專利名稱：基于鐵鋰電池的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)變電站用直流電源的應(yīng)急系統(tǒng)，具體來說是一種基于磷 酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)，以在電網(wǎng)重大事故或重大自然災(zāi)害時， 滿足變電站對直流電源和檢查測試儀器用電源的需求，在正常情況下作為變電站蓄電池單 組配置時的臨時備用電池組，滿足對蓄電池組需要脫離直流母線進(jìn)行定期核對性放電的要 求。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)變電站用直流電源是輸變電設(shè)備的保護(hù)和控制及通信的工作電源，其 蓄電池組供變電站保護(hù)、控制、事故照明等事故用電。但在電網(wǎng)重大事故，特別是重大自然 災(zāi)害時，會造成蓄電池組無法正常工作，為使電網(wǎng)盡快恢復(fù)會采取臨時送電方案，這時要求 對輸變電設(shè)備進(jìn)行必要的檢測，同時這些設(shè)備的保護(hù)和控制及通信是需要直流電源為其提 供電源。另外DL/T724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》中， 對單組蓄電池的核對性放電要求不能退出運(yùn)行，為了進(jìn)行全容量的放電測試也需要有后備 電池組臨時替代，使其完成容量測試。該系統(tǒng)及方法已被本實(shí)用新型人運(yùn)用到對變電站單 組蓄電池的核對性放電測試和事故應(yīng)急預(yù)案演練中。國內(nèi)目前有質(zhì)子交換膜燃料電池的變電站應(yīng)急電源系統(tǒng)，但基于燃料電池的技術(shù) 成熟性、運(yùn)行維護(hù)等因素，在電力系統(tǒng)開展應(yīng)用存在難度。其他基本為UPS、EPS電源和照明 應(yīng)急電源，尚不能作為電力系統(tǒng)變電站的直流電源應(yīng)急系統(tǒng)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng) 急系統(tǒng)，旨在能用于電網(wǎng)重大事故，特別是重大自然災(zāi)害時的直流應(yīng)急電源以及正常時作 為單組蓄電池配置的核對性放電測試時的后備電源。本新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)，由以下便攜式分體 結(jié)構(gòu)單元組成，且便攜式分體結(jié)構(gòu)單元之間采用快速插接方式連接；鐵鋰電池組單元由磷酸亞鐵鋰離子電池組成；配電控制開關(guān)單元由160A空氣開關(guān)K3和25A空氣開關(guān)K4組成，空氣開關(guān)K3的 兩個進(jìn)端用作通過快速插拔電纜分別與鐵鋰電池組單元的正、負(fù)輸出端連接，空氣開關(guān)K4 的兩個進(jìn)端分別與空氣開關(guān)K3的兩個出端連接，空氣開關(guān)K3的兩個出端用作通過快速插 拔電纜輸出直流電；逆變器單元由逆變器組成，逆變器的兩個輸入端分別通過快速插拔電纜與配電 控制開關(guān)單元中空氣開關(guān)K4的兩個出端連接；逆變器的兩個輸出端用作通過快速插拔電 纜輸出220V交流電；充電控制單元由32A交流空氣開關(guān)K1、63A空氣開關(guān)K2、整流器以及內(nèi)置電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控器組成；交流空氣開關(guān)Kl的進(jìn)端用作通過快速插拔電纜輸入220V交流電，交 流空氣開關(guān)Kl的出端與整流器的輸入端連接，整流器的正、負(fù)輸出端分別與空氣開關(guān)K2的 兩個進(jìn)端連接，空氣開關(guān)K2的兩個出端用作通過快速插拔電纜分別與鐵鋰電池組單元的 正、負(fù)輸出端連接，監(jiān)控器一方面通過通訊線與整流器連接，另一方面以串口方式通過四芯 快速插拔通訊線與鐵鋰電池組單元連接；上述配 電控制開關(guān)單元中空氣開關(guān)K3的一個進(jìn)端上還串接有用作放電保護(hù)的直 流接觸器JZl ；上述充電控制單元中空氣開關(guān)K2的一個出端上還串接有用作充電保護(hù)的另 一直流接觸器JZ2。