廖強強，穆廣平，徐華，周國定，周肖平，李曉華，蔣大為

(1.上海電力能源轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心(上海電力學(xué)院)，上海市 200090；2. 國網(wǎng)上海市電力公司, 上海市 200080)

電動汽車電池用于電網(wǎng)低電壓線路的儲能調(diào)壓試驗

廖強強1，穆廣平2，徐華2，周國定1，周肖平2，李曉華1，蔣大為2

(1.上海電力能源轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心(上海電力學(xué)院)，上海市 200090；2. 國網(wǎng)上海市電力公司, 上海市 200080)

通過增加桿上變壓器數(shù)量來擴大電網(wǎng)容量，會大大增加電網(wǎng)線路的改造成本。為此，采用由國家電網(wǎng)公司提供的充、換電站電動汽車電池和自行研制的能量轉(zhuǎn)換裝置(power conversion system，PCS)組成的儲能系統(tǒng)，通過實驗室模擬對低電壓線路進行調(diào)壓試驗。試驗結(jié)果表明：隨著放電功率增大，可利用的電池容量減少；在放電功率為3 kW時，1個電池箱工作電壓為69～80 V，5個電池箱串聯(lián)可滿足PCS直流側(cè)電壓在324～438 V的要求；在低電壓時段通過電池儲能系統(tǒng)放電給供電線路，可以有效提升線路電壓。與增加桿上變壓器擴容方法相比，電池儲能調(diào)壓裝置具有安裝簡便、占地少、投資小、移動靈活、可重復(fù)利用等特點。

電動汽車電池；低電壓線路；儲能；調(diào)壓

0 引 言

電網(wǎng)線路低電壓現(xiàn)象是影響城市和農(nóng)村用電質(zhì)量的主要因素之一[1-2]。由于家用電器集中使用、線路設(shè)備陳舊老化、臨時租借房屋超負(fù)荷用電、居民或工業(yè)小區(qū)供電半徑過長等原因，致使短時段負(fù)荷增大，導(dǎo)致電壓跌落。線路低電壓問題將增大線損、降低送變電設(shè)備能力，造成空調(diào)、冰箱等電器不能正常運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時還將造成電壓崩潰和大面積停電。上海低電壓熱點地區(qū)具有季節(jié)性和時段性特點，而且隨著城市人口的流動頻繁，每年低電壓熱點地區(qū)會有變化。解決低電壓問題的常規(guī)辦法是通過增加桿上變壓器數(shù)量來擴大電網(wǎng)容量[3]，電網(wǎng)通過足夠的備用容量來應(yīng)對僅數(shù)天的短時峰值負(fù)荷，這種辦法大大增加了設(shè)備的投資、安裝和運行費用。采用電容器對低電壓線路進行無功補償是改善低電壓現(xiàn)象的有效手段[4]，然而，城市電網(wǎng)線路低電壓的主要原因是由于短時段負(fù)荷增大導(dǎo)致電壓跌落，通過加裝傳統(tǒng)的電容器也不能解決問題。而基于電壓源換流器(voltage source convertor，VSC)的新型無功補償裝置(static var generator，SVG)，其直流側(cè)是電容，存儲的能量非常有限，只能運行在2個象限內(nèi)，即發(fā)出無功功率和吸收無功功率，而不能與系統(tǒng)交換大量的有功功率。如果在直流側(cè)采用電池儲能系統(tǒng)，就可以發(fā)送和吸收有功功率，解決短時段負(fù)荷增大引起的電壓跌落問題。

