基于磷酸铁锂电池的站用直流备电系统工程设计研究

曹 斌, 饶成诚, 罗 威, 刘宇翔

(1.国网湖南超高压变电公司, 湖南 长沙 410004;2.国网湖南省电力有限公司 变电智能运检实验室, 湖南 长沙 410004;3.国网湖南省电力有限公司, 湖南 长沙 410004)

0 引 言

目前,变电站直流电源系统主要采用的铅酸电池[1-2],其寿命短、可靠性差、笨重,运行维护主要依赖人工操作,工作量大、成本高,性能和智能化均不能满足变电站智能化、数字化应用要求。磷酸铁锂电池具有寿命长、温度特性好、可靠性高的优点[3-4],被视为铅酸电池的理想替代。因此,研究设计基于磷酸铁锂电池的变电站用220 V直流备电系统,替换原有铅酸电池,对全面提升直流系统可靠性与安全性具有十分重要的意义。文献[5-6]主要论述了现有变电站用铅酸电池存在的安全隐患,以及长期浮充下对铅酸电池内部容量劣化无法评估等缺点。文献[7]对磷酸铁锂电池和铅酸电池性能进行比较分析,指出磷酸铁锂电池的主要优势,并对两者进行技术经济比较,分析了磷酸铁锂电池代替铅酸电池的可行性。文献[8-9]介绍了磷酸铁锂电池在变电站系统应用情况以及磷酸铁锂电池的充放电管理策略,但并未提出切实可行的工程设计方案。文献[10-12]介绍了磷酸铁锂电池在电网侧储能、电池梯次利用储能以及混合储能等方面的应用情况。文献[13]介绍了一种用于电力工程直流电源系统的浮充式保护型磷酸铁锂电池,重点解决常规磷酸铁锂电池在长期浮充电运行工况下安全问题,对磷酸铁锂电池在站用直流备电系统的应用实施具有一定参考意义。综上所述,目前对磷酸铁锂电池在站用直流备电系统的工程设计研究较少,鲜有提出具体的原有铅酸电池替换设计方案。

本文以220 kV变电站用220 V直流备电系统,电池备电容量300 Ah为例,提出磷酸铁锂电池(下述均简称锂电池)替代原有铅酸电池的电气设计和接线方式,进一步阐述了磷酸铁锂电池型直流电源系统中锂电池成组方式、电池管理系统(Battery Management System，BMS)设计以及电池核容装置的设计,并基于锂电池的特殊充放电特性,研究讨论了适用于锂电池的充放电策略、运维及检修策略、告警保护策略,为站用铅酸电池的锂电化改造实施提供指导标准和设计依据。

1 磷酸铁锂电池型直流电源系统设计

GB/T 19826—2014《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》[14]规定,变电站直流电源系统的标称电压为110 V和220 V,控制母线电压最大变化范围为85%～110%标称电压,动力母线电压最大变化范围为87.5%～112.5%标称电压。不考虑母线分段及降压硅链,电池工作电压范围为87.5%～110%标称电压,即110 V系统为96.25～121.00 V,220 V系统为192.5～242.0 V(可根据变电站直流设备用电要求浮动)。220 kV变电站一般采用两电两充,电池容量根据变电站需求设定为100～800 Ah不等。本文以220 kV变电站直流系统备电容量300 Ah为例,直流系统接线简图如图1所示,采用锂电池整体替换原有铅酸电池,原有充电机及供电线路不变,磷酸铁锂电池系统直接并入直流母线,设计流程简图如图2所示。

图1 直流系统接线简图

图2 设计流程简图

1.1 基本功能和系统参数设计

磷酸铁锂电池系统应具备直流备电功能,电压在180～262.8 V,波动范围大于规程要求,还应具备以下5大功能,便于运行维护。

(1) 电池合路功能:通过多级电池管理,实现电池组串的脱出和并入;

(2) 自动合容功能:设定周期进行自动充放电循环一次,完成电池容量核定;

(3) 间歇式充电:设定电池充电起始与结束条件,完成电池自动间歇式补电;

(4) 充放电保护:在正常运行以及电池充放电时,具备总压过充保护/告警、总压过放保护/告警、单体过充保护/告警、单体欠压保护/告警、过流保护/告警、过温保护/告警等保护功能;

