CN114884168A - 基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统 - Google Patents

基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统 Download PDF

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Abstract

基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，包括供电直流母线KM+、KM‑，供电直流母线KM+、KM‑上连接有直流充电屏CHC、磷酸铁锂蓄电池屏BAT及直流馈电屏DISC，直流充电屏CHC和直流馈电屏DISC放置在直流负荷室内，磷酸铁锂蓄电池屏BAT放置在蓄电池室，直流负荷室和蓄电池室之间设有隔墙。该系统可以实现磷酸铁锂蓄电池组的和直流系统负载之间的电气隔离和空间地理隔离，保障负载的安全运行，同时通过使用充放电控制管理开关BMS1和BMS2及其控制器，可以对蓄电池充放电进行智能控制，且本系统直流母线拥有三级供电保障，在每级供电模式下又具有多重保障，能够提高直流系统的稳定性，且在蓄电池组进行维修的情况下系统也是完整包含直流供电及蓄电池供电部分。

Description

基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统
技术领域
本发明涉及变电站直流系统技术领域，具体涉及一种基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统。
背景技术
磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次磷酸铁锂电池，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1-1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，理论寿命将达到7-8年。综合考虑，性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上。
由于以上特性，磷酸铁锂电池在新能源动力电池中得到了广泛应用，也将其成本优势充分发挥。但在变电站直流系统中，蓄电池部分由于技术传承原因，一直使用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池自放电率较高，自放电电流1mA/ Ah，只有通过长期浮充电保证满容量。磷酸铁锂电池自放电率较低，基本不需要补充自放电容量，若长期浮充电会导致锂电池过充电，增加其危险性，因此其不能在直流系统中直接用磷酸铁锂蓄电池进行替换，且磷酸铁锂蓄电池与变电站的直流系统匹配的安全性也需要进行长期的试验研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，能提供稳定、可靠、安全的包含磷酸铁锂蓄电池的直流系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，包括供电直流母线KM+、KM-，供电直流母线KM+、KM-上连接有直流充电屏CHC、磷酸铁锂蓄电池屏BAT及直流馈电屏DISC， 直流充电屏CHC和直流馈电屏DISC放置在直流负荷室内，磷酸铁锂蓄电池屏BAT放置在蓄电池室，直流负荷室和蓄电池室之间设有隔墙，供电直流母线KM+、KM-穿过隔墙将两边的屏连接起来，直流充电屏CHC内设有整流模块ZHG向供电直流母线KM+、KM-提供直流电源，磷酸铁锂蓄电池屏BAT内设有充电电源模块CHG以及两套蓄电池装置BAT1和BAT2，蓄电池装置BAT1和BAT2内的两组蓄电池分别通过充放电控制管理开关BMS1和BMS2与充电电源模块CHG和供电直流母线KM+、KM-连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2对蓄电池组状态进行检测并控制蓄电池组的充放电，如某一蓄电池组发生热失控时，由对应充放电控制管理开关将其电气连接断开。
上述的充电电源模块CHG内设有并联的两组充电机CHG1和CHG2，充电机CHG1和CHG2输入端接交流进线电源，充电机CHG1和CHG2输出端通过充电连接开关NFB32和NFB33与充放电控制管理开关BMS1和BMS2连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2分别与两个蓄电池组连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2还通过供电开关QS1和QS2与供电直流母线KM+、KM-连接，充电连接开关NFB32和NFB33、供电开关QS1和QS2由充放电控制管理开关BMS1和BMS2的控制器进行控制，并实现充电机CHG1和CHG2向蓄电池组单向充电，蓄电池组向供电直流母线KM+、KM-的单向放电。
