CN103219766B - 非浮充锂电型站用直流电源系统 - Google Patents
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Abstract
一种非浮充锂电型站用直流电源系统，改变传统站用直流电源系统长期采用铅酸蓄电池及在线浮充电运行方式，根据铁锂电池特点增加了电池管理系统,分设了工作整流模块和充电整流模块，采用多级降压硅链隔离直流控制母线和直流动力母线，使铁锂电池组不用长期在线浮充电运行，具有突出的实质性特点。本发明结构紧凑，易于操作，安全性能高，自动化程度增加，电池数量减少三分之一，系统性价比高，大规模应用能实现较高的经济效益和产生较大的社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及变电站、换流站、发电厂及其他电力工程中的站用直流电源系统，具体来说是根据磷酸亚铁锂离子电池(铁锂电池)不能长期浮充电运行的性能特点，利用降压硅链的特性，设计全新的充、放电回路及相应控制保护装置，使铁锂电池组处于不进行浮充电但不离线的工作状态的非浮充锂电型站用直流电源系统
背景技术
站用直流电源系统是变电站、换流站、发电厂及其他电力工程中输变电设备的保护和控制及通信的工作电源，在电网事故造成交流电源中断时，其电池组供变电站保护、控制、事故照明等事故用电。一直以来站用直流电源系统采用的是电池组在线浮充运行方式，其主要特点是：①要补充电池组自放电造成的容量损失；②没有电池管理系统，采用定期进行均衡充电方式维护；③电池组通过断路器(或熔断器)直接连接在直流动力母线，然后通过降压硅链装置将较高的动力母线电压调整为适合直流控制母线连接的负载使用的电压，以便交流中断后不间断地提供直流电源。但长期浮充运行①会使电池极板钝化，造成电池容量衰退和寿命降低；②没有电池管理系统，电池容量状况只能依靠1～2年一次的核容放电试验进行评估，期间的容量状况不得而知；③电池组直接连接在直流动力母线，在进行核容放电试验时要脱离母线，必须用临时电池组替代或其他措施，才能满足DL/T724-2000电池组不脱离母线的要求。所以上述情况严重时，会在电网发生事故时，电池组无法满足事故期间的用电，耽误事故抢险，甚至造成事故扩大。
国内目前使用铁锂电池的站用直流电源系统，但是基于原阀控式铅酸蓄电池的结构和运行方式，只是简单的把铅酸电池换成铁锂电池，既没有遵守铁锂电池的充、放电特性，还会加速铁锂电池的容量衰退和减少运行寿命，使其性价比大大降低，故直接采用浮充电方式的铁锂电池组站用直流电源系统在电力工程开展应用存在难度。
发明内容
本发明的目的是根据铁锂电池不适宜浮充电运行的特性，以及现行站用直流电源系统的典型接线结构，提供一种利用降压硅链装置实现的非浮充锂电型站用直流电源系统，旨在避免铁锂电池组因长期浮充电造成的容量衰退和寿命降低，满足变电站保护、控制、事故照明等事故用电。
本发明的目的是这样实现的：一种非浮充锂电型站用直流电源系统，包括整流装置、馈电电路、铁锂电池组，其中馈电电路包括直流控制母线KM，所述整流装置的直流输出端连接到所述直流控制母线KM，还包括电池充电电路、直流动力母线HM、多级降压硅链装置和监控器；所述电池充电电路由交流空气开关Q0、充电整流模块M0和直流空气开关QF0构成；交流空气开关Q0一端连接到交流进线电源，另一端连接到充电整流模块M0的输入端；直流空气开关QF0一端连接到充电整流模块M0的输出端，另一端连接到直流动力母线HM；充电整流模块M0的控制端连接到所述监控器；所述多级降压硅链装置由多组硅链串联且每一组硅链两