(5) 数据采集与通讯:支持就地触摸查询,同时可以通过外接通讯口,采集传输系统信息到特定设备或监控系统显示。

根据以上功能,可初步列出标称容量300 Ah磷酸铁锂电池型直流电源系统性能参数如表1所示,作为磷酸铁锂电池系统设计的初步参考依据。

表1 磷酸铁锂电池型直流电源系统性能参数

1.2 电气系统拓扑结构设计

磷酸铁锂单体电池并联运行对BMS的要求较高,且缺乏有效的均衡手段,为避免电池不一致带来的电池容量利用率低及寿命衰减问题,本文对磷酸铁锂电池组串的内部设计采用只串不并的成组方式,即组串内部的电芯和电池模组均采用串联模式。为满足变电站100～800 Ah等各种备电容量需求,对整组串采用“小容量多路并联”的设计方式,每路电池组串标准容量设计为50 Ah、100 Ah和200 Ah,电池组串采用多路并联模式。变电站直流系统备电容量为300 Ah,磷酸铁锂电池型直流电源系统电气拓扑如图3所示。每段直流母线的电池备电由标准容量100 Ah的三串电池簇并联组成,每串电池簇内的电池箱和单体电芯均采用串联结构。

图3 磷酸铁锂电池型直流电源系统电气拓扑

图3中S0为充电接触器,控制充电机与电池系统的通断,联合VD0实现充放电回路分离,由BMS系统总控控制;VD0为放电二极管,S0断开时保证放电回路持续导通;S1、S2、S3为并机接触器,控制单簇电池系统与直流母线的通断;K1、K2、K3为核容接触器,控制单簇电池系统与核容器的通断;QF1、QF2、QF3为组串断路器,控制单簇电池系统通断,可手动操作,同时满足系统过载、短路、急停状态下的保护需求。

2 磷酸铁锂电池系统构成

2.1 电池成组方式

磷酸铁锂电池单体额定电压3.2 V,72串电池组额定电压230.4 V,满足220 V直流电源系统电压要求。为了满足控制母线和动力母线最大电压变化范围,限制单体电池工作电压范围2.70～3.35 V,母线电压可控制在194.4～241.2 V,可选取120 Ah大容量电芯串联成组,12个电池单体串联成电池模组,6个电池模组串联成电池组串,3个电池组串并联组成电池系统。0.3 C充放电倍率下,系统可用容量满足300 Ah需求。磷酸铁锂电池组串示意图如图4所示;磷酸铁锂电池组参数信息表如表2所示。

图4 磷酸铁锂电池组串示意图

表2 磷酸铁锂电池组参数信息表

2.2 BMS设计

磷酸铁锂BMS采用三级管理实现对电池单体、模组和组串的协调管理。BMS通过对锂电池参数的测量、状态估算和运行管控,以保障电池系统安全、稳定、高效应用。

实时采集:实时在线采集电池的运行参数,包括单体电压、单体温度、模组电压、组串电压、组串电流、环境温度、绝缘阻抗等。

状态估计:计算电池的实时状态,包括SOC(荷电状态)、SOH(健康状态)。

热管理:温度告警、冷却/加热处理等。

均衡管理:通过被动均衡/主动均衡,保证电池容量最大化利用及安全运行。

安全管理:故障预警、安全保护、消防联动等。

智能运维:电池数据云端管理,采集分析电池实时运行状态、容量状态、健康状态、安全预警、故障推送,给出实时维护方案,实现智能运维。

BMS三级架构如图5所示。

图5 BMS三级架构

图5中CSC为从控、SBMU为主控、MBMU为总控。BMS总控主要实现:①显示各组电池电压、温度、容量、SOC,可查看各个模块中的详细信息并设置各个模块与系统相关的参数;②单体电池过欠压、电池总压过欠压、充电过流、放电过流、负载短路、电芯高低温、环境高低温、均衡策略、电池串联节数、电池容量等各项电池管理参数可通过上位机来重新设定;③实时存储市电断电、市电恢复、均充浮充、间歇充电等工作状态切换时的测量数据,存储各种告警、保护触发及消除时的告警数据,通过设置记录开始时间、记录结束时间和记录间隔时间来实现存储一定时间段内的历史数据。

2.3 自动核容器设计

电池核容器采用与现有铅酸蓄电池核容器相同装置,可分为发热式核容器和回馈式核容器两种,根据设计需求选配,通过BMS远程遥控控制合容触点自动开闭合,实现远程自动核容。发热式核容器由放电电阻和电池充电装置组成,电池通过电阻放电与充电机充电完成容量核定;回馈式核容器为双向AC/DC变流装置,电池通过AC/DC装置与电网进行能量交互完成容量核定,具有损耗小、发热量少、安全可靠等优势,本文推荐该种核容器。

