基于磷酸鐵鋰電池的110 kV變電站直流系統中的電池容量選擇

王 洪 ，林雄武 ，李 麗 ，金 林 ，劉 平 ，劉 軼

（1.華北電網張家口供電公司，河北省 張家口市 075000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東省 深圳市 518057）

引言

直流電源系統是變電站的重要組成部分，蓄電池系統設備選型的合理性、安全可靠性直接影響著變電站的可靠性。

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰材料無任何有毒有害物質不會對環境構成任何污染被世界公認為綠色環保電池，該電池無論在生產及使用中，均無污染，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。

跟傳統鉛酸蓄電池相比，它具有以下顯著優勢：超長壽命、使用安全、綠色環保、可大電流充放電、耐高溫、自放電率小、無記憶效應、體積小、重量輕、廉價。

磷酸鐵鋰電池擁有的諸多優越的特性，安全環保，特別是在高功率或大容量電池中具有良好的高溫熱穩定性，引起各行各業的廣泛關注，特別是在電動汽車領域和儲能領域，已經開始大力推廣。磷酸鐵鋰電池作為后備電源，在變電站站用電源領域尚未見到應用。本文通過某110 kV變電站作為范例，結合變電站的規程和磷酸鐵鋰電池的特性，詳細介紹了在站用直流電源領域磷酸鐵鋰電池的容量計算。

1 變電站直流系統簡介

1.1 額定電壓的選擇

目前，國內110 kV變電站直流電源額定電壓為DC220 V，DC110 V兩種。

1.2 直流負荷

直流負荷包括電氣的控制、信號、測量和繼電保護、自動裝置、操作機構直流電動機、斷路器電磁操動的合閘機構、站內交流不停電電源系統、遠動和事故照明等負荷。

1.3 接線方式

根據規范要求，1組蓄電池的直流系統采用單母線或單母線分段接線方式，2組蓄電池的直流系統采用二段單母線接線，蓄電池組應分別接于不同母線段，二段直流母線之間應設聯絡電器。

目前，主流設計一般采用單母線分段接線方式，其優點是：可靠性高，任意母線出現故障或需要檢修都不影響正常供電；根據對直流電源的要求便于擴展配置。

1.4 蓄電池配置

110 kV及以下變電站宜裝設1組蓄電池，對于重要的110 kV變電站也可裝設2組蓄電池，為滿足無人值班直流供電冗余需要，110 kV變電站直流電源系統宜配置兩組蓄電池。

1.5 充電裝置

充電裝置是保證蓄電池可靠運行的主要設備，磷酸鐵鋰蓄電池對充電裝置的要求較高。110 kV變電站直流電源系統宜配置兩組高頻充電裝置，智能型高頻開關電源具有安全、可靠、自動化程度高、具有更小的體積和重量、綜合效率高以及噪音低等優點，適應電網發展的需要。

2 負荷計算

該110 kV變電站原有28面10 kV開關柜，經過改擴建后，新增25面10 kV開關柜，根據新舊設備的統計數據，進行負荷計算，作為蓄電池配置計算的理論依據，并對蓄電池配置結果進行校驗。

2.1 110kV系統GIS配電裝置計算電流

GIS配電裝置共7個間隔，每個間隔的經常負荷電流以0.1 A計(信號燈及繼電器等)。

因此，GIS配電裝置負荷電流：I1＝0.7 A。

2.2 原有10 kV配電裝置計算電流

原有10 kV配電裝置有28面開關柜，主要負荷包括信號燈、位置繼電器、控制和保護電源等，測控保護裝置經常負荷約15 W/面，信號燈約15 mA/個(斷路器和隔離開關信號燈各一個)；

因此，經常負荷計算電流：I2＝（15/220+0.015×2）×28=2.75 A。

2.3 新建10 kV配電裝置計算電流

新建10 kV配電裝置開關柜共25面，有關數據參照 2.2，因此，經常負荷計算電流：I3＝（15/220+0.015×2）×25=2.45 A。

2.4 控制室內微機監控及保護測控裝置計算電流

控制室內保護測控裝置屏柜經常負荷約：2.65 A（585 W，220 V）；故障錄波器柜，其經常負荷電流約：0.91 A；電度表屏及其他屏柜，經常負荷電流約：1 A；微機監控光纖通訊集成柜及微機監控組柜，經常負荷約電流約：2 A。