端并联一个旁路直流接触器构成；多级降压硅链装置的输入端连接到直流动力母线HM，输出端连接到直流控制母线KM，控制端连接到所述监控器；所述铁锂电池组通过熔断器R1连接到直流动力母线HM；所述监控器还分别连接到所述整流装置和所述铁锂电池组；所述整流装置的直流输出正常时，多级降压硅链装置在监控器的控制下隔离直流动力母线HM和直流控制母线KM；所述整流装置的直流输出中断时，多级降压硅链装置在监控器的控制下实现分级调压以保证铁锂电池组通过直流动力母线HM和多级降压硅链装置向直流控制母线KM的供电电压处于合理的范围。
上述非浮充锂电型站用直流电源系统，还包括绝缘检测装置，绝缘检测装置有多个检测端和一个输出端，其中一个检测端连接到直流动力母线HM，输出端连接到所述监控器。馈电电路包括j条直流输出支路，j＝1、2、……n；直流输出支路通过直流空气开关Qj连接到直流控制母线KM，每条直流输出支路上设置有一个绝缘检测传感器CTj，每个绝缘检测传感器CTj连接到所述绝缘检测装置的检测端。
铁锂电池组和直流动力母线HM之间还设置有一个分流器FL，用于检测铁锂电池组的大小和电流方向，分流器FL的输出端连接到所述监控器。
整流装置如下设置：包括k个交流空气开关Qk、k个工作整流模块Mk，k＝1、2、3……n和直流空气开关QF3；交流空气开关Qk的一端连接到交流进线电源，另一端连接到工作整流模块Mk的输入端；所有工作整流模块Mk的输出端并联连接到直流空气开关QF3的一端，直流空气开关QF3的另一端为所述整流装置的直流输出端；所述工作整流模块Mk连接到所述监控器。
监控器中包含电池管理系统，电池管理系统通过采集电路和均衡电路对电池状态进行实时分析和管理，通过监控器和充电控制与保护电路对电池进行动态维护。充电控制由电池管理系统根据铁锂电池组状态，起动或停止充电整流模块M0对电池组进行的均衡充电或补充充电。充电整流模块M0停止工作时，由于多级降压硅链装置的作用，电池处于正常的静置状态。
本发明中的多级降压硅链装置是五级降压硅链装置，是由五组降压硅链串联且每一组降压硅链两端分别并联一个旁路直流接触器构成，每组硅链电压降为7V。当五个旁路直流接触器的触点全部打开时，五级降压硅链装置产生的电压降为35V，即当直流动力母线HM的充电电压达265V时，连接有直流负载的直流控制母线KM也能保持230V的正常工作电压，不会造成直流控制母线KM的过压；当需要由铁锂电池组向直流控制母线KM进行供电时，监控器根据铁锂电池组的实际端电压，控制五个直流接触器的触点开、闭实现分级调压，以保证直流控制母线KM的电压处于合理的范围。
本发明的实际工作过程如下：交流电源正常时，工作整流模块Mk为直流控制母线KM上的经常性直流负载供电,供电电压为230V。此时，监控器通过控制板使五级降压硅链装置的五个直流接触器的触点全部打开，五级降压硅链两端的电压差必须超过35V才能导通，而此时铁锂电池组如处于静置状态，其端电压不会超过265V。铁锂电池组即使处于充电状态，其电压也不会超过265V(当电池数量增加而需要提高充电电压时，可选用七级降压硅链，其电压降可达49V)。因此，五级降压硅链在交流电源工作正常时，始终处于截至状态，从而阻止了工作整流模块Mk向铁锂电池组浮充电。在电网发生事故造成交流中断后，工作整流模块Mk无直流输出，此时铁锂电池组通过五级降压硅链装置不间断地向直流控制母线KM及其直流负载供电。监控器根据铁锂电池组的实际端电压，控制5个直流接触器的触点开、闭实现分级调压，以保证直流控制母线KM的电压处于合理的范围。当电池管理系统根据电池采集数据分析铁锂电池组需要充电时，监控器发出指令启动充电整流模块M0对铁锂电池组进行充电，在充电过程中，电池管理系统的均衡电路对各电池充电进行均衡干预。