上述的充放电控制管理开关BMS1和BMS2内部结构相同，以充放电控制管理开关BMS1内部结构进行说明：充电连接开关NFB32下端连接充电接触器KM1一端，充电接触器KM1另一端与供电开关QS1连接，供电开关QS1两端分别与供电直流母线KM+、KM-及蓄电池组1或连接，充电接触器KM1接正极端沿电流方向出线端设有向蓄电池组1充电导通的二极管D1，供电开关QS1与充电接触器KM1连接的正极端设有向供电直流母线KM+、KM-供电导通的二极管D2，二极管D2下方设有蓄电池组开关QF1, 充电接触器KM1由充放电控制管理开关BMS1的控制器进行控制。
上述的充放电控制管理开关BMS1和BMS2内在充电接触器KM1出线端二极管D1的后端还设有放电接触器KM2，充放电控制管理开关BMS1和BMS2的两个放电接触器KM2出线端并联，放电接触器KM2下端设有放电插座，放电插座上端设有放电开关NFB35，放电接触器KM2正极一端出线端设有沿放电方向通路的二极管D5和D6。
上述的直流充电屏CHC内设有多个并联的整流模块ZHG1～ZHGN，整流模块ZHG1～ZHGN输入端与交流电源连接，交流电源设有两路进线，整流模块ZHG1～ZHGN输出端通过输入开关QS3向供电直流母线KM+、KM-供电。
上述的输入开关QS3上并联有备用输入开关QS4，备用输入开关QS4用于在直流充电屏CHC的直流电源失效的情况下提供备用的直流电源端口。
上述的直流负荷室内还设有不间断供电电源UPS，不间断供电电源UPS分为两组，都与供电直流母线KM+、KM-连接，用于在直流充电屏CHC和磷酸铁锂蓄电池屏BAT都失效的情况下为直流馈电屏DISC提供电源。
本发明提供的一种基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，该系统可以实现磷酸铁锂蓄电池组的和直流系统负载之间的电气隔离和空间地理隔离，保障负载的安全运行，同时通过使用充放电控制管理开关BMS1和BMS2及其控制器，可以对蓄电池充放电进行智能控制，且本系统直流母线拥有三级供电保障，在每级供电模式下又具有多重保障，能够提高直流系统的稳定性，且在蓄电池组进行维修的情况下系统也是完整包含直流供电及蓄电池供电部分。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的直流系统电路原理图；
图2为直流充电屏CHC的电路结构示意图；
图3为磷酸铁锂蓄电池屏BAT的电路结构示意图；
图4为蓄电池装置的电路结构示意图；
图5为不间断供电电源UPS的连接示意图；
图6为本发明直流系统的平面布局示意图一；
图7为本发明直流系统的平面布局示意图二。
图中：直流负荷室1、蓄电池室2、隔墙3。
具体实施方式
如图1-7中所示，基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，包括供电直流母线KM+、KM-，供电直流母线KM+、KM-上连接有直流充电屏CHC、磷酸铁锂蓄电池屏BAT及直流馈电屏DISC， 直流充电屏CHC和直流馈电屏DISC放置在直流负荷室1内，磷酸铁锂蓄电池屏BAT放置在蓄电池室2，直流负荷室1和蓄电池室2之间设有隔墙3，供电直流母线KM+、KM-穿过隔墙3将两边的屏连接起来，直流充电屏CHC内设有整流模块ZHG向供电直流母线KM+、KM-提供直流电源，磷酸铁锂蓄电池屏BAT内设有充电电源模块CHG以及两套蓄电池装置BAT1和BAT2，蓄电池装置BAT1和BAT2内的两组蓄电池分别通过充放电控制管理开关BMS1和BMS2与充电电源模块CHG和供电直流母线KM+、KM-连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2对蓄电池组状态进行检测并控制蓄电池组的充放电，如某一蓄电池组发生热失控时，由对应充放电控制管理开关将其电气连接断开。
变电站的直流负载通过直流馈电屏DISC进行连接，并由供电直流母线KM+、KM-进行供电，将磷酸铁锂蓄电池屏BAT与直流负载部分分别放在两个房间并通过隔墙3在空间上隔开，可以防止磷酸铁锂电池热失控对负载造成影响，在两个房间内都设置消防系统，可以提高直流系统的安全性；
在铅酸蓄电池直流系统内，蓄电池组由直流充电屏CHC进行充电，且直流充电屏CHC还充当为直流母线提供电源的功能，在本系统的磷酸铁锂蓄电池组中，为了实现空间地理上的隔离，磷酸铁锂蓄电池屏BAT内设置了单独为蓄电池充电的充电电源模块CHG，且通过充放电控制管理开关BMS1和BMS2可以实现充电电源模块CHG向供电直流母线KM+、KM-的单向供电，这样供电直流母线KM+、KM-由三段供电保护，一级为直流充电屏CHC提供的直流电源，第二级为充电电源模块CHG提供的直流电源，第三级为蓄电池组提供的电源，在其中一种或者两种出现故障无法供电时，仍然可以保证直流系统的正常运行，提高了系统的稳定性；
