CN112018862A - 变电站用充电电池、充电电源、二次系统、变电站及方法 - Google Patents

变电站用充电电池、充电电源、二次系统、变电站及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种变电站用充电电池、充电电源、二次系统、变电站及方法；所述变电站用充电电池，其特征在于，包括：N组锂离子电池簇，每组电池簇连接一个并机接触器；N为大于等于2的正整数；N个并机接触器通过同一放电二极管D0连接直流母线；所述放电二极管D0上并联有充电接触器S0。本发明中，电池系统多路并联互备，每路电池组串可自由脱出/并入，总容量保持不变；通过多级电池管理，实现电池组串的脱出/并入；脱出时便于完成核容操作；充分利用锂离子电池自放电率低的特性，执行间歇式充电策略。

Description

变电站用充电电池、充电电源、二次系统、变电站及方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种变电站用充电电池、充电电源、二次系统、变电站及方法。
背景技术
直流电源系统是变电站的重要组成部分，是继电保护控制装置、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等二次系统的供电电源，主要由蓄电池组和整流装置两部分组成，其典型结构图如图1所示。正常情况下，直流电源系统由站用交流电经整流装置提供，当突发交流失电时，站用直流电源系统转由蓄电池组供电，蓄电池组便成为唯一的直流电源。因此，蓄电池组被认为是变电站直流系统中核心部件之一，是变电站系统安全、稳定运行的重要保障。
铅酸蓄电池是目前发电厂、变电站直流电源系统的主流选择，占到总体装用量的99%以上。请参阅图2所示，该铅酸直流电源系统由一组蓄电池一组整流器组成，直流母线为单母线接线。正常运行时，充电装置经直流母线对蓄电池充电，同时提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为直流母线正常的输出电压。该系统方案通常选用2V 100Ah/200Ah等大容量阀控式铅酸蓄电池直接串联至直流母线上。
铅酸蓄电池事故隐患风险点多：蓄电池浮充状态下，监测蓄电池外观、环境温度、端电压无法直观判断蓄电池容量不足及其它内部质量问题，小电流放电等手段难以发现蓄电池极耳腐蚀、连接线虚接等隐患；单组蓄电池供电无冗余，当站用交流失电、大电流冲击、意外低压时，可能出现电池开路、短时间容量“跳水”崩溃现象，引发直流母线失压事故。
目前，采用锂离子电池替代铅酸电池成为一种试点替代方案；然而试点中采用的是以一种电池换成另一种电池的简单“等容量替换”方式，多以简化版的电动汽车动力电池系统或缩小版的储能电池系统直接套用于站用直流电源系统，其并没有真正解决上述主要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供变电站用充电电池、充电电源、二次系统、变电站及方法，以解决上述技术问题。本发明基于锂离子电池特性，从电气结构出发，对锂离子电池直流电源系统进行设计，通过替代传统铅酸电池直流电源系统，解决运行温度苛刻、日历寿命短、电池开路引发直流母线失压的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变电站用充电电池，包括：
N组锂离子电池簇，每组电池簇连接一个并机接触器；N为大于等于2的正整数；
N个并机接触器通过同一放电二极管D0连接直流母线；所述放电二极管D0上并联有充电接触器S0。
本发明进一步的改进在于：还包括：
核容器；所述核容器的交流端连接交流电源，直流端通过N个核容接触器连接对应的锂离子电池簇。
本发明进一步的改进在于：所述核容器为一个AC/DC双向逆变器。
本发明进一步的改进在于：每组锂离子电池簇各通过一个组串断路器连接对应的并机接触器。
本发明进一步的改进在于：每组锂离子电池簇各通过一个组串断路器连接对应的并机接触器；N个核容接触器一端连接核容器，另一端连接在对应的组串断路器和并机接触器之间。
本发明进一步的改进在于：还包括电池管理系统；
所述电池管理系统连接各并机接触器、各核容接触器和各组串断路器；
所述电池管理系统用于控制并机接触器在对应锂离子电池簇充电或者放电时接通，不工作时断开；
所述电池管理系统还用于控制核容接触器在对应锂离子电池簇核容时接通，核容完成后断开；
所述电池管理系统还用于控制组串断路器在对应锂离子电池簇充电、放电或核容时接通，不工作时断开。
