电动汽车电池用于电网低电压线路的储能调压试验

廖强强，穆广平，徐华，周国定，周肖平，李晓华，蒋大为

(1.上海电力能源转换工程技术研究中心(上海电力学院)，上海市 200090；2. 国网上海市电力公司, 上海市 200080)

电动汽车电池用于电网低电压线路的储能调压试验

廖强强1，穆广平2，徐华2，周国定1，周肖平2，李晓华1，蒋大为2

(1.上海电力能源转换工程技术研究中心(上海电力学院)，上海市 200090；2. 国网上海市电力公司, 上海市 200080)

通过增加杆上变压器数量来扩大电网容量，会大大增加电网线路的改造成本。为此，采用由国家电网公司提供的充、换电站电动汽车电池和自行研制的能量转换装置(power conversion system，PCS)组成的储能系统，通过实验室模拟对低电压线路进行调压试验。试验结果表明：随着放电功率增大，可利用的电池容量减少；在放电功率为3 kW时，1个电池箱工作电压为69～80 V，5个电池箱串联可满足PCS直流侧电压在324～438 V的要求；在低电压时段通过电池储能系统放电给供电线路，可以有效提升线路电压。与增加杆上变压器扩容方法相比，电池储能调压装置具有安装简便、占地少、投资小、移动灵活、可重复利用等特点。

电动汽车电池；低电压线路；储能；调压

0 引 言

电网线路低电压现象是影响城市和农村用电质量的主要因素之一[1-2]。由于家用电器集中使用、线路设备陈旧老化、临时租借房屋超负荷用电、居民或工业小区供电半径过长等原因，致使短时段负荷增大，导致电压跌落。线路低电压问题将增大线损、降低送变电设备能力，造成空调、冰箱等电器不能正常运转，严重时还将造成电压崩溃和大面积停电。上海低电压热点地区具有季节性和时段性特点，而且随着城市人口的流动频繁，每年低电压热点地区会有变化。解决低电压问题的常规办法是通过增加杆上变压器数量来扩大电网容量[3]，电网通过足够的备用容量来应对仅数天的短时峰值负荷，这种办法大大增加了设备的投资、安装和运行费用。采用电容器对低电压线路进行无功补偿是改善低电压现象的有效手段[4]，然而，城市电网线路低电压的主要原因是由于短时段负荷增大导致电压跌落，通过加装传统的电容器也不能解决问题。而基于电压源换流器(voltage source convertor，VSC)的新型无功补偿装置(static var generator，SVG)，其直流侧是电容，存储的能量非常有限，只能运行在2个象限内，即发出无功功率和吸收无功功率，而不能与系统交换大量的有功功率。如果在直流侧采用电池储能系统，就可以发送和吸收有功功率，解决短时段负荷增大引起的电压跌落问题。

随着电池储能技术[5-8]的发展，采用电池储能系统解决包括低电压现象在内的电能质量问题[9-13]是研究的热点之一，文献[14]采用Hawker能源公司的高级铅酸电池研制的动态电压恢复器有效解决了低电压问题。由于铅酸电池的能量密度小、功率密度低、充电时间长、循环寿命短、自放电率高，再加上容易造成环境污染，尽管成本较低，但已经不是电池储能技术的发展方向。而锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、大电流放电能力强、高功率承受力、自放电率低等优点，其比能量达到了铅酸电池的3倍左右，钴酸锂和磷酸铁锂锂离子电池的单体电池工作电压分别为3.7、3.2 V，远大于铅酸电池单体电池电压，锂离子电池循环寿命在浅充放模式下可以达到3 000～5 000次，储能效率可以达到90%以上。因此，锂离子电池储能系统成为居民或工业小区的理想选择。

为了推动电动汽车的发展，国家电网公司在苏沪杭高速公路服务区建设了电动汽车充换电站，储备了大量的换电式电动汽车标准电池(磷酸铁锂电池)。由于电动汽车发展步伐的放缓，如何拓宽换电式车用锂离子电池的应用领域也是国有资产保值增值所要考虑的问题。本文采用由国家电网电动汽车换电式标准电池和自行研制的能量转换装置(power conversion system, PCS)组成储能系统，通过实验室模拟低电压线路进行调压试验，重点关注换电式电动汽车标准电池的放电特性以及对低电压线路的调压效果。

1 实验装置

图1为电池储能系统拓扑图。国家电网电动汽车换电式标准电池(电池箱)组由5个电池箱串联组成，额定电压为400 V，电池组容量为24 kW·h，每个电池箱含1个电池管理单元 (battery management unit, BMU)，电池组管理系统设1个触摸监控屏、4个电池状态控制器(battery signal conditioning, BSC)、1个电池状态主控制器(battery signal collection module, BSCM)以及主回路电气控制元件，其中BSCM实现成组后电池箱的电流检测以及高压电气控制。自行研制的PCS是一个双向逆变装置，可以实行直流储能电池组与交流电网之间双向能量传递，实现对电池组的充放电和网侧电压的控制。