上述磷酸亞鐵鋰電池型號為FP3291152，整流器型號為HD22020-3，監(jiān)控器型號為 BMJ-FPC，逆變器型號為 TP630E-N-U。上述鐵鋰電池組單元、配電控制開關(guān)單元、逆變器單元以及充電控制單元均采用 插框式結(jié)構(gòu)，且鐵鋰電池組單元插框的頂部有凸銷以及底部有與該凸銷相適配的凹孔；還 具有供上述所有單元插框?qū)?yīng)插入安裝的電源箱。本實(shí)用新型基于鐵鋰電池的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)及使用方法，是以磷酸亞鐵 鋰離子電池組、基于CAN總線監(jiān)測系統(tǒng)、高頻開關(guān)電源整流充電模塊/逆變模塊及快速插接 電纜等組成，采用積木式的分體結(jié)構(gòu)，按充電逆變、電池組、配電控制形成插框結(jié)構(gòu)的便攜 式單元，應(yīng)急使用主要是電池組(電池插框)、配電控制單元(開關(guān)插框)及快速插接電纜，根 據(jù)功能需求實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速組裝。變電站直流電源系統(tǒng)被廣泛地用作電力工程中輸變電設(shè)備的保護(hù)、控制、通訊、事 故照明等事故用電，作為電力、通訊等領(lǐng)域的工作或后備電源，其重要性不言而喻。站用直 流電源的喪失會直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，特別是在電網(wǎng)重大事故或重大自然災(zāi)害 時，例如在512汶川特大地震發(fā)生后，部分輸變電尚可使用的情況下，由于原有蓄電池組被 損壞，無法提供保護(hù)控制需要的直流電源，造成不能在最短時間內(nèi)緊急恢復(fù)臨時送電，給搶 險救災(zāi)提供電力。此時深感變電站應(yīng)急直流電源的重要性，也是實(shí)用新型人提出該研制項(xiàng) 目的重要原因。另外，電力系統(tǒng)IlOkV及以下電壓等級的變電站，按照典型設(shè)計(jì)只配置了一 組蓄電池，而按照DL/T724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī) 定，蓄電池組不能脫離直流母線進(jìn)行全容量核對性放電測試。采用本系統(tǒng)在防止電池并聯(lián) 措施的保護(hù)下，接入變電站直流系統(tǒng)承擔(dān)起站用直流電源，使原蓄電池組安全地完成10小 時的核容測試。本方法針對搶修應(yīng)急的要求，實(shí)現(xiàn)了便捷運(yùn)輸、現(xiàn)場快速安裝，滿足了變電站及電 廠直流電源應(yīng)急的需求。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型克服采用鉛酸蓄電池及其他方式的體積 大、設(shè)備沉重、壽命短、充電時間過長，運(yùn)輸不方便、延誤搶修時間等問題，使其具有高集成 度、高智能化、壽命長、體積小、快速充電、高倍率放電、接線簡單明了等特點(diǎn)，最大限度地滿 足了電力系統(tǒng)事故搶險應(yīng)急要求，同時能滿足作為變電站直流電源設(shè)備現(xiàn)場維護(hù)時的備用 電源之用。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，便于運(yùn)輸，易于操作，能節(jié)約事故搶修時間和適用各種惡劣 條件下工作，系統(tǒng)性價比高，大規(guī)模應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)生較大的社會效益。