本发明进一步的改进在于：还包括电池管理系统；所述电池管理系统连接各锂离子电池簇；用于监测各锂离子电池簇的实时温度、实时电压、实时电流和电池状态。
本发明进一步的改进在于：电池管理系统根据监测的各锂离子电池簇的实时温度、实时电压、实时电流和电池状态与对应预设的温度阈值、电压阈值、电流阈值以及状态阈值比较，实时温度、实时电压、实时电流和电池状态中某一项或者多项检测数据超过对应的预设阈值时，确定对应的锂离子电池簇为异常状态。
本发明进一步的改进在于：所述交流电源为380V交流电源；所述直流母线为48V、110V或220V直流母线。
一种充电电源，包括：
充电模块，输入端连接交流电源，输出端连接直流母线；用于向所述一种变电站用充电电池进行充电。
一种二次系统，其特征在于，包括所述的一种充电电源；所述充电模块和所述放电二极管D0连接同一直流母线。
本发明进一步的改进在于：所述直流母线上连接有若干充电电源和若干变电站用充电电池。
本发明进一步的改进在于：所述直流母线上连接有若干负荷。
一种变电站，包括所述的变电站用充电电池。
一种变电站用充电电池的充放电方法，包括以下步骤：
充电时，控制待充电的锂离子电池簇对应的充电接触器S0、并机接触器合闸与直流母线连接，直流母线对对应的锂离子电池簇进行间歇充电；电池充电到达截止条件后控制并机接触器分离，断开充电回路；
放电时，断开充电接触器S0，使放电锂离子电池簇对应的并机接触器合闸，放电锂离子电池簇通过放电二极管D0向直流母线供电。
一种变电站用充电电池的核容方法，包括以下步骤：
将一组锂离子电池簇对应的充电接触器S0、并机接触器断开；控制对应的核容接触器合闸，使锂离子电池簇转接到核容器，按照额定放电电流完全放电一次，计核容量。
本发明进一步的改进在于：容量计核完成后，通过核容器将电池充电至满电状态，并回主回路。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明基于锂离子电池特性，从电气结构出发，对锂离子电池直流电源系统进行设计，将充电电池设置为由多组锂离子电池簇组成；电池系统多路并联互备，每路电池组串可自由脱出/并入，总容量保持不变，解决原方案中单一电池组串开路引发直流母线失压的问题。
本发明中，各路电池分时脱出，可通过电池管理系统或人工完成完成核容操作，防止发生原变电站技术方案在核容状态下直流母线供电不足的情况。
本发明中，基于锂离子电池运行温度范围宽的特性，解决替代传统铅酸电池直流电源系统运行温度苛刻的问题；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，尽可能减少冗余电力电子元件的接入，保证系统可靠性；电池系统充放电回路分离，充分利用锂离子电池自放电率低的特性，执行间歇式充电策略，保证日历寿命。
本发明中，通过多级电池管理，实现电池组串的脱出/并入。各路电池分时脱出，可通过电池管理系统或人工完成完成核容操作；
本发明中，电池系统充放电回路分离，充分利用锂离子电池自放电率低的特性，执行间歇式充电策略。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有直流电源系统的典型结构图；
图2为铅酸直流电源系统的结构示意图；
图3为本发明一种二次系统的结构示意图；
图4为本发明一种变电站用充电电池简化结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
请参阅图3所示，本发明提供一种变电站用充电电池，包括充电接触器S0，放电二极管D0，并机接触器S1、S2、S3，核容接触器K1、K2、K3，组串断路器Q1、Q2、Q3，第一电池簇，第二电池簇和第三电池簇。
充电接触器S0的一端连接直流母线，另一端连接并机接触器S1、S2、S3的一端；放电二极管D0与充电接触器S0并联设置；并机接触器S1、S2、S3的另一端分别连接组串断路器Q1、Q2、Q3的一端，组串断路器Q1、Q2、Q3的另一端分别连接第一电池簇、第二电池簇和第三电池簇的正极。
核容器为一个AC/DC双向逆变器，其交流端连接380V交流输入；核容器的直流端通过核容接触器K1、K2、K3分别连接并机接触器S1、S2、S3的另一端。
第一电池簇、第二电池簇和第三电池簇均由多个磷酸铁锂电池箱串联而成。
其中：
S0：充电接触器，控制充电模块与电池系统的通断，联合放电二极管D0实现充放电回路分离；
D0：放电二极管，充电接触器S0断开时保证放电回路持续导通；
S1、S2、S3：并机接触器，控制单簇电池与直流母线的通断；