通过在蓄电池装置BAT1和BAT2内设置充放电控制管理开关BMS1和BMS2对两组蓄电池的电压、电流及温度等状态参数进行检测，以控制蓄电池组的充放电，防止蓄电池组持续浮充或者边充边放，影响电池性能；
当铅酸蓄电池需要维修时，必须脱网维修，当仅一组电池时，导致电池不可用，当电网断电时，负载会失电，在本方案中，通过使用充放电控制管理开关BMS1和BMS2将两组蓄电池装置BAT1和BAT2并联，在其中一组蓄电池维修时，脱离直流组网时，另外一组蓄电池可以照常工作，提高了系统的稳定性。
如图3中所示，上述的充电电源模块CHG内设有并联的两组充电机CHG1和CHG2，充电机CHG1和CHG2输入端接交流进线电源，充电机CHG1和CHG2输出端通过充电连接开关NFB32和NFB33与充放电控制管理开关BMS1和BMS2连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2分别与两个蓄电池组连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2还通过供电开关QS1和QS2与供电直流母线KM+、KM-连接，充电连接开关NFB32和NFB33、供电开关QS1和QS2由充放电控制管理开关BMS1和BMS2的控制器进行控制，并实现充电机CHG1和CHG2向蓄电池组单向充电，蓄电池组向供电直流母线KM+、KM-的单向放电。
通过控制供电开关QS1和QS2的通断，可以控制对应蓄电池装置BAT1和BAT2向供电直流母线KM+、KM-断开的单向放电，当检测到蓄电池装置BAT1和BAT2中某一蓄电池组出现热失控时，供电开关QS1和QS2、充电连接开关NFB32和NFB33中对应的开关断开，可以断开对应蓄电池组与直流母线KM+、KM-和充电电源模块CHG的连接，实现电气隔离。
如图4中所示，上述的充放电控制管理开关BMS1和BMS2内部结构相同，以充放电控制管理开关BMS1内部结构进行说明：充电连接开关NFB32下端连接充电接触器KM1一端，充电接触器KM1另一端与供电开关QS1连接，供电开关QS1两端分别与供电直流母线KM+、KM-及蓄电池组1或连接，充电接触器KM1接正极端沿电流方向出线端设有向蓄电池组1充电导通的二极管D1，供电开关QS1与充电接触器KM1连接的正极端设有向供电直流母线KM+、KM-供电导通的二极管D2，二极管D2下方设有蓄电池组开关QF1, 充电接触器KM1由充放电控制管理开关BMS1的控制器进行控制。
以蓄电池装置BAT1的使用进行举例：直流系统正常工作时蓄电池组开关QF1为合闸状态，充放电控制管理开关BMS1对蓄电池组1的电压、电流及温度等状态参数进行监测，当蓄电池组1电压低需要进行充电时，先断开供电开关QS1，再控制充电连接开关NFB32合闸，然后接通充电接触器KM1，直流电流沿着充电电源模块CHG经过充电连接开关NFB32、充电接触器KM1、二极管D1和蓄电池组开关QF1向蓄电池组1供电；
当直流系统的控制器检测到供电直流母线KM+、KM-亏电或者断电，需要蓄电池进行供电时，先由和充放电控制管理开关BMS1和BMS2的控制器的通讯检测哪组蓄电池满足，当蓄电池组1满足时，先断开充电连接开关NFB32，然后控制充电接触器KM1断开，避免边充边放，再接通供电开关QS1，蓄电池组1经由蓄电池组开关QF1、二极管D2及供电开关QS1向供电直流母线KM+、KM-进行供电；
当蓄电池组需要进行检修时，先将对应电池组放电后再将对应的蓄电池组开关QF1或QF2打开，此时系统仍可由另外一个蓄电池组进行供电保持直流系统功能的完整性。
如图4中所示，上述的充放电控制管理开关BMS1和BMS2内在充电接触器KM1出线端二极管D1的后端还设有放电接触器KM2，充放电控制管理开关BMS1和BMS2的两个放电接触器KM2出线端并联，放电接触器KM2下端设有放电插座，放电插座上端设有放电开关NFB35，放电接触器KM2正极一端出线端设有沿放电方向通路的二极管D5和D6。
如图2中所示，上述的直流充电屏CHC内设有多个并联的整流模块ZHG1～ZHGN，整流模块ZHG1～ZHGN输入端与交流电源连接，交流电源设有两路进线，整流模块ZHG1～ZHGN输出端通过输入开关QS3向供电直流母线KM+、KM-供电。
如图2中所示，上述的输入开关QS3上并联有备用输入开关QS4，备用输入开关QS4用于在直流充电屏CHC的直流电源失效的情况下提供备用的直流电源端口。
直流充电屏CHC的两路交流电源提供了可靠的交流输入保障，多路整流模块ZHG1～ZHGN为直流馈电屏DISC的馈电负载提供了足够的电源容量，且分为多个整流模块可以提供足够的容错量，两组蓄电池组按照设计负载容量进行选型。
如图5中所示，上述的直流负荷室1内还设有不间断供电电源UPS，不间断供电电源UPS分为两组，都与供电直流母线KM+、KM-连接，用于在直流充电屏CHC和磷酸铁锂蓄电池屏BAT都失效的情况下为直流馈电屏DISC提供电源。

