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站用磷酸铁锂直流操作电源的研究与应用

2025-03-15 19 上传者：管理员

摘要：为了解决磷酸铁锂电池在直流操作电源中长期浮充和运维工作量大的问题，提出一种适用于此系统的控制策略。首先，给出磷酸铁锂直流操作电源的主电路拓扑结构，阐述其运行工作原理；然后，提出间歇式充电控制策略，避免电池长期处于浮充状态，并引入有源并网放电技术的放电控制以降低电池运维工作量，通过串联二极管的温控风冷散热设计，实现了负荷的独立不间断供电；最后，根据系统运行工况的分析，给出系统电压和电流参数的运行变化曲线。研制了站用磷酸铁锂直流操作电源系统样机，实验结果表明，所提控制策略正确且有效，可为磷酸铁锂电池在变电站的应用及推广提供参考。

关键词：
有源并网放电技术
核容式放电
直流操作电源
磷酸铁锂电池
间歇式充电
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蓄电池作为备用电源,是站用直流操作电源系统的重要组成部分,是保证负荷不间断供电的最后一道防线[1]｡然而,阀控铅酸蓄电池含有对人体及环境有害的重金属且维护工作量大[2]｡随着绿色环保和节能减排的需求日益强烈,具有安全环保和可维护性等特点的磷酸铁锂电池[3⁃4]开始得到应用｡

有研究以单体电池串并联形成电池组,然后通过串联方式组成满足站用母线电压需求的磷酸铁锂电池簇,然而客观存在不能过充过放和一致性差等不足,同时长期的浮充电运行工况会使得电池材料表现出不稳定性,其结构会发生改变或破坏,从而导致电池浮充失效及性能衰减,甚至会带来安全隐患,进而引发一系列安全问题[5⁃6]｡文献[1]提出变电站磷酸铁锂直流系统的间断式充电控制策略,通过调整间断式浮充电的时间占比来给电池充电｡文献[7]提出了浮充保护型磷酸铁锂电池,可以直接代替铅酸蓄电池应用到站用直流操作电源中,然而该电池的成本相对较高｡文献[8]将磷酸铁锂电池在110kV变电站浮充使用,提出需要增加对单体电池进行均衡的电池管理系统｡文献[9]提出了基于磷酸铁锂电池的非浮充式变电站直流电源系统,通过电池管理实现磷酸铁锂电池不离线和非浮充的充电控制及保护｡

本文中针对磷酸铁锂电池在站用直流操作电源的应用,结合恒流充电､恒压充电和间歇式脉冲充电[10⁃13]的充电理念,首先阐述了磷酸铁锂电池的直流操作电源的构成和工作原理;接着提出了基于充放电控制阀的系统控制策略,利用间歇式充电解决了长期浮充带来的安全隐患,采用有源并网放电技术实现了节能环保,降低了核容运维工作量,同时能够实现负荷的不间断供电需求;最后研制了实验样机,实验结果验证了该方法的可行性和有效性,为磷酸铁锂电池在站用直流操作电源的应用及发展提供了一定的借鉴意义｡

1、系统工作原理

站用磷酸铁锂直流操作电源主要由充电装置､放电装置､绝缘监测装置､直流监控装置､充放电控制阀和磷酸铁锂电池簇等组成,如图1所示｡

图1站用磷酸铁锂直流操作电源的构成及连接原理图

正常情况下,站用交流电经交流配电单元,通过AC/DC变换器连接直流母线给负荷供电,电池处于自放电的备用供电状态｡

电池充电运行状态:交流电经充电装置和充电控制阀给磷酸铁锂电池簇进行充电,不影响直流母线给直流负荷的供电｡

电池放电运行状态:电池经充放电控制阀和放电装置连接交流电进行放电,不影响直流母线给直流负荷供电｡

电池供电运行状态:突然交流失电的情况下,电池经充放电控制阀连接直流母线,从而不间断地给直流负荷供电｡

2、系统控制策略

2.1间歇式充电控制

为了避免磷酸铁锂电池长期处于浮充工作模式,借鉴间歇脉冲充电[10⁃13]的控制思想,将间歇脉冲充电中的正脉冲和零脉冲由恒流充电的电流值更改为充电的控制信号,正脉冲和零脉冲的时间比更改为开通时间ton和关断时间toff｡

在开通时间内,对电池进行恒流充电⁃恒压充电的补充充电,由于磷酸铁锂电池具有可大电流充电的特性,可以在0.1C10~1.0C10的范围内充电,其开通时间为几分钟到半小时;在关断时间内,电池处于静置自放电状态,由于磷酸铁锂电池具有自放电率低的特性,其关断时间的单位为月或者年｡间歇式充电控制方法的原理如图2所示｡

2间歇控制充电控制方法原理图

电池充电电压被控制在最高允许电压范围内,防止电池长期过充和欠充的电池安全隐患｡电池电压低于单体电池设定值1(Vset1)·串联电池数量或者定期充电时间到达设定值,又或者电池组剩余容量(SOC)小于90%,同时调高AC/DC变换器和充电装置电压至单体电池设定值2(Vset2)·串联电池数量,调节充电装置输出电流限流值为设置值1(Iset1),最后控制充放电控制阀的充电接口导通,电池组开始充电｡当限流给定调节到零(Iset2)时,或者电池电压大于单体电池设定值2(Vset2)·串联电池数量,或者电池电流小于输出电流限流值1(Iset1),延时一定时间(例如15min);或者充电告警(充电高温或者充电低温)时延时一定时间(例如5s)｡接着,控制充放电控制阀的充电接口断开,同时调低AC/DC变换器和充电装置电压至单体电池设定值3(Vset3)·串联电池数量｡

