并聯磷酸鐵鋰電池在66kV變電站的實際應用

吉林省駿天電力工程設計有限公司 睢文朋 毛 杰 龔 明

1 引言

直流電源系統是變電站的重要設備，為變電站的計算機監控系統、保護設備、安全自動裝置及通訊裝置等提供可靠的電源；同時為事故照明、交流不間斷電源系統等提供電源。其是變電站的穩定、可靠、安全運行重要保證，為整個電力系統的穩定運行提供保障。并聯磷酸鐵鋰電池系統是通過多只蓄電池，與并聯型電源變換模塊組成變電站的直流系統，該系統有效解決了常規蓄電池組在串聯方式下，單只蓄電池質量、連接線影響整組電池可靠性及不可在線更換維護，新舊電池匹配難，冗余配置不經濟等諸多問題[1]。

本文結合某66kV 變電站直流電源的選擇為例，結合變電站的相關規程規范要求，介紹二次系統及通信系統采用并聯磷酸鐵鋰電池直流電源系統的配置方案、磷酸鐵鋰蓄電池容量的選擇、并聯型電源組件的計算和選擇以及過載續流回路的設計，為在變電站設計中的應用并聯磷酸鐵鋰電池提供參考。

2 磷酸鐵鋰電池特性及并聯型直流電源技術

2.1 電池特性

磷酸鐵鋰電池是指負極主要材料是碳C，磷酸鐵鋰LiFePO4作為正極材料的鋰離子電池，電極浸潤在電解液六氟磷酸鋰LiPF6鹽的有機溶劑中，充電過程中其工作原理是：部分鋰離子于正極材料LiFePO4中脫出，經過電解質傳遞到負極，嵌入負極碳材料；放電工作原理是鋰離子從負極穿過隔膜返回到正極材料中。

目前，變電站常用蓄電池為閥控式密封鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池與之相比，其循環壽命更長，在室溫下磷酸鐵鋰電池1C 充放電循環可達1200～2000次；充電速度快，可以使用高達1C 的充電電流進行充電，無記憶效應，隨時用隨時充，自放電小，因此補充充電管理時間間隔可以更長些。磷酸鐵鋰電池的質量比能量及體積比能量分別為100～150Wh/kg，200～250Wh/L，鉛酸電池分別為30～50Wh／kg，60～90Wh/L，因此同等標準容量的磷酸鐵鋰電池重量輕只有鉛酸蓄電池的1/3，體積僅為鉛酸蓄電池體積的2/3大小。

磷酸鐵鋰電池具有能量密度高、循環壽命長、安全性能好、溫度適應性強及自放電率小等優點，具備替代現有鉛酸電池為變電站提供可靠電源的條件。磷酸鐵鋰電池的應用在提高電網安全運行的可靠性同時，也提升了電網的技術水平。并且可提高經濟效益，如節約材料成本，延長設備壽命，同時可降低運維人員工作量及勞動成本[2]。

2.2 并聯型直流電源技術

為了解決蓄電池串聯結構的問題，設計了變電站并聯直流電源系統。通過將多只電源組件并聯連接，組成滿足工程所需要的并聯直流系統；該電源組件具備整流及直流變換功能，整流功能為電源組件將交流AC380V 電源整流為DC12V 的直流電壓，作為直流輸出及為蓄電池充電；用于直流變換功能為當電源組件在失去外部交流電源供電時，蓄電池可通過電源組件的直流變換功能繼續為直流母線供電；根據二次系統及通信系統對直流電源的需求，電源組件輸出參數分別為DC220V/2A 及48V/10A；電源組件可通過蓄電池總控單元對進行在線自動核容，電源組件支持在線插拔，在線更換組件及電池功能。

通常變電站直流電源系統的蓄電池是有多節單體電池串聯組成的，如果單體之間不一致，會導致在充電過程中各單體的充電電壓存在差距。與傳統蓄電池直流電源系統相比，具有以下區別。

一是接線方式的不同。采用由N 個并聯電源組件組成的蓄電池供電系統，通過這種方式，將饋電母線和充電母線有效地分開，在饋電屏與磷酸鐵鋰蓄電池組之間采用切換模式，當站內直流電失電時，快速進行切換，使用磷酸鐵鋰蓄電池升壓輸出為饋電母線供電，保障變電站二次電源供電。

二是快速進行開關切換的作用。正常充電時，可以為鐵鋰電池充電的整流模塊整流出磷酸鐵鋰電池充電所需的恒定電壓，以恒壓限流模式充電運行。但是，當充電到一定恒定電壓時，可通過切換開關，切斷磷酸鐵鋰電池的充電，使其處于靜置狀態，有效避免其不能長期浮充的缺陷。