K1、K2、K3：核容接触器，控制单簇电池与核容器的通断；
Q1、Q2、Q3：组串断路器，控制单簇电池系统通断，同时满足系统过载、短路、急停状态下的保护需求。
实施例2
本实施例一种变电站用充电电池，在实施例1的基础上还包括电池管理系统；所述电池管理系统连接充电接触器S0、各并机接触器（S1、S2、S3）、各核容接触器（K1、K2、K3）、各组串断路器（Q1、Q2、Q3）和各电池簇。
用于控制充电接触器S0、各并机接触器（S1、S2、S3）、各核容接触器（K1、K2、K3）、各组串断路器（Q1、Q2、Q3）的分离/合闸。具体的，用于控制并机接触器在对应锂离子电池簇充电或者放电时接通，不工作时断开；用于控制核容接触器在对应锂离子电池簇核容时接通，核容完成后断开；用于控制组串断路器在对应锂离子电池簇充电、放电或核容时接通，不工作时断开。
电池管理系统连接各电池簇，用于监测各电池簇的实时温度、实时电压、实时电流和电池状态（荷电状态SOC、健康状态SOH）；电池管理系统根据监测的各电池簇的实时温度、实时电压、实时电流和电池状态（荷电状态SOC、健康状态SOH）与内部的预设的阈值比较，确定异常的电池簇，控制其对应的并机接触器、核容接触器、组串断路器分离，进行人工检修或者更换。
本发明采用锂离子电池，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，尽可能减少冗余电力电子元件的接入，保证系统可靠性；电池系统多路并联互备，每路电池组串可自由脱出/并入，总容量保持不变，解决原方案中单一电池组串开路引发直流母线失压的问题；通过多级电池管理，实现电池组串的脱出/并入。各路电池分时脱出，可通过电池管理系统或人工完成完成核容操作，防止发生原变电站技术方案在核容状态下直流母线供电不足的情况；电池系统充放电回路分离，充分利用锂离子电池自放电率低的特性，执行间歇式充电策略，保证日历寿命。
实施例3
本发明还提供一种充电电源；所述充电电源包括：
充电模块，输入端连接交流电源，输出端连接直流母线；用于向实施例1或实施例2所述一种变电站用充电电池进行充电。
实施例4
本发明还提供一种二次系统；所述二次系统包括实施例3所述的一种充电电源；所述充电模块和所述放电二极管D0连接同一直流母线。
所述直流母线上连接有若干充电电源和若干变电站用充电电池。
所述直流母线上连接有若干负荷。
实施例5
本发明还提供一种变电站；所述变电站包括实施例1或2所述的变电站用充电电池。
实施例6
请参阅图4所示，为本发明一种变电站用充电电池简化结构示意图，以此说明本发明提供一种变电站用充电电池的充放电方法，包括：
1）间歇充电：变电站用锂离子电池直流电源的充电方式可选择浮充充电或者间歇充电。
间歇充电模式下，对应电池簇的充电接触器S0、并机接触器、组串断路器合闸，充电模块对对应的电池簇进行间歇充电；电池充电到达截止条件后控制并机接触器、核容接触器、组串断路器分离，断开充电回路；相较于浮充充电可减小电池损伤，延长使用寿命。电网供电正常情况下，充电模块通过开关S0对并联电池簇充电，充电完成后S0断开，电池系统通过放电二极管D0提供直流母线不间断供电；当电池簇因自放电或紧急备电后电池电压达到设定的充电电压下限时，闭合S0重新对电池充电。
2）放电：如图4所示的并联电池系统放电回路有三个，一是在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；二是在电池间歇充电结束后电网停电时，通过放电二极管D0向直流母线放电，提供直流备电；三是通过核容开关Kx向核容器放电，实现定期自动核容。
实施例7
请参阅图4所示，为本发明一种变电站用充电电池简化结构示意图，以此说明本发明提供一种变电站用充电电池的核容方法，包括：
将其中一组电池簇对应的充电接触器S0、并机接触器断开，使其与主回路电路断开，控制对应的核容接触器和组串断路器合闸，使电池簇转接到核容器，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，通过核容器将电池充电至满电状态，并回主回路；然后断开第2组电池系统，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，每组电池单独检修，备电不间断。
定期核容不仅可以核定电池组的可用容量，还可检验多组电池的容量一致性。当电池组整体可用容量过低，或多组电池容量相差较大时，需要人工维护。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (17)

