基于磷酸铁锂电池的变电站直流一体化电源技术研究

     基于磷酸铁锂电池的变电站直流一体化电源技术研究     INCLUDEPICTURE\d"D:\\HTC下载-期刊网\\116LunWen.jpg"\x\y\*MERGEFORMATINETError!Cannotreadordisplayfile.     摘要：取消变电站传统UPS和通信电源的铅酸蓄电池组，共享直流电源系统的蓄电池组，并采用磷酸铁锂电池，改善传统使用的蓄电池寿命短、容量小、耐温度不高等问题缺陷。关键词：直流；磷酸铁锂电池；电源一、背景（一）站用电源技术现状与趋势1.传统站用电源现状集成化智能化低。变电站控制电源设备一般采用独立分散设置的方式，设备由不同的供应商提供，分属不同的专业管理，无统一的接口和监控设备，无法实现对交直流控制电源设备的系统分析、维护及一体化信息管理。蓄电池管理不完善。传统蓄电池寿命短，维护工作量大，工作电流范围小，对温度特别敏感，逐渐无法满足新设备的要求，且对蓄电池系统管理不完善，无法及时发现电池隐患。2.站用电源发展趋势本研究中设计的智能一体化电源系统采用分层分布结构，由ATS、充电单元、UPS电源、通信电源、蓄电池组及各类监控管理模块组成。智能一体化电源为全站交、直流设备提供安全、可靠的工作电源，包括380V交流电源、D110V直流电源、DC48V通信用直流电源及AC220VUPS电源。各功能测控模块采用一体化设计、一体化配置，运行工况和信息数据接入系统自身配套的信息一体化平台或后台监控系统。整套系统实行各子单元分散测控和集中管理，从而实现对智能一体化电源系统运行状态信息实时监测。（二）磷酸铁锂电池技术锂电池目前广泛应用于辅助服务、大规模可再生能源、分布式发电及微网、电力输配、电动汽车储能等各种储能领域。从市场用量、技术的成熟度等方面看，国内动力锂电池以磷酸铁锂正极的锂电池为主，该材料具备稳定性高、安全可靠、价格便宜、技术成熟等特点。二、技术路线（一）简介采用高集成化和高智能化的变电站智能一体化电源解决方案，取消传统UPS和通信电源的蓄电池组，共享直流电源系统的蓄电池组；选用磷酸铁锂电池，改善传统使用的蓄电池寿命短、容量小、不耐高温等问题缺陷；采用内嵌式IEC61850通讯方式，实现高效稳定可靠的智能电网通信。（二）直流一体化电源系统设计与研发1.磷酸铁锂电池的选用选用综合性能最优的磷酸铁锂电池。根据系统电压等级和使用要求，蓄电池组采用64节串联1组并联（64S1P）成组形式，柜式安装方式（800*600*1600mm）。系统电压为220V，容量为120Ah，充放电电流为0.2C，最大可达1C，集成电池数据采集及均衡功能。2.内嵌式IEC61850通信取消外置协议转换器，采用外部配置软件，根据系统需要构建模型解决后台通信问题，减少维护成本。统一的网口通讯与RS485串口通信相比更加稳定可靠。基于WDJ监控的成熟IEC61850动态链接库（DLL）技术以及对XML文件的分析处理技术的基础上，实现IEC61850内嵌式通信功能。主要实现内容为：（1）实现动态链接库技术。基于WDJ监控采用动态链接库的技术，各种类型的类按照各自的功能集成在相应的DLL中，继承类的属性以及功能通过统一的接口对外展示，独立模块就是一个具有特定功能的动态链接库。系统有强有力的支持属性以及扩展功能。由于以动态链接的方式使用了DLL动态链接库，所以替换现有功能模块也变得容易。（2）实现对XML文件的分析处理。利用现有的程序库编写处理系统XML文件的程序实现解析功能，使灵活构建各种应用系统成为可能。IEC61850设计所使用的ICD文件就是XML文件的子集，因此对XML文件的分析处理也有助于IEC61850的嵌入。（3）实现内嵌式IEC61850通讯。在项目的主体程序中加入XML文件分析功能，据此进行模型建立后即可以以DLL的方式嵌入到本项目中。可以通过外部配置软件，根据实际系统需求生成ICD文件，管理系统根据此ICD文件在内存中构建实际模型。3.蓄电池管理系统实现远程充电、放电、活化与核容等功能，其中蓄电池在线活化功能可避免长期浮充蓄电池钝化导致的容量下降，有效延长使用寿命和提高可靠性。