基于磷酸铁锂电池的110 kV变电站直流系统中的电池容量选择

王 洪 ，林雄武 ，李 丽 ，金 林 ，刘 平 ，刘 轶

（1.华北电网张家口供电公司，河北省 张家口市 075000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东省 深圳市 518057）

引言

直流电源系统是变电站的重要组成部分，蓄电池系统设备选型的合理性、安全可靠性直接影响着变电站的可靠性。

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染被世界公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，均无污染，因此该电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。

跟传统铅酸蓄电池相比，它具有以下显著优势：超长寿命、使用安全、绿色环保、可大电流充放电、耐高温、自放电率小、无记忆效应、体积小、重量轻、廉价。

磷酸铁锂电池拥有的诸多优越的特性，安全环保，特别是在高功率或大容量电池中具有良好的高温热稳定性，引起各行各业的广泛关注，特别是在电动汽车领域和储能领域，已经开始大力推广。磷酸铁锂电池作为后备电源，在变电站站用电源领域尚未见到应用。本文通过某110 kV变电站作为范例，结合变电站的规程和磷酸铁锂电池的特性，详细介绍了在站用直流电源领域磷酸铁锂电池的容量计算。

1 变电站直流系统简介

1.1 额定电压的选择

目前，国内110 kV变电站直流电源额定电压为DC220 V，DC110 V两种。

1.2 直流负荷

直流负荷包括电气的控制、信号、测量和继电保护、自动装置、操作机构直流电动机、断路器电磁操动的合闸机构、站内交流不停电电源系统、远动和事故照明等负荷。

1.3 接线方式

根据规范要求，1组蓄电池的直流系统采用单母线或单母线分段接线方式，2组蓄电池的直流系统采用二段单母线接线，蓄电池组应分别接于不同母线段，二段直流母线之间应设联络电器。

目前，主流设计一般采用单母线分段接线方式，其优点是：可靠性高，任意母线出现故障或需要检修都不影响正常供电；根据对直流电源的要求便于扩展配置。

1.4 蓄电池配置

110 kV及以下变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110 kV变电站也可装设2组蓄电池，为满足无人值班直流供电冗余需要，110 kV变电站直流电源系统宜配置两组蓄电池。

1.5 充电装置

充电装置是保证蓄电池可靠运行的主要设备，磷酸铁锂蓄电池对充电装置的要求较高。110 kV变电站直流电源系统宜配置两组高频充电装置，智能型高频开关电源具有安全、可靠、自动化程度高、具有更小的体积和重量、综合效率高以及噪音低等优点，适应电网发展的需要。

2 负荷计算

该110 kV变电站原有28面10 kV开关柜，经过改扩建后，新增25面10 kV开关柜，根据新旧设备的统计数据，进行负荷计算，作为蓄电池配置计算的理论依据，并对蓄电池配置结果进行校验。

2.1 110kV系统GIS配电装置计算电流

GIS配电装置共7个间隔，每个间隔的经常负荷电流以0.1 A计(信号灯及继电器等)。

因此，GIS配电装置负荷电流：I1＝0.7 A。

2.2 原有10 kV配电装置计算电流

原有10 kV配电装置有28面开关柜，主要负荷包括信号灯、位置继电器、控制和保护电源等，测控保护装置经常负荷约15 W/面，信号灯约15 mA/个(断路器和隔离开关信号灯各一个)；

因此，经常负荷计算电流：I2＝（15/220+0.015×2）×28=2.75 A。

2.3 新建10 kV配电装置计算电流

新建10 kV配电装置开关柜共25面，有关数据参照 2.2，因此，经常负荷计算电流：I3＝（15/220+0.015×2）×25=2.45 A。

2.4 控制室内微机监控及保护测控装置计算电流

控制室内保护测控装置屏柜经常负荷约：2.65 A（585 W，220 V）；故障录波器柜，其经常负荷电流约：0.91 A；电度表屏及其他屏柜，经常负荷电流约：1 A；微机监控光纤通讯集成柜及微机监控组柜，经常负荷约电流约：2 A。