圖1是本新型應(yīng)急系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖2-1是本新型應(yīng)急系統(tǒng)單電池組接線圖。圖2-2是本新型應(yīng)急系統(tǒng)雙電池組接線圖。圖3-1和圖3-2分別是本新型的應(yīng)急系統(tǒng)的組合結(jié)構(gòu)(兩種電源箱)的外觀圖。圖4是本新型應(yīng)急系統(tǒng)的動力線連接圖(圖3-1所示電源箱的背面)。圖5是本新型應(yīng)急系統(tǒng)的通訊線連接圖(圖3-1所示電源箱的背面)。
具體實(shí)施方式
參見圖1，由以下便攜式分體結(jié)構(gòu)單元組成，且便攜式分體結(jié)構(gòu)單元之間采用快速 插接方式連接；鐵鋰電池組單元由磷酸亞鐵鋰離子電池組成；配電控制開關(guān)單元由160A空氣開關(guān)K3和25A空氣開關(guān)K4組成，空氣開關(guān)K3的 兩個進(jìn)端用作通過快速插拔電纜分別與鐵鋰電池組單元的正、負(fù)輸出端連接，空氣開關(guān)K4 的兩個進(jìn)端分別與空氣開關(guān)K3的兩個出端連接，空氣開關(guān)K3的兩個出端用作通過快速插 拔電纜輸出直流電；逆變器單元由逆變器組成，逆變器的兩個輸入端分別通過快速插拔電纜與配電 控制開關(guān)單元中空氣開關(guān)K4的兩個出端連接；逆變器的兩個輸出端用作通過快速插拔電 纜輸出220V交流電；充電控制單元由32A交流空氣開關(guān)K1、63A空氣開關(guān)K2、整流器以及內(nèi)置電池管 理系統(tǒng)的監(jiān)控器組成；交流空氣開關(guān)Kl的進(jìn)端用作通過快速插拔電纜輸入220V交流電，交 流空氣開關(guān)Kl的出端與整流器的輸入端連接，整流器的正、負(fù)輸出端分別與空氣開關(guān)K2的 兩個進(jìn)端連接，空氣開關(guān)K2的兩個出端用作通過快速插拔電纜分別與鐵鋰電池組單元的 正、負(fù)輸出端連接，監(jiān)控器一方面通過通訊線與整流器連接，另一方面以串口方式通過四芯 快速插拔通訊線與鐵鋰電池組單元連接；上述配電控制開關(guān)單元中空氣開關(guān)K3的一個進(jìn)端上還串接有用作放電保護(hù)的直 流接觸器JZl ；上述充電控制單元中空氣開關(guān)K2的一個出端上還串接有用作充電保護(hù)的另 一直流接觸器JZ2 (參見圖2-1，二極管D與直流接觸器并聯(lián))。鐵鋰電池組單元、配電控制開關(guān)單元、逆變器單元以及充電控制單元均采用插框 式結(jié)構(gòu)，且鐵鋰電池組單元插框的頂部有凸銷以及底部有與該凸銷相適配的凹孔；還具有 供上述所有單元插框?qū)?yīng)插入安裝的電源箱1。一種基于 磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)的工作方式與使用 方法按以下步驟進(jìn)行a)、將鐵鋰電池組單元、配電控制開關(guān)單元、逆變器單元以及充電控制單元分別制 作為插框，單元插框之間通過快速插拔電纜和快速插拔通訊線連接并組合在一起，進(jìn)行電 池組的日常維護(hù)和管理，一方面作后備直流電源組合在一起使用，另一方面作為應(yīng)急電源 而分開使用(圖3-1、圖3-2、圖4以及圖5中，電源箱1中有電池插框2，開關(guān)插框3，逆變器 插框4 ；整流箱5中有整流器插框6，監(jiān)控器插框7以及交流輸入與直流輸出接口 8)。