图1 电池储能系统拓扑图

2 储能调压试验

2.1 负荷特性

本文以上海市某小区负荷为例，进行电池储能调压试验。图2为该小区某日配变侧电压-时间曲线，由图2可知，在用电高峰时段B相电压出现小于210 V的低电压现象。

图2 某小区配变侧电压-时间曲线

2.2 电池箱特性

试验用PCS直流侧的电压为324～438 V，放电功率不超过20 kW。电池组由5个电池箱串联组成，因此平均要求每个电池箱的电压为64.8～87.6 V，放电功率不超过4 kW。图3为某电池箱以3 kW功率放电时的电压-容量曲线，额定放电容量为0～60 A·h时，电池箱电压为69～80 V，达到使用要求。

图3 电池箱以3 kW功率放电时的电压-容量曲线

图4为电池箱分别以1，2，3，4，5 kW功率放电时的电压-时间曲线，如果以放电电压不小于64.8 V为限，电池箱放电时间分别为290，145，93，57，42 min，则不同放电功率时电池容量分别为4.8，4.8，4.6，3.8，3.5 kW·h，即放电功率越大，可利用的电池容量越小。

图4 电池箱以不同的功率放电时电压-时间曲线

2.3 试验结果

通过隔离变压器和电器负载，人为地将线路电压降下来，采用Fluke 435电能质量测试仪测量A相、B相和C相的交流电压和交流电流。储能调压试验分为3种情况：(1)储能设备不运行，无负载；(2)储能设备不运行，但有负载；(3)有负载且储能设备投入。表1为储能调压试验测试数据。从表1可看出，接入负载以后A相、B相和C相的电压分别从213.9，215.1，214.3 V下降到207.7，208.6，209.9 V；当储能设备投入运行后，A相、B相和C相的电压分别从207.7，208.6，209.9 V提升到213.1，214，213.4 V，A相、B相和C相的补偿电流分别为33，32，31 A，电池组放电电流为37.65 A，输出功率约为15 kW，相当于每个电池箱放电功率为3 kW。显然，储能设备投入运行可以有效地提升线路电压。

表1 储能调压试验前、后电压和电流测试数据

3 结 论

(1)大城市居民或工业小区供电线路可能出现短时段的低电压现象，在低电压时段通过电池储能系统放电给供电线路(用电低峰时段电网给储能电池充电)，可以有效提升线路电压。采用电池储能系统是解决低电压问题的一种有效方法。

(2)换电式车用电池除了用作电动汽车动力以外，还可以用于配网侧小容量的电力储能，拓宽了换电式电动汽车电池的应用范围。

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(编辑：蒋毅恒)

VoltageRegulationTestofEnergyStorageSystemforLow-VoltagePowerLinewithUsingElectricVehicleBattery

LIAO Qiangqiang1, MU Guangping2, XU Hua2,ZHOU Guoding1, ZHOU Xiaoping2, LI Xiaohua1, JIANG Dawei2

(1. Shanghai Engineering Research Center of Electric Power Transfer, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China;2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200080, China)

The capacity of power grid can be enlarged by means of increasing pole transformers, which will greatly increase the improvement cost of the line in power network. With regards to this reason, the voltage regulation tests for low-voltage power line were carried out in the laboratory by means of the battery energy storage system consisting of electric vehicle battery in charge and replacement station provided by State Grid Corporation and self-made power conversion system (PCS). The results show that the available battery capacity decreases with the increase of discharge power. The operating voltage of one battery box is in the range of 69-80 V at the discharge power of about 3 kW, therefore, five battery boxes in series can meet the needs of voltage range of 324-438 V on PCS DC side. The voltage of power line can be effectively improved when the battery energy storage system affords power supply during low-voltage hours. Compared with the method of increasing pole transformers, the voltage regulation equipment containing battery energy storage has advantages of simple installation, small space requirement, small investment, flexible mobility and reusable.

electric vehicle battery; low-voltage power line; energy storage; voltage regulation

上海市科委项目(12692104500)；国家电网公司科技项目(515111107X, 52091113502K)；上海市教委科研创新项目(13YZ107)。

TM 761;U 469.722

： A

： 1000-7229(2014)05-0056-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.009

2013-11-14

：2014-01-16

廖强强(1971)，男，博士，教授，研究方向为电力储能，E-mail : liaoqiangqiang@shiep.edu.cn；

穆广平(1958)，男，大专，经济师，研究方向为电力资产管理；

徐华(1962)，女，本科，工程师，研究方向为电力工程管理；

周国定(1938)，男，硕士，教授，研究方向为电力储能；

周肖平(1977)，男，本科，工程师，研究方向为电力经济技术管理；

李晓华(1974)，女，博士，副教授，研究方向为电力电子和电力传动；

蒋大为(1977)，男，本科，助理工程师，研究方向为电力运检管理。