（1）变电站蓄电池管理系统现状现有大部分蓄电池系统使用充电机实现充电管理，单节电池电压采集器进行蓄电池，基本实现蓄电池的均充管理、蓄电池组电压告警及单节电压告警，少部分还加入了在线均衡系统以确保每节电池的电压一致。但无法发现如单节电池内阻增大、连接线电阻增大、蓄电池组容量下降、蓄电池内部开路等。（2）改进方案在基于WDJ监控与主动式蓄电池管理系统的基础上，通过对单体电池及电池组数据的采集和处理，实现蓄电池的短板短板电池管理及远程主动式活化、核容功能。主要实现：电池及电池组数据采集；电池及电池组数据处理；实现蓄电池的短板电池管理；实现对蓄电池的主动式活化、核容。蓄电池管理系统结构框架及原理如下图：（3）技术路线蓄电池及蓄电池组数据采集：单体电池数据采集单元负责采集单节电池的电压、温度、SOC，通过CAN总线上报数据采集控制单元。数据采集控制单元负责采集蓄电池充放电电流、放电回路控制量，并将单体电池数据采集单元上报的数据通过RS232串口上报给WDJ监控主机，以供存储分析。蓄电池及蓄电池组数据处理：数据上传至监控进行记录分析，判断蓄电池组健康状态，查找短板电池，对蓄电池异常状态进行警告和记录，并为蓄电池容量预估分析建立模型。实现蓄电池的短板电池管理：将电池参数进行长时间的记录，根据短板电池的放电电流、电压及温度等和正常的电池比对，管理系统根据参数变化趋势综合判断短板电池，并通过内部均衡系统进行均衡操作。经多次均衡仍为短板的电池，确认为短板电池，并进行定位。操作人员对电池各项参数进行测试排除误报，确认参数检测正确后，将落后电池从蓄电池组中脱出。蓄电池的主动式活化、核容功能：WDJ监控接收蓄电池综合管理系统控制箱中的蓄电池各运行数据，对数据进行分析处理。并定期或人为手动向蓄电池综合管理系统控制箱发送设定参数和控制参数，将主动负载接入蓄电池，使蓄电池进行放电活化或核容，而无须脱离直流母线。WDJ监控实现四遥功能，从而实现可远程对蓄电池进行活化、核容功能。三、技术经济性（一）技术性对比1.电池类型对比磷酸铁锂电池标称电压是铅酸电池的1.5倍多，同样容量的单节电池，前者重量比后者轻一半以上，所占体积只有后者1/3，性能对比见表3-1。2.蓄电池管理系统对比（1）传统蓄电池管理方式传统蓄电池的管理是定期检测蓄电池电压和电池组端电压，人工测量精度差，实时性（尤其是在放电过程中）和连续性差。不能判断蓄电池的实际容量和当前的性能状态。测试虽可找出部分落后电池，但一般两年一次，无法在测试前发现落后电池，也无法保证测试后的两年内不出现故障，且工作量很大。（2）新的蓄电池管理方式蓄电池管理系统实现远程充电、放电、活化与核容等功能，其中活化功能可避免长期浮充蓄电池钝化导致的容量下降，有效延长使用寿命。对蓄电池SOC进行评估，提高蓄电池的可靠性，实时监测结果显示及故障报警，可保障直流系统的安全、稳定运行，减少系统故障率，降低由于直流系统故障引起的供电故障及故障损失。远程集中管理监测，可减少人力物力的投入。（二）经济性对比磷酸铁锂电池采用智能间歇式充放电管理模式，很大程度上降低了耗电成本。对比全寿命使用周期内两种电池成本，表3-2列出成本类别并比较。锂电池替换铅酸电池方案典型案例：以110kV变电站为例，蓄电池配置220V/150Ah即33000Wh，电池组配置铅酸电池数量=220V/2.25V约为104节，电池组需要铅酸电池104节串联组成；锂电池数量=220V/3.2V为约为64节，电池组需要锂电池64节串联组成；以10年使用为限，以此为计算依据，铅酸电池需用2组，锂电池1组，均不计废弃处理成本。两种方案对比详见表3-3。总成本计算方法如下：使用周期内成本=购置成本+维护成本+故障成本。铅酸电池最佳充放电电流为0.1C，而锂电池一般充放电电流在0.1C~1.0C之间，是0.2C充放电电流。充放电容量都能达到额定容量的100%以上。若本例以0.2C作为工作电流，选用容量不低于120Ah的锂电池，可以进一步降低电池购置成本，从而降低总成本。锂电池使用周期内成本为127040元；铅酸电池使用周期内成本为376000元；成本降低66.2%。锂电池替代具备良好的经济效益。 -全文完-