非浮充锂电型站用直流电源系统与传统的站用直流电源系统最大的区别在于增加了电池管理系统和专用充电整流模块，采用多级降压硅链隔离直流动力母线和直流控制母线，使铁锂电池组避免处于长期在线浮充电运行。而铁锂电池非常不适合长期在线浮充电的运行方式，多数铁锂电池制造厂都明确表示其产品不能采用长期在线浮充电工作方式。
本发明的有益效果是：站用直流电源系统被广泛地用作电力工程中输变电设备的保护、控制、通讯、事故照明等事故用电，作为电力、通讯等领域的工作或后备电源，其重要性不言而喻。过去为了保证铅酸蓄电池保持满容量和蓄电池组不脱离直流母线，结合铅酸蓄电池的自放电较大及定期均衡特点，电力系统一直沿用在线浮充电的接线和运行方式，但浮充电方式会造成个别电池长期的过充或欠充，使电池寿命缩短。而铁锂电池作为新型蓄电池其自放电非常小，较铅酸蓄电池具有更好的环保性、高容量密度和大电流充放等优点，现已大量应用于电动车领域，所以非常有必要将其引入到变电站、换流站、发电厂及其他电力工程的站用直流电源系统中，但铁锂电池应用于电力系统必须根据其自放电小等技术特点而改进传统的蓄电池组接线和管理方式，改变运行维护使用方法，才能最大限度地发挥铁锂电池的技术优势。
本发明改变站用直流电源系统长期采用铅酸蓄电池及在线浮充电运行方式，根据铁锂电池特点增加了电池管理系统,分设了工作整流模块和充电整流模块，采用多级降压硅链隔离直流控制母线和直流动力母线，使铁锂电池组不用长期在线浮充电运行，具有突出的实质性特点。由于铁锂电池具备工作温度范围宽、自放电小、使用寿命长、高倍率放电等诸多优点，结合本发明能最大限度地满足了电力系统事故用电需求，同时能减少使用铅酸蓄电池带来的环境污染问题。
本发明结构紧凑，易于操作，安全性能高，自动化程度增加，电池数量减少三分之一，系统性价比高，大规模应用能实现较高的经济效益和产生较大的社会效益。
附图说明
图1是系统结构框图。
图2是系统接线电路图。
图3是降压硅链装置接线电路图。
具体实施方式
如图2，非浮充锂电型站用直流电源系统由以下部分组成，各装置和结构部分之间采用相应的铜质母排线、铜芯电缆及测量、通讯线连接。
整流装置：高频开关整流模块(M1～MN)、200A交流空气开关(QF1、QF2)、315A直流空气开关(QF3)及相应的电路连接等组成。空气开关QF1、QF2连接来自不同变电站交流电源的进线电源，其输出端通过25A交流空气开关(1Q～NQ)分别与多个并联的整流模块(M1～MN)交流输入端连接，整流模块(M1～MN)的直流正、负输出端通过直流空气开关(QF3)分别对应与直流控制母线正极(+KM)和负极(－)相连接。
馈电电路：由直流控制母线(KM)和各输出支路组成，所有经常性直流负载通过各自回路的32A小型或微型直流空气开关(Q1～QN)与其对应连接，实现对经常性直流负载供电及支路保护。Q1～QN按照直流供电负载的容量和数量配置。
铁锂电池组(B)：由铁锂电池组(B)通过熔断器R1连接到直流动力母线HM，铁锂电池组和直流动力母线HM之间还设置有一个分流器FL，分流器FL的输出端连接到监控器。其中熔断器(R1)在直流动力母线(HM)等外部短路时保护铁锂电池组(B)、直流空气开关(QF0)和充电整流模块(M0)。
多级降压硅链装置：使用五级降压硅链装置，包括降压硅链组(D)和控制端(J)。如图3所示，由五组硅链串联且每一组硅链两端并联一个旁路直流接触器(K1～K5)构成，每一组硅链降压7V，五级降压硅链装置最大降压35V。
