CN103354366A

CN103354366A - 浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池在电力工程直流系统中的应用

Info

Publication number: CN103354366A
Application number: CN 201310035492
Authority: CN
Inventors: 孙茗; 於崇干; 刘百震; 盛和乐; 杨忠亮; 侯耀华; 王东; 蒋新华; 陈萍; 贾江涛
Original assignee: SHANGHAI KAIHUA POWER SUPPLY COMPLETE SET EQUIPMENT CO Ltd; Shanghai Aerospace Power Technology Co Ltd; North China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group Corp
Current assignee: SHANGHAI KAIHUA POWER SUPPLY COMPLETE SET EQUIPMENT CO Ltd; Shanghai Aerospace Power Technology Co Ltd; North China Power Engineering Co Ltd of China Power Engineering Consulting Group; North China Power Engineering Beijing Co Ltd; North China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group Corp
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2013-10-16

Abstract

本发明涉及浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池，尤其是将该电池用于电力工程直流系统中，可作为发电厂、变电站的备用电源。磷酸铁锂电池的直流系统接线除蓄电池本体内部采用自主均流外，在每个蓄电池二端并联了蓄电池保护装置；用于110KV及以下变电站，磷酸铁锂蓄电池组容量宜不超过200Ah。本发明解决了蓄电池在长期浮充电运行的安全隐患。

Description

浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池在电力工程直流系统中的应用

技术领域

本发明涉及浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池，尤其是将该电池用于电力工程直流系统中，可作为发电厂、变电站的备用电源。

背景技术

随着国家智能电网推进，环保、节能减排先进技术应用.发展新型高效节能、先进环保、资源循环利用的设备成为首选。磷酸铁锂蓄电池作为变电站直流电源系统蓄电池具有长远意义。

由于现有磷酸铁锂电池设计原型适宜用于充放电运行，如电动汽车、蓄能变电站等系统。虽然目前在电力工程小型变电站中也有所应用，但是作为发电厂、变电站长期浮充电运行的备用电源，既缺乏应有理论依据和试验数据也存在安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是通过可行性研究进行理论分析和提出对磷酸铁锂电池的试验内容、用试验数据来验证和编制设计实用数据、明确双重化保护要求、提出可靠设计方案、消除安全隐患，提出一种浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池在电力工程直流系统中应用的技术方案。确保磷酸铁锂电池能成为发电厂、变电站长期浮充电运行可靠的备用电源。

本发明在解决蓄电池在长期浮充电运行的安全隐患的措施和方法的目的同时，进一步对适用于浮充电运行方式有关充放电曲线和基本技术数据进行分析，确定蓄电池的正常运行各种参数的选择；编制蓄电池容量计算数据表，选择蓄电池容量；以及确定既符合长期浮充电运行的备用电源要求，又满足电池安全的直流系统系统接线和配置相关保护装置、监控装置等设备。

如下做进一步论述：

1.消除长期浮充电运行的安全隐患的措施和方法。

为防止因长期浮充电方式运行，造成个别电池电压偏高而发生事故，现在采用的方法是：采用国外引进蓄电池管理系统（BMS）对电压偏高电池进行平衡保护，同时断开充电回路，以保证电池的安全。

对电力工程直流系统备用电源来说，断开系统浮充电回路方法，存在影响系统安全隐患。另外，考虑到万一BMS拒动，电池发生事故的隐患仍存在。所以，本发明采用了双重保护方式：即增加了电池本体自主均衡保护和外部均衡保护装置（BPD）结合的方式， BPD是吸收BMS中有关电池均衡保护原理和国内电池监控装置结合的一种电池均衡保护装置。同时，对充电装置、电池检测、信号报警、与上位机通讯作出改进。

2.对电池进行适用于浮充电运行方式的试验。

磷酸铁锂电池目前国内外尚无完整的，适宜用于浮充电方式运行的试验数据和曲线，所以在应用中盲目性很大，连最基本的蓄电池容量计算都不知怎么计算。我们通过下列试验，来得出适用于浮充电运行方式的数据。

1放电特性（包括单体和模块放电方式）；

2浮充电状态端电压偏差；

3均衡充电；

4温度与浮充电压关系；

5温度与容量关系；

6蓄电池直流内阻测试（一次电压法、二次电压法）；

7新旧电池放电电压对比；

8容量换算系数测试；

9浮充电运行寿命测试（包括常温和高温充电方式）；

3.根据上述试验数据确定下述基本参数。

1 确定工程选用的浮充电电压、电流、110V、220V蓄电池组蓄电池个数；

2 确定蓄电池放电终止电压；

3 提出蓄电池品质的判据；

4 确定均充、浮充电转换模式和时间；

5 确定蓄电池对环境温度要求，是设计的一个重要数据；

6 计算蓄电池出口短路电流；

7 将初始内阻和运行后内阻比较进行蓄电池状态判别；

8 为半容量核对性放电提供试验依据；

9 是选择蓄电池容量的基础数据；

10 是充放电运行方式能否转化为浮充电运行方式重要判据。

4.编制容量换算系数表。

容量换算系数表是蓄电池容量计算最基本数据。

5.磷酸铁锂电池的直流系统接线。

目前常用的接线方案有以下二种：

5.1常用的接线方案图,如图1所示。

充放电采用同口方式，主回路上串联接触器与熔断器组成系统保护电路，在系统出现短路、过充、过放时对系统进行保护。该图的主要理念是保护蓄电池组本体，当蓄电池组过充电或过放电时由BMS将主回路断开，这个理念对蓄能变电站可能是适用的，对发电厂和电网变电站是不允许的。