3 磷酸铁锂电池型直流电源系统运行维护策略

并联系统电池合路简化结构如图6所示。便于系统充放电、保护及运维检修等策略的分析说明。

图6 并联系统电池合路简化结构

3.1 充放电策略

系统充电方式一般为浮充充电或者间歇充电。根据锂电池的本征化学性质,传统小电流浮充充电方式易引起电池正极中的锂溶解并沉积在负极表面,失去活性,持续溶解沉积的过程会导致锂电池容量下降,缩短锂电池使用寿命,且连续浮充充电易引起电池过充,造成安全事故。

本文采取间歇式充电策略,锂电池充电到达截止条件即切断充电回路,相较于浮充充电可减小锂电池损伤,延长使用寿命。站用电供电正常情况下,充电模块通过开关S0对并联锂电池系统充电,充电完成后S0断开,锂电池系统通过二极管VD0提供直流母线不间断供电;当锂电池因自放电或紧急备电放电后锂电池电压达到设定充电电压下限时,闭合S0重新对锂电池充电。

图6中并联电池系统放电回路有3个:一是在锂电池充电过程中电网停电时,通过开关S0向直流母线放电,提供直流备电;二是在锂电池间歇充电结束后电网停电时,通过放电二极管VD0向直流母线放电,提供直流备电;三是通过核容开关K1、K2、K3分别依次向核容器放电,实现定期自动核容。

磷酸铁锂电池间歇式充放电曲线如图7所示。T1为恒流-限压充电阶段即为锂电池事故放电后的补充充电阶段;T2为恒压-限流充电阶段;T3为锂电池组开路静置阶段即为电池作为直流系统的备电阶段;T4为间歇式补电阶段,用来定期补充锂电池在开路静置阶段的自放电;T5为事故放电阶段,与T1循环,形成一个系统事故充放电周期。

图7 磷酸铁锂电池间歇式充放电曲线

3.2 核容与检修策略

设定核容周期(例如3个月),在锂电池满电状态下,BMS执行定期核容指令,将其中一组锂电池与回路断开,转接到核容器电路,按照额定放电电流完全放电一次,计核容量。容量计核完成后,将锂电池充电至满电状态,并回主回路;然后断开第2组锂电池系统,完成容量计核;最后完成第3组容量计核。检修流程同核容流程,每组锂电池单独检修,可做到备电不间断。

3.3 告警与保护策略

系统告警与保护策略主要由BMS实现,按照分层分级原则,首先将状态量分为整组串、单体和其他类型。整组串类重要状态量7个:总电压过高过低、SOC过高过低、充电温度过高过低、放电温度过高过低、充电电流过高过低、放电电流过高过低;单体类状态量:单体电压过高过低、单体温差过大、单体压差过大等;主要其他状态量:绝缘电阻过低、通信中断、烟雾及火灾等。再根据告警等级分为轻微、中度、严重3级,其中轻微告警BMS系统只发出告警信号,中度告警BMS系统停止充放电功能,严重告警时BMS系统断开对应问题电池组串接触器,保护锂电池组串。该分层、分级的告警与保护策略可实现对锂电池的精准保护、精确控制以及锂电池的安全稳定运行。

4 结 语

本文重点研究磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池作为站用直流备电系统的基本功能和参数设计、电气拓扑设计以及BMS设计,并分析了系统构成和磷酸铁锂型电池组的运行维护策略,得出如下结论:

(1) 提出了磷酸铁锂电池组串采用“小容量多路并联”的电气拓扑设计结构,组串内部采用只串不并的成组方式,有效解决电池不一致导致的容量利用率低及寿命衰减问题,电池组串采用并联结构,可灵活满足变电站100～800 Ah等各种备电容量需求。

(2) BMS采用三级构架的设计思路,可实现对单体电池、电池模组和整组电池的全面监控与保护,实现磷酸铁锂电池直流电源系统的全寿命周期的管理,为实现电池组的自动核容、远程控制、智能分析与检修奠定硬件基础。

(3) 针对磷酸铁锂电池的化学本征特性,提出间歇式充电策略和电路设计,并绘制了间歇式充放电特性曲线,有效解决磷酸铁锂电池连续浮充带来的寿命衰减和安全问题,为磷酸铁锂电池型直流电源系统安全运行提供解决思路。