基于CAN总线监测系统：包括监控器(JKQ)、电池管理系统(BMS)、绝缘检测仪(JYJC)。监控器(JKQ)通过通讯总线与工作整流模块(M1～MN)、充电整流模块(M0)、多级降压硅链装置、电池管理系统(BMS)以及绝缘检测仪(JYJC)连接，进行各模块的控制、监测、均衡等。电池管理系统(BMS)由电池采集电路、电池均衡电路、保护与控制电路等组成，连接到铁锂电池组(B)。监控器(JKQ)和电池管理系统(BMS)控制多级降压硅链装置的工作状态，使铁锂电池组(B)在强制均衡充电和补充充电外，不进行长期在线浮充充电，同时降压硅链(D)的单向导通性和多级电压调整，保证电池组(B)能在交流电源中断时不间断的为直流控制母线提供电压适合的电源。绝缘检测仪(JYJC)分别采集直流动力母线(HM)正、负极电压并通过各直流输出支路的绝缘检测传感器(CT1～CTN)进行母线绝缘监测和确定绝缘降低的支路(选线)。
非浮充锂电型站用直流电源系统的工作方式与使用方法，按以下步骤进行：
a)、将各组成部分进行组柜，分别为整流柜、馈电柜和电池柜。单元柜之间通过电缆、铜排、测量和通讯线连接并组屏在一起使用。
b)、使用时，由交流输入端接AC380V电源，通过200A交流空气开关(QF1或QF2)合闸送入高频开关整流模块(M1～MN)，工作整流模块(M1～MN)输出直流到315A直流空气开关(QF3)进线端，直流空气开关(QF3)输出端通过电缆接至直流控制母线的正极(+KM)和负极(－)，并为保护和控制及通信(即各支路经常性直流负载)提供合格的直流工作电源。正常工作时监控器(JKQ)及电池管理系统(BMS)采集直流电压、电流和电池状况，并对工作整流模块(M1～MN)和铁锂电池组(B)进行日常测量、监控和维护管理。绝缘检测仪(JYJC)采集直流电压和各支路(CT1～CTN)数据进行系统绝缘状况监测，并可在绝缘降低时发出报警并送至监控器(JKQ)。铁锂电池组(B)完成充电后，五级降压硅链装置在交流电源正常时，五级降压硅链装置的控制板使直流接触器(K1～K5)全部触点打开，五级降压硅链装置处于截止状态，铁锂电池组(B)处于非浮充的热备用状态，随时可以为负荷供电。
c)、当达到下列条件之一时：①铁锂电池组(B)为直流负荷供电(可由分流器FL电流方向判断)后或②电池管理系统(BMS)监测到铁锂电池组(B)达到补充充电条件时，监控器(JKQ)向充电整流模块(M0)发出充电工作命令，充电整流模块(M0)按设定的充电参数及程序完成对铁锂电池组(B)的充电。
本系统的主要功能与技术指标：
主要功能：提供一种非浮充锂电型站用直流电源系统，旨在利用降压硅链装置实现非在线浮充电运行方式，避免铁锂电池组长期浮充电造成的容量衰退和寿命降低。本系统整流模块可带电热插拔，具备完善的交、直流保护功能和间歇式充电方式，在满足变电站保护、控制、事故照明等事故用电需要的前提下，延长了设备使用寿命周期，提高了设备性价比。
非浮充锂电型站用直流电源系统技术指标：
系统容量：200Ah；
交流输入电压：380V；
交流输入电流：200A；
直流输出电流：250A；
充电电压：242V-252V；
充电电流：20A-50A(0.1C10-0.25C10)
电压稳定度：0.5％；
纹波系数：0.5％
电流稳定度：1％；
模块均流不平衡度：3％
电池电压巡检精度：0.2％；
绝缘监测支路数：32路～768路；
电池数量：70只/组；
监测管理：基于CAN总线的BMS；
铁锂电池额定电压：3.2V/单体；
铁锂电池充电电压：3.6V/单体(20℃)；
铁锂电池放电终止电压：2.55V/单体；