5.2另一常用的接线方案图，如图2所示。

在主回路上串并联接触器和逆止二极管组成，定期或蓄电池组充电电压过高时断开充电回路，放电回路通过逆止二极管导通保证了放电回路的连续性。这个方案存在二个问题，一是蓄电池组的荷电状态可能不足，二是接触器和逆止二极管外部故障电流的冲击而可能扩大故障，影响直流系统安全。

本发明提出的的直流系统接线图，如图3和图4所示。

图中，图3目前适用于110KV及以下变电站，磷酸铁锂蓄电池组容量宜不超过200Ah。

图中，图4目前适用于500KV及以下变电站或300MW机组及以下，110V控制专用蓄电池组，磷酸铁锂蓄电池组容量宜不超过400Ah。

随着微型直流断路器的开断电流不断提高，可逐步扩大适用范围。

经分析，在接线形式上沿用规程规定的典型接线，蓄电池组采用长期浮充电方式运行。为保证蓄电池组运行安全，除蓄电池本体内部采用自主均流外，在每个蓄电池二端并联了不同于BMS的蓄电池保护装置（BPD），通过现场总线连接到直流系统监控装置，取代BMS的相关功能。

6. 蓄电池组组成方式、基本参数。

6.1 蓄电池组的组成方式

1 蓄电池组由若干小容量单体电池并联后再串联组成。

2 考虑到蓄电池本体安全，用于电力工程的单体电池容量目前宜不超过100Ah。

3 根据初步试验数据，磷酸铁锂电池的内阻比阀控密封铅酸蓄电池小很多，短路电流大好几倍，国内外产品的一些微型直流断路器的开断电流难以满足要求。所以，每组蓄电池的容量要进行控制，特别是220V直流系统的接线方式要予以适应，如采用母线分段接线方式。

6.2 蓄电池的基本参数

根据初步试验数据，一些主要基本数据如下：

1. 单体电池开路电压3.3～3.35V、浮充电电压取3.40V、均衡（补充）充电电压

3.50V～3.56V、充电截止电压3.60V。

2. 220V系统蓄电池组串联个数为68个，110V系统蓄电池组串联个数为34个。

3． 10小时放电率放电终止电压2.50V。（根据放点曲线确定的拐点电压）

4. 110V或220V系统蓄电池组单体电池的放电终止电压： 80% U_n 2.59V、 82.5% U_n 2.67V、 85% U_n 2.75V、 87.5%U_n 2.83V、 90% U_n 2.91V。

5. 确定蓄电池长期浮充电运行环境温度范围为5℃—30℃。

6. 根据试验数据，浮充比寿命可达10年及以上。

7. 研制适用于磷酸铁锂电池设备。

1 国外引进的BMS功能与国内现有的直流系统监控装置的功能重复不少，且BMS控制逻辑不适用于电力工程作为长期浮充电运行的直流系统。所以取消BMS，开发均衡保护装置（BPD）和改进监控装置，利于提高自动化信息水平和减少资源浪费。

2 研制BPD装置，对电池实施双重化均衡保护功能。对每一单体电池的电压和温度进行监测，时刻了解电池的属性；通过电池均衡充电方法，最大限度地发挥磷酸铁锂电池的效用，延长电池使用寿命。

3 改进原有监控装置和蓄电池巡检装置，实现数据采集、充放电控制、信号报警、信息通讯等功能。改进后直流微机监控装置，具有“遥信、遥测、遥调、遥控、遥视功能。可实现集中监控（本地/远程、监测显示、自动诊断、电源模块及电池管理）计量、监视、报警。监测控制母线电压、蓄电池浮充/浮充电压以及充电电压、负荷电流、浮充/浮充电流监视，以适应无人值班变电站要求。