因此，控制室内微机监控及保护测控装置总负荷电流：

由 2.1，2.2，2.3，2.4 可得总经常性负荷计算电流：

对计算结果保留一定的余量，取值Ijc=15A，负荷系数取0.6。

2.5 UPS系统的逆变器直流负荷计算电流

直流系统直接向UPS系统的逆变器供电，UPS的容量为5 kVA。

直流负荷计算电流：

式中：逆变器的效率取η取值0.8，可靠系数取Kk取值1.15,负荷系数Kf取0.6。

2.6 新10 kV配电装置、控制室和继电保护室事故照明

直流负荷约电流Ic＝9.1 A，负荷系数取1.0。

2.7 断路器跳闸电流

Id＝12 A，其负荷系数取0.6。考虑最严重情况为：110 kV I（或 II）段母差保护动作，I（或 II）段母线3台断路器同时跳闸。

2.8 最大合闸冲击电流

一台10 kV电磁操作机构的断路器，其合闸电流为 DC220 V，120A。

由2.1至2.8的计算所得，进行直流负荷统计，见表1。

3 磷酸铁锂电池计算

3.1 蓄电池个数选择

蓄电池组正常情况下采用浮充电方式运行，事故放电后自动转为均衡充电方式运行，即充电装置方式选择开关置于浮充-均充状态。

表1 220 V直流负荷统计表

根据《DL/T 5004-2004电力工程直流系统设计技术规程》规定，对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，在均衡充电运行情况下，直流母线电压不应高于直流系统标称电压的110%，在事故放电情况下，蓄电池组出口端电压不低于直流系统标称电压的87.5%。蓄电池个数是由单体电池正常浮充电电压和直流母线电压确定。其中直流母线电压取1.05倍直流系统标称电压值，是考虑允许用电设备有5%的电缆压降，以保证正常运行时电压不低于额定值。

表2 磷酸铁锂电池参数

按浮充电运行时，直流母线电压为1.05 Un,选择蓄电池个数：

n=1.05 Un/Uf=1.05×220/3.42≈67.5（只）,取整 68。

式中：n为蓄电池组串联的蓄电池个数；Un为直流系统标称电压220 VDC；Uf为单体蓄电池浮充电电压，取值3.42 V。

根据计算所得，本直流系统蓄电池组选择68只标称电压3.2 V的磷酸铁锂电池串联。

电压校验：

（1）均充状态：在均衡充电运行方式下，直流母线电压不应超过直流系统额定电压的110%,即Uc≤1.10 Un/n。磷酸铁锂电池的均衡充电电压为3.5，则

（2）放电状态：在事故放电末期，对于控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，蓄电池组出口端电压不低于直流系统标称电压的87.5%，即UT≥0.875 Un，蓄电池事故放电终止电压为2.9 V，则:

UT=2.9×68=197.2 V；UT为蓄电池组放电终止电压。

通过校验可知，在各种运行方式下，68只磷酸铁锂电池串的蓄电池组电压均能满足要求。

3.2 蓄电池容量选择

根据《DL/T 5004-2004电力工程直流系统设计技术规程》规定，蓄电池容量需按以下条件进行选择：

（1）应满足全厂（所）事故全停电时间内的放电容量；

（2）应满足事故初期（1 min）直流电动机启动电流和其他冲击负荷电流的放电容量；

（3）应满足蓄电池组持续放电时间内随机（5 s）冲击负荷电流的放电容量；

（4）应以最严重的事故放电阶段，计算直流母线电压水平。

本项目蓄电池容量选择按照电压控制法（容量换算法）进行计算。

由表1可知，事故放电阶段最大事故放电电流为44.92 A。

蓄电池事故放电时间按2 h，放电终止电压按2.9 V计，蓄电池10 h放电容量计算为：

式中：C10为蓄电池10 h放电容量；KK为可靠系数，取1.4；CSX为事故全停电状态下相应的持续放电时间的放电容量，取值44.92；KCC为容量系数，磷酸铁锂电池没有标准的容量系数可供参考，但实验证明，其容量系数高于铅酸蓄电池，根据规程DL/T 5044-2004，阀控式密封铅酸蓄电池（贫液）（单体2 V）在放电终止电压1.87 V,放电时间1 h时的容量系数为0.52，以此数据作为磷酸铁锂电池容量系数进行保守估算。

因此：蓄电池10 h放电容量选择为200 Ah可满足要求。

3.3 电压水平校核

磷酸铁锂电池为动力电池，有很强的大电流放电能力。如图1所示，持续进行800 A的大电流放电，电池容量放完80%以后，仍然可以维持3 V左右的电压。

图1 单体200 Ah磷酸铁锂电池20℃倍率放电容量曲线

可见，容量为200 Ah的电池完全可以满足设计要求。

图2 单体磷酸铁锂电池倍率放电曲线

4 结论

本文采用传统的铅酸蓄电池容量计算的方法，同时考虑到磷酸铁锂电池的特性参数，计算结果具有较大的裕量，完全可以满足设计要求。磷酸铁锂电池作为动力电池，对冲击电流的适应性有本能的优势，笔者认为可以取消电压水平校核，进一步简化计算过程。

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[5]《DL/T5044-2004电力工程直流系统设计技术规程》.