王曉東，石一峰，闞建飛

(1.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004;2.南京工程學(xué)院 計算機工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

變電站直流系統(tǒng)目前大多采用鉛酸蓄電池組作為備用電源，這類電池除一致性較差、對溫度敏感和維護工作量較多等缺點外，其對環(huán)境的影響也成為不可忽略的因素。與此相比，磷酸鐵鋰電池具有能積比高、壽命長、維護簡單等特點。綜合考慮購置、基建、運行維護和廢棄處理等成本之后，在變電站直流系統(tǒng)中采用磷酸鐵鋰電池具有明顯的優(yōu)勢［1］。

磷酸鐵鋰電池目前較多的應(yīng)用是作為電動汽車的動力電源，而作為變電站直流系統(tǒng)備用電源的應(yīng)用案例不多。在變電站應(yīng)用中，鋰電池作為備用電源的工作模式，同作為動力電源時有一定差異。作為備用電源時，充分利用電池的荷電能力并非首要目標，電池組在交流失電時能可靠工作才是關(guān)鍵。

變電站交流失電時，要保證磷酸鐵鋰蓄電池組供電時間符合規(guī)定，必須相對精確地估算電池組的荷電率SOC(State of Charge)。蓄電池組的SOC描述了其儲存的電量，其相對值RSOC用公式表達為

1 SOC與直流系統(tǒng)工作狀態(tài)

SOC還是決定直流系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的重要因素。

使用鉛酸蓄電池組的變電站直流系統(tǒng)，蓄電池組并聯(lián)在直流母線上。在交流正常的備用狀態(tài)下，電池組大部分時間均處于浮充電狀態(tài)，浮充電流用來補充電池自放電的損耗。在交流失電時，電池自動轉(zhuǎn)入放電狀態(tài)，以保證變電站直流系統(tǒng)供電的連續(xù)性［2］。

這種直流系統(tǒng)的接線方式和蓄電池的工作方式簡單可靠，但卻不適合采用磷酸鐵鋰電池的變電站直流系統(tǒng)。鋰電池組不宜長期工作于浮充電方式之下［3］，應(yīng)在其充電完成之后，轉(zhuǎn)為停止充電的備用狀態(tài)。圖1是采用磷酸鐵鋰電池組的變電站直流系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖。

圖1 直流系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

按照圖1所示，處于備用狀態(tài)的電池由于存在自放電，經(jīng)過一段時間后SOC自然下降，當SOC下降到設(shè)定值時，系統(tǒng)應(yīng)當及時補充充電。當充電接近飽和、SOC上升到一定數(shù)值時，改為脈沖充電并根據(jù)電池組中電池單體的特性差異執(zhí)行充電均衡。當電池組的SOC達到100%時停止充電，防止過充電損毀蓄電池組。

在交流失電時，電池組進入放電狀態(tài)，由磷酸鐵鋰蓄電池組為變電站提供直流電源。系統(tǒng)在線估算當前SOC值，并在SOC下降到30%時發(fā)出提醒信號，在15%時發(fā)出警告信號，表明電池所儲存的電能即將耗光。

2 磷酸鐵鋰電池的SOC估算

測量蓄電池SOC最直觀的方法就是對電池進行實際的放電試驗，這種方法需要將電池離線且耗時很長。先后有研究者提出不同的在線估測蓄電池SOC的方法，如:開路電壓法、內(nèi)阻法、安時計量法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［4］，每種方法都有自己的適用范圍和局限，多數(shù)文獻的研究對象是作為動力電源的蓄電池組，典型的應(yīng)用環(huán)境是電動汽車。這種應(yīng)用環(huán)境下的電池組經(jīng)常獲得充分放電的機會，可以利用每次的充放電循環(huán)，修正對電池 SOC估算的誤差［5］。

采用磷酸鐵鋰蓄電池之后，由于其穩(wěn)定性較原先使用的鉛酸蓄電池好，定時充、放電維護的頻率大大降低，蓄電池組長期處于備用狀態(tài)，實際放電的機會極少，其電池容量估算更加不易。