1.一种变电站用充电电池，其特征在于，包括：
N组锂离子电池簇，每组锂离子电池簇连接一个并机接触器；N为大于等于2的正整数；
N个并机接触器通过同一放电二极管D0连接直流母线；所述放电二极管D0上并联有充电接触器S0。
2.根据权利要求1所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，还包括：
核容器；所述核容器的交流端连接交流电源，直流端通过N个核容接触器连接对应的锂离子电池簇。
3.根据权利要求2所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，所述核容器为一个AC/DC双向逆变器。
4.根据权利要求1所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，每组锂离子电池簇各通过一个组串断路器连接对应的并机接触器。
5.根据权利要求2所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，每组锂离子电池簇各通过一个组串断路器连接对应的并机接触器；N个核容接触器一端连接核容器，另一端连接在对应的组串断路器和并机接触器之间。
6.根据权利要求5所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，还包括电池管理系统；
所述电池管理系统连接各并机接触器、各核容接触器和各组串断路器；
所述电池管理系统用于控制并机接触器在对应锂离子电池簇充电或者放电时接通，不工作时断开；
所述电池管理系统还用于控制核容接触器在对应锂离子电池簇核容时接通，核容完成后断开；
所述电池管理系统还用于控制组串断路器在对应锂离子电池簇充电、放电或核容时接通，不工作时断开。
7.根据权利要求1所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，还包括电池管理系统；所述电池管理系统连接各锂离子电池簇；用于监测各锂离子电池簇的实时温度、实时电压、实时电流和电池状态。
8.根据权利要求7所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，电池管理系统根据监测的各锂离子电池簇的实时温度、实时电压、实时电流和电池状态与对应预设的温度阈值、电压阈值、电流阈值以及状态阈值比较，实时温度、实时电压、实时电流和电池状态中某一项或者多项检测数据超过对应的预设阈值时，确定对应的锂离子电池簇为异常状态。
9.根据权利要求2所述的一种变电站用充电电池，其特征在于，所述交流电源为380V交流电源；所述直流母线为48V、110V或220V直流母线。
10.一种充电电源，其特征在于，包括：
充电模块，输入端连接交流电源，输出端连接直流母线；用于向权利要求1-9中任一项所述一种变电站用充电电池进行充电。
11.一种二次系统，其特征在于，包括权利要求10所述的一种充电电源；所述充电模块和所述放电二极管D0连接同一直流母线。
12.根据权利要求11所述的一种二次系统，其特征在于，所述直流母线上连接有若干充电电源和若干变电站用充电电池。
13.根据权利要求11所述的一种二次系统，其特征在于，所述直流母线上连接有若干负荷。
14.一种变电站，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的变电站用充电电池。
15.一种变电站用充电电池的充放电方法，其特征在于，基于权利要求1所述的变电站用充电电池，包括以下步骤：
充电时，控制待充电的锂离子电池簇对应的充电接触器S0、并机接触器合闸与直流母线连接，直流母线对对应的锂离子电池簇进行间歇充电；电池充电到达截止条件后控制并机接触器分离，断开充电回路；
放电时，断开充电接触器S0，使放电锂离子电池簇对应的并机接触器合闸，放电锂离子电池簇通过放电二极管D0向直流母线供电。
16.一种变电站用充电电池的核容方法，其特征在于，基于权利要求2所述的一种变电站用充电电池，包括以下步骤：
将一组锂离子电池簇对应的充电接触器S0、并机接触器断开；控制对应的核容接触器合闸，使锂离子电池簇转接到核容器，按照额定放电电流完全放电一次，计核容量。
17.根据权利要求16所述的一种变电站用充电电池的核容方法，其特征在于，容量计核完成后，通过核容器将电池充电至满电状态，并回主回路。
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