因此，控制室內微機監控及保護測控裝置總負荷電流：

由 2.1，2.2，2.3，2.4 可得總經常性負荷計算電流：

對計算結果保留一定的余量，取值Ijc=15A，負荷系數取0.6。

2.5 UPS系統的逆變器直流負荷計算電流

直流系統直接向UPS系統的逆變器供電，UPS的容量為5 kVA。

直流負荷計算電流：

式中：逆變器的效率取η取值0.8，可靠系數取Kk取值1.15,負荷系數Kf取0.6。

2.6 新10 kV配電裝置、控制室和繼電保護室事故照明

直流負荷約電流Ic＝9.1 A，負荷系數取1.0。

2.7 斷路器跳閘電流

Id＝12 A，其負荷系數取0.6?？紤]最嚴重情況為：110 kV I（或 II）段母差保護動作，I（或 II）段母線3臺斷路器同時跳閘。

2.8 最大合閘沖擊電流

一臺10 kV電磁操作機構的斷路器，其合閘電流為 DC220 V，120A。

由2.1至2.8的計算所得，進行直流負荷統計，見表1。

3 磷酸鐵鋰電池計算

3.1 蓄電池個數選擇

蓄電池組正常情況下采用浮充電方式運行，事故放電后自動轉為均衡充電方式運行，即充電裝置方式選擇開關置于浮充-均充狀態。

表1 220 V直流負荷統計表

根據《DL/T 5004-2004電力工程直流系統設計技術規程》規定，對控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統，在均衡充電運行情況下，直流母線電壓不應高于直流系統標稱電壓的110%，在事故放電情況下，蓄電池組出口端電壓不低于直流系統標稱電壓的87.5%。蓄電池個數是由單體電池正常浮充電電壓和直流母線電壓確定。其中直流母線電壓取1.05倍直流系統標稱電壓值，是考慮允許用電設備有5%的電纜壓降，以保證正常運行時電壓不低于額定值。

表2 磷酸鐵鋰電池參數

按浮充電運行時，直流母線電壓為1.05 Un,選擇蓄電池個數：

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

式中：n為蓄電池組串聯的蓄電池個數；Un為直流系統標稱電壓220 VDC；Uf為單體蓄電池浮充電電壓，取值3.42 V。

根據計算所得，本直流系統蓄電池組選擇68只標稱電壓3.2 V的磷酸鐵鋰電池串聯。

電壓校驗：

（1）均充狀態：在均衡充電運行方式下，直流母線電壓不應超過直流系統額定電壓的110%,即Uc≤1.10 Un/n。磷酸鐵鋰電池的均衡充電電壓為3.5，則

（2）放電狀態：在事故放電末期，對于控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統，蓄電池組出口端電壓不低于直流系統標稱電壓的87.5%，即UT≥0.875 Un，蓄電池事故放電終止電壓為2.9 V，則:

UT=2.9×68=197.2 V；UT為蓄電池組放電終止電壓。

通過校驗可知，在各種運行方式下，68只磷酸鐵鋰電池串的蓄電池組電壓均能滿足要求。

3.2 蓄電池容量選擇

根據《DL/T 5004-2004電力工程直流系統設計技術規程》規定，蓄電池容量需按以下條件進行選擇：

（1）應滿足全廠（所）事故全停電時間內的放電容量；

（2）應滿足事故初期（1 min）直流電動機啟動電流和其他沖擊負荷電流的放電容量；

（3）應滿足蓄電池組持續放電時間內隨機（5 s）沖擊負荷電流的放電容量；

（4）應以最嚴重的事故放電階段，計算直流母線電壓水平。

本項目蓄電池容量選擇按照電壓控制法（容量換算法）進行計算。

由表1可知，事故放電階段最大事故放電電流為44.92 A。

蓄電池事故放電時間按2 h，放電終止電壓按2.9 V計，蓄電池10 h放電容量計算為：

式中：C10為蓄電池10 h放電容量；KK為可靠系數，取1.4；CSX為事故全停電狀態下相應的持續放電時間的放電容量，取值44.92；KCC為容量系數，磷酸鐵鋰電池沒有標準的容量系數可供參考，但實驗證明，其容量系數高于鉛酸蓄電池，根據規程DL/T 5044-2004，閥控式密封鉛酸蓄電池（貧液）（單體2 V）在放電終止電壓1.87 V,放電時間1 h時的容量系數為0.52，以此數據作為磷酸鐵鋰電池容量系數進行保守估算。

因此：蓄電池10 h放電容量選擇為200 Ah可滿足要求。

3.3 電壓水平校核

磷酸鐵鋰電池為動力電池，有很強的大電流放電能力。如圖1所示，持續進行800 A的大電流放電，電池容量放完80%以后，仍然可以維持3 V左右的電壓。

圖1 單體200 Ah磷酸鐵鋰電池20℃倍率放電容量曲線

可見，容量為200 Ah的電池完全可以滿足設計要求。

圖2 單體磷酸鐵鋰電池倍率放電曲線

4 結論

本文采用傳統的鉛酸蓄電池容量計算的方法，同時考慮到磷酸鐵鋰電池的特性參數，計算結果具有較大的裕量，完全可以滿足設計要求。磷酸鐵鋰電池作為動力電池，對沖擊電流的適應性有本能的優勢，筆者認為可以取消電壓水平校核，進一步簡化計算過程。

[1]白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統設計手冊（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]方佩敏.新型磷酸鐵鋰動力電池[J].今日電子，2007，（9）.

[3]貝天寶.磷酸鐵鋰電池充電電路的設計及實驗分析[J].機電工程技術，2008，37（12）.

[4]胡國榮，童匯，張新龍，彭忠東，胡國華.磷酸鐵鋰正極材料制備與電性能研究[J].電源技術，2007，31（3）.

[5]《DL/T5044-2004電力工程直流系統設計技術規程》.