一方面，電池組的SOC決定了變電站直流系統(tǒng)的工作狀態(tài);另一方面，在不同的工作狀態(tài)下，對SOC的估算應(yīng)使用不同的方法。文獻中所提到的SOC估算方法，大都沒有考慮在實際工程應(yīng)用環(huán)境下電池組的工作方式會有所不同。

鑒于此，作者提出一種在不同條件下、應(yīng)用不同方式估算電池的SOC值，并依據(jù) SOC值決定直流系統(tǒng)運行狀態(tài)的方法。

2.1 充電階段

為了提供220 V的直流電源，選用由68個磷酸鐵鋰電池單體組成的電池組，每個電池單體的標稱電壓為3.20 V。正常情況下，使用0.3倍的1小時率放電電流對電池組進行恒流充電。充電過程中監(jiān)視每個電池單體的電壓，當有3個電池單體的電壓大于或等于3.65 V時，啟動均衡電阻，并且轉(zhuǎn)為脈沖充電方式;當有5個電池單體的電壓大于或等于3.65 V時，充電停止。

這種處理方式看似簡單，但是符合變電站應(yīng)用環(huán)境的實用要求。在充電階段，對運行維護人員最有價值的信息是當前的SOC值與距離充滿電量所需要的剩余時間。使用如下公式計算

式中:RSOC0為充電開始時的初始SOC值;Qn為電池的額定容量;ηc為充電效率系數(shù);I為充電電流;t為充電時間。

實際應(yīng)用中充電截止的條件是基于電池電壓的，當充電停止時，此刻的SOC值標定為100%，作為后續(xù)其他階段SOC計算的初始值。

2.2 備用階段

電池一旦充電結(jié)束，系統(tǒng)會自動將電池置于備用狀態(tài)。根據(jù)電池廠家所提供的電池存儲特性，RSOC可以按下如下公式計算

式中:Q0和Q1分別為電池存放特性中的電池初始容量和首次放電容量;T為存放測試周期;t為備用狀態(tài)的持續(xù)時間。

2.3 放電階段

單純采用安時積分法估算SOC的公式如下

式中:ηd為放電效率系數(shù)。

一般認為，在電動汽車應(yīng)用環(huán)境下蓄電池放電電流波動大，安時積分法的估算精度不高。但是變電站的直流負荷相對穩(wěn)定，只有在一次系統(tǒng)進行合閘操作時才會產(chǎn)生短時間的較大負荷。如果電流測量精度較高，則可以取得較好的估算效果。

另一方面，電動汽車應(yīng)用環(huán)境下，允許電池電壓有較大的波動幅度，而變電站動力負荷的最低直流電壓不允許低于額定電壓的87.5%，這意味著當電池的放電電壓低于此數(shù)值時，在實際應(yīng)用意義上的SOC值即減少到零。

對于68個單體電池組成的系統(tǒng)來說，每個電池單體的端電壓降到2.83 V即視為放電終止，而電池生產(chǎn)廠家所認定的磷酸鐵鋰電池放電終止電壓為2.00 V，這一點在進行SOC值估算時必須考慮。

電池放電的終止條件是基于電池放電電壓的，當電池組的放電電壓達到放電截止電壓，造成直流母線電壓達到下限時，就應(yīng)該將SOC的值報告為零，工作人員所獲知的SOC值才符合實際應(yīng)用中的意義。采用以下公式將基于電壓的估算方法與基于安時積分法所得數(shù)值相互結(jié)合，作為系統(tǒng)的SOC值。

式中:RSOCS為綜合2種測量方式之后系統(tǒng)報告的SOC值;Raht和Rv分別為使用安時積分法與端電壓方法所測得的SOC值;k為放電過程中從1變到0的系數(shù);V為放電過程中蓄電池組的端電壓;Vb和Ve分別為放電開始時蓄電池組的端電壓和到達放電截止點時的電池端電壓。對于一個電池單體來說，這2個值分別為3.65 V和2.83 V，對于68個電池單體構(gòu)成的電池組來說，這2個值分別為248.00 V 和192.50 V。