Claims (7)

1.基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于：包括供电直流母线KM+、KM-，供电直流母线KM+、KM-上连接有直流充电屏CHC、磷酸铁锂蓄电池屏BAT及直流馈电屏DISC，直流充电屏CHC和直流馈电屏DISC放置在直流负荷室（1）内，磷酸铁锂蓄电池屏BAT放置在蓄电池室（2），直流负荷室（1）和蓄电池室（2）之间设有隔墙（3），供电直流母线KM+、KM-穿过隔墙（3）将两边的屏连接起来，直流充电屏CHC内设有整流模块ZHG向供电直流母线KM+、KM-提供直流电源，磷酸铁锂蓄电池屏BAT内设有充电电源模块CHG以及两套蓄电池装置BAT1和BAT2，蓄电池装置BAT1和BAT2内的两组蓄电池分别通过充放电控制管理开关BMS1和BMS2与充电电源模块CHG和供电直流母线KM+、KM-连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2对蓄电池组状态进行检测并控制蓄电池组的充放电，如某一蓄电池组发生热失控时，由对应充放电控制管理开关将其电气连接断开。
2.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于，所述的充电电源模块CHG内设有并联的两组充电机CHG1和CHG2，充电机CHG1和CHG2输入端接交流进线电源，充电机CHG1和CHG2输出端通过充电连接开关NFB32和NFB33与充放电控制管理开关BMS1和BMS2连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2分别与两个蓄电池组连接，充放电控制管理开关BMS1和BMS2还通过供电开关QS1和QS2与供电直流母线KM+、KM-连接，充电连接开关NFB32和NFB33、供电开关QS1和QS2由充放电控制管理开关BMS1和BMS2的控制器进行控制，并实现充电机CHG1和CHG2向蓄电池组单向充电，蓄电池组向供电直流母线KM+、KM-的单向放电。
3.根据权利要求2所述的基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于，所述的充放电控制管理开关BMS1和BMS2内部结构相同，以充放电控制管理开关BMS1内部结构进行说明：充电连接开关NFB32下端连接充电接触器KM1一端，充电接触器KM1另一端与供电开关QS1连接，供电开关QS1两端分别与供电直流母线KM+、KM-及蓄电池组1或连接，充电接触器KM1接正极端沿电流方向出线端设有向蓄电池组1充电导通的二极管D1，供电开关QS1与充电接触器KM1连接的正极端设有向供电直流母线KM+、KM-供电导通的二极管D2，二极管D2下方设有蓄电池组开关QF1, 充电接触器KM1由充放电控制管理开关BMS1的控制器进行控制。
4.根据权利要求3所述的基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于，所述的充放电控制管理开关BMS1和BMS2内在充电接触器KM1出线端二极管D1的后端还设有放电接触器KM2，充放电控制管理开关BMS1和BMS2的两个放电接触器KM2出线端并联，放电接触器KM2下端设有放电插座，放电插座上端设有放电开关NFB35，放电接触器KM2正极一端出线端设有沿放电方向通路的二极管D5和D6。
5.根据权利要求4所述的基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于，所述的直流充电屏CHC内设有多个并联的整流模块ZHG1～ZHGN，整流模块ZHG1～ZHGN输入端与交流电源连接，交流电源设有两路进线，整流模块ZHG1～ZHGN输出端通过输入开关QS3向供电直流母线KM+、KM-供电。
6.根据权利要求5所述的基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于，所述的输入开关QS3上并联有备用输入开关QS4，备用输入开关QS4用于在直流充电屏CHC的直流电源失效的情况下提供备用的直流电源端口。
7.根据权利要求5所述的基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流系统，其特征在于，所述的直流负荷室（1）内还设有不间断供电电源UPS，不间断供电电源UPS分为两组，都与供电直流母线KM+、KM-连接，用于在直流充电屏CHC和磷酸铁锂蓄电池屏BAT都失效的情况下为直流馈电屏DISC提供电源。
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