3 變電站直流負荷統計

國家電網內蒙古東部電力公司某66kV 變電站工程，變電站有66kV 和10kV 兩種電壓等級。建設規模為：主變壓器遠期規劃建設容量2×40MVA；66kV 遠期規劃建設出線為4回；10kV 遠期規劃建設出線為20回，電容器為4組。變電站二次系統用采用DC220V，通信系統流采用DC-48V，根據電力工程直流電源系統設計技術規程要求，無人值班的變電站，全站交流電源事故停電時間宜按2h 計算；通信系統直流負荷按4h 事故放電時間考慮，按照變電站遠期規模進行直流負荷統計。該變電站的直流負荷見表1。

表1 直流負荷統計表

4 并聯型直流電源系統配置方案

變電站并聯直流電源系統是自站用交流電源柜引入兩路交流電源，經自動切換裝置后接入至各并聯電源組件。各并聯電源組件一方面通過其內部交流整流供電電路輸出至直流母線，另一方面通過內部交流整流充電電路連接至各12V 磷酸鐵鋰電池組，對蓄電池實現間歇式充電功能。在交流電源系統失電時，各12V 磷酸鐵鋰電池組通過對應并聯電源組件內部設置的DC/DC 升壓電路，電能變換后對直流母線供電。

依據國家電網公司相關文件66kV 變電站一體化電源蓄電池的容量為400～500Ah 的規定，在符合該容量要求下，按照T ∕CERS0007規程規定，經初步計算變電站直流電源系統應配置43至54臺并聯電源組件。由于受蓄電池管理單元芯片處理能力的限制及蓄電池輸出均流不平衡度等原因，每組直流電源系統并聯電源組件數量不應大于32臺。為了解決此矛盾，將66kV 變電站二次系統負荷和通信系統負荷分別設置并聯型直流電源系統。

5 磷酸鐵鋰電池容量計算及并聯電源組件選擇

5.1 二次系統

5.1.1 電池容量計算

二次系統直流電源按事故放電2h 考慮，根據階梯法計算串聯電池容量，將計算得到的隨機負荷容量疊加第2階段至第4階段中最大的計算容量，然后與第1階段計算容量比較，結果較大者即為磷酸鐵鋰電池容量。方法如下：

其隨機負荷容量：

KCR為1.00，IR為2.5A。

第2～4階段中第4階段的計算容量最大，按此計算磷酸鐵鋰電池容量：

式中：Kk=1.4；I1=42.72A；KC1=0.542。

隨機負荷容量加第4階段計算容量和：

第1階段計算容量為：

式中：Kk=1.4；I1=50.22A；KC1=5。

根據上述公式計算的結果，隨機負荷容量加第4階段計算容量和（112.85Ah）大于第1階段計算容量（14.06Ah），故二次系統磷酸鐵鋰蓄電池容量為112.85Ah。

5.1.2 并聯電源組件計算及選擇

選擇單個并聯電源組件額定輸出為2A/220V，磷酸鐵鋰蓄電池端電壓為12V、容量為200Ah。

輸出電流大于事故1min 后出現最大負荷電流的并聯電源組件數量n1。n1＝Isg×Kc/Idbl ＝25.63只，模塊數取整26只。

式中：Isg ＝42.72；Kc ＝1.2；Idbl ＝2

根據能量守恒定律，并聯型直流電源系統蓄電池總能量應大于等于按DL/T5044規程計算出的串聯型蓄電組總能量，以滿足事故情況下的放電時間，計算并聯電源組件數量n2計算步驟如下：

根據第5.1.1中磷酸鐵鋰蓄電池容量計算值112.85Ah，串聯蓄電池組的額定總能量為：

式中：Ume ＝220V；Ccl ＝112.85Ah。

單個并聯電源組件額定能量：

式中：Udbl ＝12V；Cdbl ＝200Ah。

根據能量守恒定律，考慮并聯型電源變換模塊工作效率，計算出并聯電源組件數量n2：

n2＝Wcl/（Wdbl×η）＝13.16只，模塊數取整14只。

式中：Wcl ＝26840；Wdbl ＝2400；η ＝0.85。

根據上述公式計算結果，選擇并聯電源組件數量n1、n2的較大值n1（26只），加備用1只，最終選擇27只。

5.2 通信系統

5.2.1 電池容量計算

通信系統直流電源事故按放電4h 考慮，根據階梯法計算串聯電池容量。由于通信系統不涉及隨機負荷的計算，故將第1階段至第6階段計算容量取最大者即為磷酸鐵鋰電池的計算容量。