3 電池均衡措施

變電站直流系統(tǒng)的額定電壓一般為110 V或220V。就220V直流系統(tǒng)而言，需要將68個標稱電壓為3.20 V的電池單體串聯(lián)，才能提供符合要求的電壓。由于磷酸鐵鋰電池本身固有的分散性，導(dǎo)致蓄電池組的每個電池的特性并非完全一致，當電池組采用串聯(lián)方式充電時，總會有個別電池較其他電池更早被充滿。

常見的電池均衡技術(shù)分為能量耗散型與非耗散型［6］。耗散型是在較早充滿的電池單體兩端并聯(lián)一個電阻，以消耗額外的能量;非耗散型是借助電容或電感儲能元件，將能量從電量較多電池單體轉(zhuǎn)移到能量較少的電池單體［7－8］。

使用并聯(lián)電阻的手段進行電池均衡的缺點是能量損失與發(fā)熱，優(yōu)點是電路簡單、可靠性高。在變電站應(yīng)用環(huán)境下，磷酸鐵鋰電池的充放電循環(huán)周期較長，循環(huán)次數(shù)一般較少，能量損失不顯著，相對于電動汽車的應(yīng)用環(huán)境，充電時間充裕，有條件選用較高阻值的耗散電阻，以控制發(fā)熱。并聯(lián)電阻均衡電路的簡單性，有利于保證整個變電站直流系統(tǒng)的高可靠性。因此，在變電站直流系統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組中采用并聯(lián)電阻均衡技術(shù)是可行的。圖2是并聯(lián)電阻式電池均衡電路示意圖。

圖2 并聯(lián)電阻式電池均衡電路

通過試驗可知，磷酸鐵鋰電池組恒流充電時，電池單體的電壓升至約3.45 V之后，開始呈現(xiàn)一定的分散性［3］。在充電過程中，監(jiān)測每個電池單體的端電壓，將充電時端電壓超過3.45 V的電池作為統(tǒng)計目標，計算這些電池單體端電壓的平均值，超過平均值較多的電池單體所對應(yīng)的耗散電阻開關(guān)閉合，進入均衡程序。

4 結(jié)束語

在變電站直流系統(tǒng)中，使用新型的磷酸鐵鋰電池替代目前普遍使用的鉛酸電池，在技術(shù)和環(huán)境方面擁有明顯的優(yōu)勢。當蓄電池組發(fā)生改變之后，直流系統(tǒng)的工作方式也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。在不同的工作方式下，選用不同的方法估算蓄電池組的荷電率，對于正確反映備用電池的當前狀態(tài)以及決定電池組的工作方式非常重要。

磷酸鐵鋰蓄電池的壽命較長，循環(huán)次數(shù)遠超鉛酸電池，本文所給出的SOC估算方法和均衡措施對電池特性的長期影響，還需要更長周期的觀察。

［1］王洪，張廣輝，邢靜原，等.磷酸鐵鋰蓄電池在變電站應(yīng)用研究與實踐［J］.電源技術(shù)，2011，35(8):902 －905.

［2］白忠敏，於崇干，劉百震，等.現(xiàn)代電力工程直流系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［3］武雪峰，王振波.LiFePO4/C電池循環(huán)性能和安全性能的研究［J］.電池工業(yè)，2010，15(3):156 －159.

［4］張金靈.電動汽車智能電池系統(tǒng)的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［5］朱晨.備用電力系統(tǒng)中VRLA電池SOC及SOH的在線估計方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［6］徐偉.磷酸鐵鋰動力電池充電方法研究和均衡充電模塊的設(shè)計［D］.重慶:重慶大學(xué)，2010.

［7］李娜，白愷，陳豪，等.磷酸鐵鋰電池均衡技術(shù)綜述［J］.華北電力技術(shù)，2012(2):60－65.

［8］胡銀全，劉和平，劉平，等.磷酸鐵鋰電池組的均衡充電研究與應(yīng)用分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2012，35(4):7－12.