b)、維護(hù)使用時，由交流輸入端接AC220V電源，通過32A空氣開關(guān)Kl合閘送入整流器，整流器輸出直流到63A直流空氣開關(guān)K2進(jìn)端，空氣開關(guān)K2出端通過快速插拔電纜至 各電池框電氣連接端，同時并聯(lián)輸出到160A直流空開進(jìn)線端。平時維護(hù)時合上160A直流 空開，完成電池組的充電和浮充電工作，此時監(jiān)控器采集直流電壓、電流和電池狀況，其內(nèi) 嵌的BMS (電池管理系統(tǒng)軟件)通過RS485對高頻開關(guān)模塊和電池組進(jìn)行日常測量、監(jiān)控和 維護(hù)管理。除磷酸亞鐵鋰離子電池自身正極材料橄欖石型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即使在強(qiáng)烈碰 撞也不燃燒、爆炸外，本系統(tǒng)在充電回路和放電回路都設(shè)置了軟、硬件保護(hù)，故在應(yīng)急使用 時特別安全。 c)、當(dāng)采用雙電池組(見圖2-2應(yīng)急系統(tǒng)雙電池組接線圖)時，僅多配置了一個電池 箱(包括電池框、配電控制單元框，逆變器為可選單元)，只需將此電池箱個單元按接線圖將 動力線和通訊線連接好，調(diào)整監(jiān)控器的相關(guān)參數(shù)(電池組數(shù)、充電電流、充電電壓等)即可進(jìn) 行兩組電池的日常測量、監(jiān)控和維護(hù)管理。使用時即可將兩組電池并聯(lián)使用，也可分開在不 同的變電站或場所使用。d)、作為直流應(yīng)急電源使用時，先關(guān)閉交流電源，撤除連接電纜，將電池組的電池 插框和配電控制插框抽出，放入專配鋁合金手提箱，以小體積便攜方式運(yùn)至變電站需要提 供直流電源的地方，就地插入電池箱架(也可疊放組裝)，并保證上面電池插框底凸銷放進(jìn) 下面電池插框頂?shù)陌伎?包括配電控制和逆變插框)，按色標(biāo)和編號對應(yīng)連接快速插接電 纜，完成全部組裝，將160A直流空開直流輸出按極性接入變電站直流饋電屏的動力母線 (合母)，檢查無誤后合上160A直流空開，供變電站站用直流負(fù)荷，直流電源應(yīng)急系統(tǒng)進(jìn)入工 作狀態(tài)。e)、當(dāng)作為現(xiàn)場檢測變電設(shè)備的儀器用應(yīng)急交流電源時，將整個系統(tǒng)安置于變電 站待檢測設(shè)備旁，檢測儀器的交流電源接至本系統(tǒng)逆變電源輸出，檢查無誤后，合上逆變器 25A直流空開，逆變器就可為測試用儀器提供交流電源。f)、作為配置單組蓄電池變電站放電核容時，將本系統(tǒng)整體安置在變電站直流電 源設(shè)備旁。接入交流電源，啟動應(yīng)急系統(tǒng)運(yùn)行，根據(jù)具體變電站要求設(shè)置好運(yùn)行參數(shù)，待運(yùn) 行正常且符合該站要求后，按極性通過變電站直流系統(tǒng)饋電屏連接到變電站直流母線上， 供站用直流負(fù)荷。然后將原變電站蓄電池組退出運(yùn)行，單獨(dú)進(jìn)行放電核容，即能滿足DL/ T724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》對單組電池配置變電站 的安全測試要求。g)、在現(xiàn)場有小功率燃油發(fā)電機(jī)時，可將小型燃油發(fā)電機(jī)接入本系統(tǒng)的交流輸入， 通過電池組的“過濾穩(wěn)壓”作用，為用電負(fù)荷提供合格的電源。應(yīng)急系統(tǒng)分為兩大部分組成充電裝置和電池組、控制的電池箱。充電裝置部分負(fù) 責(zé)應(yīng)急直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)、維護(hù)和管理。