2.2核容式放电控制

站用铅酸蓄电池正常情况下长期处于浮充状态,其高倍率放电是周期性的核对性放电试验,通常定期将耗散型电阻负载通过人工操作连接到直流操作电源系统的放电端子上,同时关掉交流电输入,让其以0.1C10电流恒流进行10h放电[1]｡而磷酸铁锂电池可以在0.1C10~1.0C10的范围内放电,大幅度缩短核对性放电的时间｡此外,有源并网放电装置可以代替耗散型电阻,将电池的能量转移到电网上,实现了节能减排且避免了人工大量操作｡

设置放电电流(Iset3)､放电终止单体电压(Vset4)和放电终止电池电压(Vset4·串联电池数量),当设置的定期核容放电时间到达,且能够满足电池放电的外部条件时,控制充放电控制阀的放电接口开通,经有源并网放电装置开始恒流放电操作｡当任何一个放电终止条件满足或者放电告警时,控制有源并网放电装置关机,且关断充放电控制阀的放电接口｡

2.3负荷不间断供电

为了实现交流失电情况下负荷供电不间断,充放电控制阀的供电接口内部与直流母线正极之间串联二极管,利用二极管的单向导通性避免直流母线对电池充电,根据所设计电池允许的最大放电电流,选择二极管的通态平均电流,同时考虑裕量和可靠性,采用二极管并联组成的模块｡为了实现二极管的可靠散热,配置散热器及强迫风冷的风机,由于此工况运行较少,以散热器温度超过设定值来启动风机,此外正常工况下风机不运行｡

2.4系统参数变化曲线

磷酸铁锂直流操作电源根据系统控制策略,可以分为充电工况､放电工况和供电工况三个运行工况,其中充电方式具有恒流充电､恒压充电和间歇充电,放电方式具有静置备用自放电和恒流核容放电,供电方式具有AC/DC负荷供电和交流失电不间断供电｡运行工况下的电压及电流参数变化曲线如图3所示,具体为t1~t5阶段的变化趋势[14]｡

图3系统控制过程电压和电流变化曲线

1)t1阶段为恒流充电

充电电流保持恒定,最大充电电流限制在允许值,充电电压低于最大充电允许值,且电池电压逐步升高,当电池端电压达到设定的电压值后结束此阶段｡充电电流越大则电压增长越快,能够加快充电速度进而缩短时间[15]｡

2)t2阶段为恒压充电

充电电压保持恒定,最大充电电压限制在允许值,充电电流低于最大充电允许值,且充电电流逐步减小,当电池充电电流下降到设定值或充电时间达到规定值后,结束此阶段｡该阶段能够实现电池容量的充满,避免电池处于虚满状态｡

3)t3阶段为静置备用

电池完成充电后,充放电回路均断开,进入静置备用状态,电池端电压和容量随着自放电或事故放电逐步降低,在电池电压或SOC达到设定值,结束此阶段｡

4)t4阶段为间歇充电

在电池电压或SOC降低到设定值时,电池充电回路接通,电池重新进入t1阶段和t2阶段,避免了电池处于长期浮充带来的安全隐患｡

5)t5阶段为恒流放电

在t1~t4的任何一个阶段,交流失电或者AC/DC变换器故障无输出时,电池无延时､不间断地对直流负荷供电,并根据负荷情况提供能量｡

3、试验

基于上述系统构成和控制策略研制了系统样机,其中:单体电池采用山东圣阳YJT40220413⁃150Ah型磷酸铁锂电池,共68只铁锂铝壳电芯,12个单体电池串联组成一个标准电池组,8个单体电池组成一个非标准电池组,最后由5个标准电池组和1个非标电池组形成磷酸铁锂电池簇｡AC/DC变换器3台,10A/220V并联;充电装置为4台10A/220V并联;放电装置1台,20A/220V;充放电控制阀1套｡同时测试仪器包括台式计算机､数字荧光示波器DP04034B｡

基于核容放电控制的电压和电流变化曲线如图4所示｡从图中可以看到,电流值保持不变,电压逐步降低,符合恒流放电阶段的参数变化曲线,表明了核容放电控制的理论分析的有效性｡

图4恒流放电曲线

充电过程中的电压和电流参数变化曲线如图5所示｡从图中可以看到,其波形的变化同恒流充电､恒压充电､静置备用和间歇充电的理论分析波形相似,表明了间歇式充电和系统参数变化曲线的有效性｡

图6为负荷不间断供电的波形图｡从图中可以看到,当交流失电的过程中,直流母线电压仍然存在,保证了负荷的不间断供电｡

图5充电曲线

图6负荷不间断供电波形

4、结论

本文提出了站用磷酸铁锂直流操作电源的系统控制策略,给出了系统的主电路拓扑并阐述了工作原理,利用间歇式充电解决了电池的长期浮充问题,引入有源并网放电技术降低了电池的运维工作量,采用二极管的温控风冷实现了负荷的独立不间断供电,给出了各运行工况下电压和电流的变化曲线,最后研制了实验样机｡实验结果表明了控制策略的有效性和正确性,为磷酸铁锂电池在变电站的应用及发展提供了一定的借鉴意义｡

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基金资助:2021年河南省高等学校重点科研项目计划立项项目:基于无线组网技术的花园智能生态管理系统的研究(22B520030);许昌职业技术学院“5G工程技术中心”科研平台; 2023年度河南省职业教育教育教学改革研究项目(省级重点)《新课标背景下高职《信息技术》课程改革与实践》(豫教(2024)05760);

文章来源:赵景,张伟刚.站用磷酸铁锂直流操作电源的研究与应用[J].现代电子技术,2025,48(06):68-72.