本工程中第6階段計算容量為最大，其磷酸鐵鋰電池容量：

式中：Kk=1.4；I1=104A；KC1=0.273。

5.2.2 并聯電源組件計算及選擇

通信電源系統采用單個并聯電源組件額定輸出為10A/48V，磷酸鐵鋰蓄電池端電壓為12V、容量為200Ah。計算步驟如下：

輸出電流大于事故出現最大負荷電流的并聯電源組件數量n1：

n1＝Isg×Kc/Idbl ＝12.48只，模塊數取整13只。

式中：Isg ＝104；Kc ＝1.2；Idbl ＝10

根據能量守恒定律，按照4.1.2（2）方法，n2＝12.54只，模塊數取整13只。

根據上述計算，選擇并聯電源組件數量n1和n2相同（13只），加備用1只，最終選擇14。

5.3 過載續流回路設計

根據技術規范變電站并聯型電源變換模塊3s 過載輸出電流為5.8Ie。

5.3.1 二次系統過載續流回路

按照5.1.2方法該變電站二次系統配置電源組件2A/220V 的27只，并聯電源組提供短路電流能量為I=5.8Ie=5.8×2×27=313.2A。根據表1中的數據可見，變電站在交流電源系統失電的情況下，交流間斷電源系統UPS 的直流負荷容量最大，如表1中所示負荷電流為20.45A。接于直流母線的饋電回路在短路情況下，為保證直流空開正確動作的正確性，并聯型直流電源系統的饋出空開選擇配置脫扣特性為C 曲線、額定電流為25A 的直流空開。根據相關廠家C 特性空開的動作曲線表，其直流空開瞬時動作電流為額定電流的15倍（I=15In），那么額定電流25A 的直流空開可靠瞬時動作電流為I=15In=15×25=375A。并聯電源組件提供短路電流小于饋線空開可靠瞬時動作電流（313.2A＜375A），由此可知額定電流25A 直流空開在短路情況下直流饋線斷路器不能可靠脫扣，因此二次需要設置過載續流回路。

過載續流電路輸出電壓按照不低于直流電源系統標稱電壓的87.5%規定要求，磷酸鐵鋰電池12V共串聯16只，經續流二極管接入直流母線，正常運行時不導通，故障時滿足系統最大短路電流要求。

5.3.2 通信系統過載續流回路

按照5.2.2方法該通信系統配置電源組件10A/48V 的14只，并聯電源組提供短路電流能量為I=5.8Ie=5.8×10×14=812A。通信系統SDH 光傳輸設備的饋線空開最大，采用額定電流32A 脫扣特性曲線為C 的直流空開，額定電流32A 特性C 直流空開可靠瞬時動作電流為I=15In=15×32=480A。并聯電源組件提供短路電流大于饋線空開可靠瞬時動作電流（812A＞480A），由此可知額定電流32A直流空開在短路情況下直流饋線斷路器能夠可靠脫扣。因此，通信系統不需設置過流續流回路。

6 結論

為了解決并聯電源組件數量多、蓄電池管理單元芯片處理能力的限制，將66kV 變電站二次系統負荷和通信系統負荷分別設置并聯型直流電源系統。

本文根據變電站直流負荷統計表，首先計算出了事故1min 后出現最大負荷時并聯電源組件數量；并依據階梯算法，在分別計算二次系統事故放電2h和通信系統事故放電4h 電池容量的基礎上，根據電池輸出能量守恒定理計算出并聯電源組件數量。根據兩種方式計算容量結果中取最大值即為二次系統或通信的并聯電源系統的組件數量，本工程中二次系統應配置27只，通信系統應配置14只，此種配置既符合規程對于變電站直流供電的要求，也能滿足現有設備的技術要求。

由于二次系統的并聯電源組件提供短路電流（313.2A）小于饋線最大25A 特性C 的直流空開的可靠瞬時動作電流（375A），直流空開不能可靠脫扣，為保證饋線短路情況下直流空開可靠跳開，二次系統需要設置過載續流回路。而通信系統并聯電源組件提供短路電流（812A）大于饋線最大32A 特性C 直流空開的可靠瞬時動作電流（480A），直流空開能夠可靠脫扣，因此通信系統不需設置過載續流回路。二次系統過載續流電路輸出電壓在滿足規定要求下，計算出串聯12V 磷酸鐵鋰電池16只，經續流二極管接入直流母線，以滿足在正常運行時不導通，而故障時系統提供最大短路電流滿足直流空開可靠動作。