電池箱部分的電池組為應(yīng)急直流電源提供 者，逆變模塊主要為檢測儀器提供交流電源，配電控制單元起直流負(fù)荷控制和保護(hù)作用(見 附圖1)。充電裝置的監(jiān)控器采用液晶漢字顯示，內(nèi)嵌電池管理系統(tǒng)(BMS)，進(jìn)行電池組的數(shù) 據(jù)采集、充電控制及系統(tǒng)各個部分的參數(shù)設(shè)置，設(shè)有電池過欠壓和充電過流等告警功能。應(yīng)急電源系統(tǒng)的整流充電裝置采用雙模塊，配置20Ah電池組時為N + 1冗余備 份，充電模塊可以帶電熱插拔，具備充電保護(hù)功能和間歇式充電方式。充電模塊采用自主均 流技術(shù)，模塊間輸出電流最大不平衡度小于3% (見附圖2-1)。[0043]配置兩組電池時，采用一套充電裝置分別進(jìn)行充電控制與管理，電池組具有防止 并聯(lián)的措施。兩組電池可同時滿足兩個變電站的直流電源應(yīng)急使用(見附圖2-2)。 平時接入交流電源，充電裝置的監(jiān)控器采用CAN總線方式與電池管理系統(tǒng)(BMS) 通訊，實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的采集和判斷，控制高頻開關(guān)整流模塊對鐵鋰電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電和 浮充電，使電池組時刻處于滿容量的備用狀態(tài)。蓄電池組按0.5 1倍率(0.5 ICltl)進(jìn) 行充電，放電后電池容量恢復(fù)時間短，按ICltl充電1小時即可將電池充滿容量。所有單元按戶外工作方式設(shè)計(jì)，具備良好的密封性，帶電部分進(jìn)行絕緣保護(hù)，導(dǎo)電 體無任何暴露。連接電纜采用快速插拔接頭，實(shí)現(xiàn)快速連接與拆除。本應(yīng)急系統(tǒng)的主要功能與技術(shù)指標(biāo)主要功能采用高性能磷酸亞鐵鋰離子電池組與高頻開關(guān)模塊及逆變裝置的組合 方式，在電網(wǎng)重大事故或重大自然災(zāi)害時，滿足代替原變電站直流電源系統(tǒng)提供直流電源， 并解決投運(yùn)前對變電設(shè)備測試檢查用儀器的電源需求，在正常情況下作為變電站蓄電池單 組配置時的臨時備用電池組，滿足對蓄電池組需要脫離直流母線進(jìn)行定期核對性放電的要 求。變電站直流應(yīng)急系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)容量20_40Ah；交流輸入電壓220V或380V ； 交流輸入電流32-63A ；直流輸出電流32-63A ；逆變輸出功率2_3kVA逆變輸出電壓220V浮充電壓242_252V；充電電流10Α-40Α(0. 5_1C10)電池?cái)?shù)量70只/組；蓄電池組1-2組；監(jiān)測管理基于CAN總線的BMS ；系統(tǒng)保護(hù)交流輸入保護(hù)、直流輸出保護(hù)。 磷酸亞鐵鋰離子電池技術(shù)指標(biāo)額定電壓3.2V/單體；額定容量20-40Ah/單體；浮充電壓3.45-3. 6V/ 單體(20°C )；終止電壓2· 55V/單體；自放電量靜置28天<3% (20°C)；循環(huán)壽命1500次。主要裝置與設(shè)備的參數(shù)磷酸亞鐵鋰離子電池型號FP3291152，哈爾濱光宇集團(tuán)；高頻開關(guān)整流模塊型號HD22020-3，艾默生電源公司；監(jiān)控器(內(nèi)置BMS)型號BMJ-FPC，哈爾濱光宇電源公司；逆變器TP630E-N-U，哈爾濱光宇研究所；[0073]直流空開(K2、K3和K4) :5SJ5，西門子公司；直流接觸器G9EA_1(_B) 400V/200A ；保護(hù)用二極管(即圖 2-1 中 D) :MDK2-300A/600V ；分流器(圖2-1 中的 FL) :200A/75mV,0. 5 級。