隨著電池儲能技術(shù)[5-8]的發(fā)展，采用電池儲能系統(tǒng)解決包括低電壓現(xiàn)象在內(nèi)的電能質(zhì)量問題[9-13]是研究的熱點之一，文獻[14]采用Hawker能源公司的高級鉛酸電池研制的動態(tài)電壓恢復(fù)器有效解決了低電壓問題。由于鉛酸電池的能量密度小、功率密度低、充電時間長、循環(huán)壽命短、自放電率高，再加上容易造成環(huán)境污染，盡管成本較低，但已經(jīng)不是電池儲能技術(shù)的發(fā)展方向。而鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長、大電流放電能力強、高功率承受力、自放電率低等優(yōu)點，其比能量達到了鉛酸電池的3倍左右，鈷酸鋰和磷酸鐵鋰鋰離子電池的單體電池工作電壓分別為3.7、3.2 V，遠大于鉛酸電池單體電池電壓，鋰離子電池循環(huán)壽命在淺充放模式下可以達到3 000～5 000次，儲能效率可以達到90%以上。因此，鋰離子電池儲能系統(tǒng)成為居民或工業(yè)小區(qū)的理想選擇。

為了推動電動汽車的發(fā)展，國家電網(wǎng)公司在蘇滬杭高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)了電動汽車充換電站，儲備了大量的換電式電動汽車標(biāo)準(zhǔn)電池(磷酸鐵鋰電池)。由于電動汽車發(fā)展步伐的放緩，如何拓寬換電式車用鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域也是國有資產(chǎn)保值增值所要考慮的問題。本文采用由國家電網(wǎng)電動汽車換電式標(biāo)準(zhǔn)電池和自行研制的能量轉(zhuǎn)換裝置(power conversion system, PCS)組成儲能系統(tǒng)，通過實驗室模擬低電壓線路進行調(diào)壓試驗，重點關(guān)注換電式電動汽車標(biāo)準(zhǔn)電池的放電特性以及對低電壓線路的調(diào)壓效果。

1 實驗裝置

圖1為電池儲能系統(tǒng)拓?fù)鋱D。國家電網(wǎng)電動汽車換電式標(biāo)準(zhǔn)電池(電池箱)組由5個電池箱串聯(lián)組成，額定電壓為400 V，電池組容量為24 kW·h，每個電池箱含1個電池管理單元 (battery management unit, BMU)，電池組管理系統(tǒng)設(shè)1個觸摸監(jiān)控屏、4個電池狀態(tài)控制器(battery signal conditioning, BSC)、1個電池狀態(tài)主控制器(battery signal collection module, BSCM)以及主回路電氣控制元件，其中BSCM實現(xiàn)成組后電池箱的電流檢測以及高壓電氣控制。自行研制的PCS是一個雙向逆變裝置，可以實行直流儲能電池組與交流電網(wǎng)之間雙向能量傳遞，實現(xiàn)對電池組的充放電和網(wǎng)側(cè)電壓的控制。

圖1 電池儲能系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 儲能調(diào)壓試驗

2.1 負(fù)荷特性

本文以上海市某小區(qū)負(fù)荷為例，進行電池儲能調(diào)壓試驗。圖2為該小區(qū)某日配變側(cè)電壓-時間曲線，由圖2可知，在用電高峰時段B相電壓出現(xiàn)小于210 V的低電壓現(xiàn)象。

圖2 某小區(qū)配變側(cè)電壓-時間曲線

2.2 電池箱特性

試驗用PCS直流側(cè)的電壓為324～438 V，放電功率不超過20 kW。電池組由5個電池箱串聯(lián)組成，因此平均要求每個電池箱的電壓為64.8～87.6 V，放電功率不超過4 kW。圖3為某電池箱以3 kW功率放電時的電壓-容量曲線，額定放電容量為0～60 A·h時，電池箱電壓為69～80 V，達到使用要求。

圖3 電池箱以3 kW功率放電時的電壓-容量曲線

圖4為電池箱分別以1，2，3，4，5 kW功率放電時的電壓-時間曲線，如果以放電電壓不小于64.8 V為限，電池箱放電時間分別為290，145，93，57，42 min，則不同放電功率時電池容量分別為4.8，4.8，4.6，3.8，3.5 kW·h，即放電功率越大，可利用的電池容量越小。

