tài)下的端電壓如表1所示。

表1典型狀態(tài)下電池組的端電壓 V

從表1可以看出，充電時磷酸鐵鋰電池組的端電壓超出規(guī)程關(guān)于最高母線電壓242 V的規(guī)定，不能直接輸出到饋電母線，必須對直流系統(tǒng)主接線進行特殊設(shè)計。

2直流系統(tǒng)接線方式

采用鉛酸蓄電池組的變電站直流系統(tǒng)，典型的接線方式如圖1所示。

圖1鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)接線方式

這種接線方式在生產(chǎn)實踐中具有廣泛的應(yīng)用，但是如前文所述，磷酸鐵鋰電池組的最高端電壓高于242 V的上限，不能直接輸出到饋電母線。依據(jù)文獻[1]及磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特性，在典型設(shè)計GDZW40的基礎(chǔ)上，提出一種新的直流系統(tǒng)接線方式，如圖2所示。

圖2磷酸鐵鋰電池組直流系統(tǒng)接線方式

這種接線方式下，整個直流電源系統(tǒng)由2組磷酸鐵鋰蓄電池、2組整流器組成，直流母線為單母線分段式，和圖1所示接線方式比較，具有顯著區(qū)別。

新的接線方式將饋電母線與充電母線分開，其間采用快速切換開關(guān)相連。磷酸鐵鋰電池組在充電時，電池組端電壓較高，不能像鉛酸蓄電池一樣直接并聯(lián)在直流母線長期浮充電。兩類母線分開之后，饋電母線配置2個20 A高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián)工作，自均流，以恒壓限流模式運行，直流穩(wěn)壓值為223 V，穩(wěn)壓精度0.5%，限流值為20 A。2個20 A模塊的電流輸出，可以滿足正常的直流負荷。

充電母線另外配置2個20 A高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián)工作，專門為磷酸鐵鋰電池充電。磷酸鐵鋰電池比較適宜的充電電流，為1小時放電電流的0.3倍，對于容量為100 A·h的電池組，這一充電電流值為30 A，2個模塊所能提供的充電電流滿足正常充電需求。饋電母線和充電母線分別設(shè)立，可以允許不同的母線電壓范圍，既保證了磷酸鐵鋰電池的正常充電，又使得饋電母線電壓不超過正常范圍。兩類母線上的各自的雙整流模塊配置，滿足“1+1”的備用原則。

3直流系統(tǒng)運行方式

兩類直流母線分別設(shè)立后，仍然必須保證在變電站的自用交流供電失去時，直流系統(tǒng)能夠平滑切換到由備用蓄電池提供電源。這由系統(tǒng)的動態(tài)電源路徑管理實現(xiàn)。動態(tài)電源路徑管理通過控制快速切換開關(guān)，確保在各種不同運行條件下，直流饋電母線的持續(xù)穩(wěn)定供電。

3.1整流供電

交流供電正常情況下，交流電源經(jīng)饋電整流模塊組向直流負載提供電流，饋電母線電壓由饋電整流模塊的輸出電壓決定?？紤]到連接饋線上的壓降，整流模塊輸出電壓，通常比額定電壓略高，典型的數(shù)值為223 V。磷酸鐵鋰電池組在充滿電后，充電整流模塊處在待機狀態(tài)，快速切換開關(guān)進入零電流隔離狀態(tài)，將充電母線與饋電母線隔離，保護蓄電池組不會因為繼續(xù)充電而受損。

3.2沖擊負荷

當饋電支路上出現(xiàn)短路，或者出現(xiàn)較大的合閘操作電流時，直流母線的電壓應(yīng)保持足夠穩(wěn)定，以保證符合規(guī)程內(nèi)有關(guān)沖擊放電曲線的規(guī)定。鉛酸蓄電池直接并聯(lián)在母線上浮充電的傳統(tǒng)接線方式，就考慮了當直流系統(tǒng)出現(xiàn)上述沖擊性負荷時，由電池組補充提供臨時需要的瞬態(tài)大電流，以便維持直流母線電壓的穩(wěn)定。新的接線方式下，雖然磷酸鐵鋰電池組采用了不同的備用方式，當出現(xiàn)沖擊負荷時，位于蓄電池組與饋電母線之間的快速切換開關(guān)自動導(dǎo)通，由磷酸鐵鋰電池組提供超出在饋電整流模塊輸出電流的額外電流，確保在外部沖擊負荷時維持母線電壓穩(wěn)定。