權(quán)利要求1.一種基于磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)，其特征是由以下便 攜式分體結(jié)構(gòu)單元組成，且便攜式分體結(jié)構(gòu)單元之間采用快速插接方式連接；鐵鋰電池組單元由磷酸亞鐵鋰離子電池組成；配電控制開關(guān)單元由160A空氣開關(guān)K3和25A空氣開關(guān)K4組成，空氣開關(guān)K3的兩個 進(jìn)端用作通過快速插拔電纜分別與鐵鋰電池組單元的正、負(fù)輸出端連接，空氣開關(guān)K4的兩 個進(jìn)端分別與空氣開關(guān)K3的兩個出端連接，空氣開關(guān)K3的兩個出端用作通過快速插拔電 纜輸出直流電；逆變器單元由逆變器組成，逆變器的兩個輸入端分別通過快速插拔電纜與配電控制 開關(guān)單元中空氣開關(guān)K4的兩個出端連接；逆變器的兩個輸出端用作通過快速插拔電纜輸 出220V交流電；充電控制單元由32A交流空氣開關(guān)K1、63A空氣開關(guān)K2、整流器以及內(nèi)置電池管理系 統(tǒng)的監(jiān)控器組成；交流空氣開關(guān)Kl的進(jìn)端用作通過快速插拔電纜輸入220V交流電，交流空 氣開關(guān)Kl的出端與整流器的輸入端連接，整流器的正、負(fù)輸出端分別與空氣開關(guān)K2的兩個 進(jìn)端連接，空氣開關(guān)K2的兩個出端用作通過快速插拔電纜分別與鐵鋰電池組單元的正、負(fù) 輸出端連接，監(jiān)控器一方面通過通訊線與整流器連接，另一方面以串口方式通過四芯快速 插拔通訊線與鐵鋰電池組單元連接；上述配電控制開關(guān)單元中空氣開關(guān)K3的一個進(jìn)端上還串接有用作放電保護(hù)的直流接 觸器JZl ；上述充電控制單元中空氣開關(guān)K2的一個出端上還串接有用作充電保護(hù)的另一直 流接觸器JZ2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)，其 特征是所述磷酸亞鐵鋰電池型號為FP3291152，整流器型號為HD22020-3，監(jiān)控器型號為 BMJ-FPC，逆變器型號為 TP630E-N-U。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系 統(tǒng)，其特征是所述鐵鋰電池組單元、配電控制開關(guān)單元、逆變器單元以及充電控制單元均 采用插框式結(jié)構(gòu)，且鐵鋰電池組單元插框的頂部有凸銷以及底部有與該凸銷相適配的凹 孔；還具有供上述所有單元插框?qū)?yīng)插入安裝的電源箱(1)。
專利摘要一種基于磷酸亞鐵鋰離子電池組的變電站直流電源應(yīng)急系統(tǒng)，由便攜式分體結(jié)構(gòu)單元組成，且便攜式分體結(jié)構(gòu)單元之間采用快接插拔方式連接；便攜式分體結(jié)構(gòu)單元有鐵鋰電池組單元，由兩個空氣開關(guān)組成的配電控制開關(guān)單元，由逆變器組成的逆變器單元以及由交流空氣開關(guān)、一個空氣開關(guān)和整流器以及監(jiān)控器組成的充電控制單元。本實(shí)用新型具有單元結(jié)構(gòu)體積小、便于運(yùn)輸，便于現(xiàn)場組裝，極大限度地滿足了電力系統(tǒng)事故搶險應(yīng)急要求，同時能滿足作為變電站直流電源設(shè)備現(xiàn)場維護(hù)時的備用電源之用。
文檔編號H02J7/00GK201887528SQ20102062249
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者丁丹一, 曹永興, 李晶 申請人:四川電力試驗(yàn)研究院