铁锂电池自放电量：静置28天<3％(20℃)；
铁锂电池循环寿命：1500次。
主要装置与设备的参数：
磷酸亚铁锂电池：型号FP3291152，哈尔滨光宇集团；
高频开关整流模块：型号HD22020-3，艾默生电源公司；
监控器(内置BMS)：型号BMJ-FPC，哈尔滨光宇电源公司；
绝缘监测装置：型号JYM-2，艾默生电源公司；
交流空开：型号GM100M，北京人民电器厂；
直流空开：型号GM400或GM100，北京人民电器厂；
降压硅链：型号DT-2B/300A/35V，大连旅顺和力电源设备厂；
分流器(FL)：200A/75mV，0.5级。
Claims (6)
1.一种非浮充锂电型站用直流电源系统，包括整流装置、馈电电路、铁锂电池组，其中馈电电路包括直流控制母线KM，所述整流装置的直流输出端连接到所述直流控制母线KM，其特征在于，
还包括电池充电电路、直流动力母线HM、多级降压硅链装置和监控器；
所述电池充电电路由交流空气开关Q0、充电整流模块M0和直流空气开关QF0构成；交流空气开关Q0一端连接到交流进线电源，另一端连接到充电整流模块M0的输入端；直流空气开关QF0一端连接到充电整流模块M0的输出端，另一端连接到直流动力母线HM；充电整流模块M0的控制端连接到所述监控器；所述多级降压硅链装置由多组硅链串联且每一组硅链两端并联一个旁路直流接触器构成；多级降压硅链装置的输入端连接到直流动力母线HM，多级降压硅链装置的输出端连接到直流控制母线KM，多级降压硅链装置的控制端连接到所述监控器；
所述铁锂电池组通过熔断器R1连接到直流动力母线HM；
所述监控器还分别连接到所述整流装置和所述铁锂电池组；
所述整流装置的直流输出正常时，多级降压硅链装置的所有旁路直流接触器在监控器的控制下打开，使串联的多组硅链处于截至状态；所述整流装置的直流输出中断时，监控器据铁锂电池组的实际端电压，控制多级降压硅链装置的旁路直流接触器的触点开、闭实现分级调压，以保证直流控制母线KM的电压处于合理的范围。
2.如权利要求1所述的非浮充锂电型站用直流电源系统，其特征在于，还包括绝缘检测装置，所述绝缘检测装置有多个检测端和一个输出端，其中一个检测端连接到直流动力母线HM，输出端连接到所述监控器。
3.如权利要求2所述的非浮充锂电型站用直流电源系统，其特征在于，所述馈电电路还包括j条直流输出支路，j＝1、2、……n，其中n为大于或等于1的整数；每条所述直流输出支路通过直流空气开关Qj连接到直流控制母线KM，每条所述直流输出支路上设置有一个绝缘检测传感器CTj，每个绝缘检测传感器CTj连接到所述绝缘检测装置的检测端。
4.如权利要求1所述的非浮充锂电型站用直流电源系统，其特征在于，所述铁锂电池组和直流动力母线HM之间还设置有一个分流器FL，分流器FL的输出端连接到所述监控器。
5.如权利要求1或2或3或4所述的非浮充锂电型站用直流电源系统，其特征在于，所述整流装置包括k个交流空气开关Qk、k个工作整流模块Mk，k＝1、2、3……n和直流空气开关QF3，其中n为大于或等于1的整数；每个所述交流空气开关Qk的一端均连接到交流进线电源，另一端连接到工作整流模块Mk的输入端；所有工作整流模块Mk的输出端并联连接到直流空气开关QF3的一端，直流空气开关QF3的另一端为所述整流装置的直流输出端；每个所述工作整流模块Mk均连接到所述监控器。
6.如权利要求2或3所述的非浮充锂电型站用直流电源系统，其特征在于，所述绝缘检测装置为绝缘检测仪，型号为JYM-2。
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