技术效果：

1．适应国家智能电网推进，环保、节能减排先进技术应用。发展新型高效节能、先进环保、资源循环利用。

2．满足浮充式保护型的磷酸铁锂蓄电池，在电力工程中长期安全可靠运行要求。

3．总结经验、创造条件，编制电力工程浮充式保护型的磷酸铁锂蓄电池设计参考性文件。

4．提高磷酸铁锂电池生产厂家在电力工程中应用的准入门坎，完善磷酸铁锂电池有关试验、曲线和数据。

附图说明

图1是现有的接线方案图。

图2是现有的另一接线方案图。

图3是本发明提出的直流系统接线图。

图4是本发明提出的另一直流系统接线图。

图5是充电过程中电池电压随时间的变化图。

图6是充电过程中电池电流随时间的变化图。

图7是充电过程中电池容量随时间的变化图。

图8是1521#电池的倍率放电示意图。

图9是2441#电池的倍率放电示意图。

图10是1124#电池的高低温 1I₁₀放电示意图。

图11是1247#电池的高低温 1I₁₀放电示意图。

具体实施方式

如图3，图4所示的直流系统接线图，不仅与磷酸铁锂电池电池目前常用的接线图不同，而且与电力工程浮充电方式运行的接线也有所区别，反映在以下几个方面：

1 符合规程“蓄电池组正常应以浮充电方式运行”的规定，在正常运行状态不允许断开蓄电池组浮充电回路。

2 为消除磷酸铁锂电池在长期浮充电运行中存在的隐患，应用了电力系统中对重要电气设备保护原则的要求，除主保护(均衡保护)双重化外，还配备了必要的辅助保护和信号系统。这在直流电源的保护回路中是首次采用。

3 BPD装置不是简单的取代适用于循环充放电工况的国外引进BMS装置。而是吸收了BMS装置对保护电池功能部分需求，同时结合国内直流系统监控装置、蓄电池巡检装置等功能的保护装置，更适用于国内电力工程直流系统的需求。

4 按照修编后规程要求，对原有监控装置功能增加了自诊断和远程维护功能，以适应无人值班变电站的需要。

5 由于磷酸铁锂电池的内阻比阀控密封铅酸蓄电池内阻小得多，蓄电池组出口短路电流也大了很多。所以，系统接线要考虑到磷酸铁锂电池容量对系统影响，如将一组较大容量的蓄电池组分成二组，系统接线从单母线改为单母线分段。又如，需要研制与直流系统短路电流相适应的直流微型断路器，来断开系统的故障电流。

进一步的，通过如下实验对本发明进一步的阐述，但不限定本发明的保护范围：

1.充电方法

通过前期摸索实验，确定如下充电流程：采用新威测试柜对电池进行1I₁₀充电至3.50V(或3.56V)，再对电池进行3.50V(或3.56V)的恒压充电8.5h。

充电限制电压分别为3.50V和3.56V时，整个充电过程中电池电压随时间的变化如图5、电池电流随时间的变化如图6和电池电容随时间的变化如图7所示。可以看出充电限制电压为3.56V与3.50V相比，充电时间相差不大。

2.倍率放电

采用蓝奇测试柜进行倍率放电测试，考虑到测试柜精度问题，我们采用3#蓝奇测试柜进行I₁₀~9I₁₀倍率放电实验，用4#蓝奇测试柜进行10I₁₀、20I₁₀、50I₁₀的倍率放电实验。如图8和图9所示。将附图8和图9中放电倍率和放电容量、容量保持率做下表：

通过上述测试，可知电池倍率放电倍率较高，蓄电池内阻较小，这是一个优点。但是带来一个问题，是当直流系统中某一点短路时，短路电流较大，目前国内外品牌的直流微型断路器开断能力，难以承受，所以在直流系统接线中要适当限制蓄电池容量及其使用范围，以及开发新型直流断路器。

3.高低温 1I₁₀放电

高低温 1I₁₀放电如图10和图11所示,将图中温度，终止电压，电池容量做如下表：

通过实验，确定蓄电池适用运行环境温度。

4.浮充寿命

4.1常温浮充寿命

取4pcs电池在系统集成部新威测试柜做常温浮充寿命的实验。由于充电方法中的充电限制电压不能完全确定，故充电限制电压为3.50V和3.56V下的3.40V常温浮充实验各做2pcs。

根据《电力工程用磷酸铁锂电池性能测试大纲》，实验前对4pcs电池进行了容量确认：电池按4.1的方法充电后，静置1h，再以1I₁₀恒流放电至2.5V，放电容量不低于其额定容量。

常温浮充2个月前后测试电池电压、内阻及容量如下：

4.2高温浮充寿命

取4pcs电池在老安全实验室高温烘箱(40℃)里，采用新威测试柜做高温浮充寿命的实验，具体浮充方法见2.3实验方案。高温浮充2个月前后测试电池电压、内阻及容量如下：

通过上述实验，得出电池推荐浮充电运行寿命。

Claims

1.一种浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池在电力工程直流系统中的应用，其特征在于，磷酸铁锂电池的直流系统接线除蓄电池本体内部采用自主均流外，在每个蓄电池二端并联了蓄电池保护装置；适用于110KV及以下变电站，磷酸铁锂蓄电池组容量宜不超过200Ah。

2.一种浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池在电力工程直流系统中的应用，其特征在于，磷酸铁锂电池的直流系统接线除蓄电池本体内部采用自主均流外，在每个蓄电池二端并联了蓄电池保护装置；适用于500KV及以下变电站或300MW机组及以下，110V控制专用蓄电池组，磷酸铁锂蓄电池组容量不超过400Ah。

3.根据权利要求1或2所述的浮充式保护型磷酸铁锂蓄电池在电力工程直流系统中的应用，其特征在于，磷酸铁锂电池作为发电厂、变电站长期浮充电运行的备用电源。