3.3電池供電

當外部交流電源失電時，處于隔離狀態(tài)的快速切換開關(guān)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電池組向饋電母線提供負荷電流。饋電母線電壓隨電池放電過程，在規(guī)程容許的范圍內(nèi)有一定變化。就68串電池組而言，電池組荷電率從95%變化至15%時，所對應(yīng)的電壓變化在227～203 V之間，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范對母線電壓的要求。

3.4電池充電

在交流電源正常供電時，充電整流模塊組經(jīng)充電控制開關(guān)對蓄電池組進行充電，充電母線電壓在170～252 V之間。充電母線上的電壓與饋電母線上223 V饋電電壓，被快速切換開關(guān)隔離，互不影響。充電模塊在電池管理系統(tǒng)（BMS）控制下為磷酸鐵鋰電池組充電。根據(jù)文獻資料[3，4]和電池生產(chǎn)廠的建議，鋰電池組采用恒流限壓模式充電，充電電流由電池管理系統(tǒng)給出，限壓值設(shè)置為252 V。充電模塊在電池組電壓達到252 V后，繼續(xù)對電池組進行一段時間的脈沖充電，以充分利用電池容量。充電過程中交流供電突然失去，直流系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)入電池供電的運行狀態(tài)，直流系統(tǒng)供電連續(xù)性不受影響。

4系統(tǒng)試驗

按照國家標準[5]對采用新型接線方式的磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)進行試驗，試驗數(shù)據(jù)表明：這種直流系統(tǒng)的特性符合國家標準，其沖擊負荷下的電壓穩(wěn)定性明顯優(yōu)于采用鉛酸電池的系統(tǒng)。在交流供電失去時直流饋電母線電壓的波形如圖3所示。從圖3可看出交流供電電源的變化，不影響直流供電的連續(xù)性。在交流失電瞬間，直流饋電母線上電壓的微小上升，是由于蓄電池組的輸出電壓，略高于高頻整流饋電模塊的輸出電壓。這種微小的波動小于國家標準規(guī)定的范圍。

圖3交流供電失去時的直流饋電母線電壓

在蓄電池組供電情況下，交流供電恢復(fù)，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為使用整流模塊輸出提供直流饋電時，饋電母線的電壓變化情況如圖4所示。由圖4看出，在交流恢復(fù)后，經(jīng)過短暫的延時，等待饋電模塊啟動完畢，直流母線電壓有微小的降低，這表明蓄電池同直流饋電母線隔離，系統(tǒng)改由整流模塊供電。電壓的變動范圍和圖3所示相同，只不過電壓的變動方向相反。

5結(jié)束語

圖4交流供電恢復(fù)時的直流饋電母線電壓

磷酸鐵鋰電池的充放電特性與鉛酸電池不同，需要設(shè)計一種新型接線方式，并保證這種接線方式之下的各種運行特性滿足變電站的實際運行需要。針對變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，提出一種新的接線方式，將充電母線與饋電母線分別設(shè)立，采用快速切換開關(guān)保證交流供電、直流供電和充電狀態(tài)下，直流供電母線的電壓始終處于規(guī)程要求的范圍之內(nèi)。動態(tài)電源路徑的管理方法，使得磷酸鐵鋰蓄電池組在充電過程結(jié)束后，不必長期工作在對其不利的浮充電狀態(tài)下，從而解決了磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統(tǒng)中應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。

[1]DL/T 5044—2004，電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[2]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]武雪峰，王振波.LiFePO 4/C電池循環(huán)性能和安全性能的研究[J].電池工業(yè)，2010（15）：156-159.

[4]徐 偉.磷酸鐵鋰動力電池充電方法研究和均衡充電模塊的設(shè)計[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[5]GB/T 19826—2005，電力工程直流電源設(shè)備通用設(shè)計條件及安全要求[S].