圖4 電池箱以不同的功率放電時電壓-時間曲線

2.3 試驗結(jié)果

通過隔離變壓器和電器負(fù)載，人為地將線路電壓降下來，采用Fluke 435電能質(zhì)量測試儀測量A相、B相和C相的交流電壓和交流電流。儲能調(diào)壓試驗分為3種情況：(1)儲能設(shè)備不運行，無負(fù)載；(2)儲能設(shè)備不運行，但有負(fù)載；(3)有負(fù)載且儲能設(shè)備投入。表1為儲能調(diào)壓試驗測試數(shù)據(jù)。從表1可看出，接入負(fù)載以后A相、B相和C相的電壓分別從213.9，215.1，214.3 V下降到207.7，208.6，209.9 V；當(dāng)儲能設(shè)備投入運行后，A相、B相和C相的電壓分別從207.7，208.6，209.9 V提升到213.1，214，213.4 V，A相、B相和C相的補償電流分別為33，32，31 A，電池組放電電流為37.65 A，輸出功率約為15 kW，相當(dāng)于每個電池箱放電功率為3 kW。顯然，儲能設(shè)備投入運行可以有效地提升線路電壓。

表1 儲能調(diào)壓試驗前、后電壓和電流測試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)大城市居民或工業(yè)小區(qū)供電線路可能出現(xiàn)短時段的低電壓現(xiàn)象，在低電壓時段通過電池儲能系統(tǒng)放電給供電線路(用電低峰時段電網(wǎng)給儲能電池充電)，可以有效提升線路電壓。采用電池儲能系統(tǒng)是解決低電壓問題的一種有效方法。

(2)換電式車用電池除了用作電動汽車動力以外，還可以用于配網(wǎng)側(cè)小容量的電力儲能，拓寬了換電式電動汽車電池的應(yīng)用范圍。

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(編輯：蔣毅恒)

VoltageRegulationTestofEnergyStorageSystemforLow-VoltagePowerLinewithUsingElectricVehicleBattery

LIAO Qiangqiang1, MU Guangping2, XU Hua2,ZHOU Guoding1, ZHOU Xiaoping2, LI Xiaohua1, JIANG Dawei2

(1. Shanghai Engineering Research Center of Electric Power Transfer, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China;2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 200080, China)

The capacity of power grid can be enlarged by means of increasing pole transformers, which will greatly increase the improvement cost of the line in power network. With regards to this reason, the voltage regulation tests for low-voltage power line were carried out in the laboratory by means of the battery energy storage system consisting of electric vehicle battery in charge and replacement station provided by State Grid Corporation and self-made power conversion system (PCS). The results show that the available battery capacity decreases with the increase of discharge power. The operating voltage of one battery box is in the range of 69-80 V at the discharge power of about 3 kW, therefore, five battery boxes in series can meet the needs of voltage range of 324-438 V on PCS DC side. The voltage of power line can be effectively improved when the battery energy storage system affords power supply during low-voltage hours. Compared with the method of increasing pole transformers, the voltage regulation equipment containing battery energy storage has advantages of simple installation, small space requirement, small investment, flexible mobility and reusable.

electric vehicle battery; low-voltage power line; energy storage; voltage regulation

上海市科委項目(12692104500)；國家電網(wǎng)公司科技項目(515111107X, 52091113502K)；上海市教委科研創(chuàng)新項目(13YZ107)。

TM 761;U 469.722

： A

： 1000-7229(2014)05-0056-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.009

2013-11-14

：2014-01-16

廖強強(1971)，男，博士，教授，研究方向為電力儲能，E-mail : liaoqiangqiang@shiep.edu.cn；

穆廣平(1958)，男，大專，經(jīng)濟師，研究方向為電力資產(chǎn)管理；

徐華(1962)，女，本科，工程師，研究方向為電力工程管理；

周國定(1938)，男，碩士，教授，研究方向為電力儲能；

周肖平(1977)，男，本科，工程師，研究方向為電力經(jīng)濟技術(shù)管理；

李曉華(1974)，女，博士，副教授，研究方向為電力電子和電力傳動；

蔣大為(1977)，男，本科，助理工程師，研究方向為電力運檢管理。