智能变电站新型站用电源解决方案

新型智能变电站的站用电源技术方案深圳泰昂能源科技股份有限公司目 录1、系统概述32、基于智能变电站的站用电源系统方案53、项目的优势分析74、主要元部件介绍84.1磷酸铁锂电池介绍84.2 PCS变流器介绍95、成本和削峰填谷的经济性估计115.1 成本估计115.2 削峰填谷的经济性分析126、总结121、系统概述本项目的目的是为变电站提供以磷酸铁锂电池储能装置为基础的、有可再生能源接口的、并具有削峰填谷功能的新型变电站站用电源解决方案。变电站的站用负荷主要是照明，空调，主变压器冷却风机，消防水泵，继电保护屏，录波屏，监控屏，通讯屏和一些站用电脑等。现有的变电站用交直流一体化电源一般由四部分组成：（1） 低压交流电源:提供交流电源给照明、空调、主变压器冷却风机、消防水泵和直流操作电源、通讯电源（如果采用AC/DC结构）、UPS。（2） 直流操作电源：提供电源给信号、继保和电气操作机构、部分仪表、事故照明、通讯电源（如果采用DC/DC结构）和不间断电源的直流输入。（3） 通讯电源：提供-48V直流电源给交换机、电力载波机、光纤通讯设备等通讯设备。（4） UPS：提供不间断的交流电源给变电站的微机、打印机等负荷。大多数情况，现有的变电站交直流电源能够为变电站的可靠运行提供电源，但是在运行过程中，还存在着一些问题，主要体现在：（1） 变电站站用电源的两路进线电源有可能在远端为同一电源，存在着两路进线电源同时失去的情况。（2） 在变电站电源两路进线电源全部失去的时候，后备蓄电池只能供电给继电保护、开关跳闸、事故照明、通讯设备、部分电脑设备，而大功率的交流负荷如变压器冷却风机、消防水泵等设备将失电。变压器的冷却风机突然停止容易造成变压器温升升高，虽然在变压器的选择时对冷却风机的停用有考虑，但是在一些情况下仍然可能造成对变压器的损害。在火灾和变电站失电同时发生的情况下，消防水泵的失电可能造成消防救援将不力的后果。（3） 冷却风机、中央空调等在天气炎热的环境下，耗电较大，可以引入清洁能源如风能、太阳能补充部分耗电。太阳能和风能的介入，需要有储能元件对其能量进行存储，但是由于现有的铅酸电池一不能涓流充电，二有记忆效应，不能随充随放，对风能、太阳能发电的接入造成阻碍。针对变电站站用电源的以上弱点，深圳市泰昂能源科技股份有限公司特推出一种新型的变电站站用电源解决方案。新方案与原有方案的区别在于：（1） 引入了以磷酸铁锂电池储能装置、PCS为变换装置的能量存储和释放系统，没有记忆效应，随充随放。（2） 由于有了基于磷酸铁锂电池的储能系统，太阳能和风能能够方便地接入和储存（3） 具有削峰填谷功能（4） 可以因应电网要求进行局部的有功、无功补偿2、基于智能变电站的站用电源系统方案项目的原理方案见图1图1 新型变电站站用电源示意图两段交流进线形成交流两段母线，在两端母线下接有直流操作电源，并在两段母线中间有母联开关I连结，这部分和常规的变电站站用电源相同。增加的部分为第三段母线，在第三段交流母线上接有PCS（功率变换单元）和磷酸铁锂电池。太阳能电池通过DC/DC变换器挂在磷酸铁锂电池母线上，风力发电机组通过变流器接入III段母线。III段母线与II段母线间有母联开关II相连。新型站用电源原有部分工作方式与传统变电站站用电源相同，新增部分工作方式如下：（1） 在两路进线或一路交流进线正常情况下，原有部分正常工作，母联开关II合上，III段母线和II 段母线相连。新增部分的PCS工作于电流源模式，并以磷酸铁锂电池储能为基础进行削峰填谷。用电低谷（一般是晚上和中午）时，市电经由II号变压器、II段母线、母联开关II、III段母线、PCS向磷酸铁锂电池充电。用电高峰段（一般是上午12：00前和下午2：00后），磷酸铁锂电池中储存的能量通过PCS、III段母线向电网输送能量。太阳能、风能接入III段母线，因为有了磷酸铁锂电池储能部分作调节，可以不考虑太阳能、风能接入对站内交流供电的影响。因为带储能的PCS可以向电网释放有功、无功功率，所以在电网正常时，储能系统也能因应电网需要向电网输送有功和无功功率，加强电网的稳定。（2） 在两路交流进线都不正常的情况下在两路交流进线电压都不正常的情况下，站内设备和电网脱离，由磷酸铁锂电池通过PCS向站内设备供电。PCS工作于电压源模式，磷酸铁锂电池通过电压源工作的PCS输出标准正弦波，向整个变电站设备供电。变压器冷却风机等负荷可以正常工作。另外，在经过特定的开关和线路配合后，PCS输出的交流电也可以通过变压器向10KV负荷供电。3、项目的优势分析整个项目相对于传统方案的优势如下：（1） 在变电站的两路交流都失电的情况下仍然能够保障所有的变电站设备供电。保障了变电站的变压器安全、并为变电站的消防提供了保障。（2） 采用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质，不会对环境构成任何污染。（3） 有些变电站为了保障进线掉电后变电站的安全，采用了柴油机方案，本文方案比柴油机方案环保，并且维护、开机简单。（4） 磷酸铁锂电池没有记忆效应（详见第4节磷酸铁锂电池介绍），对太阳能、风能等清洁能源产生的能量能够顺利接纳。（5） 在大部分进线电压正常的情况下，PCS和磷酸铁锂电池储能系统能够自动进行削峰填谷，缓解电网运行压力，并利用峰谷差价创造效益。（6） 因应电网需要，储能系统能够向电网输送有功和无功功率，维持了电网的稳定。（7） 在特定的开关和线路处理后，在电网掉电的情况下，磷酸铁锂电池通过PCS可以向某些10KV负荷供电。4、主要元部件介绍4.1磷酸铁锂电池介绍磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP）材料作电池正极的锂离子电池，有如下优点:（1）超长寿命长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，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。性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。（2） 绿色环保该电池不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池。 （3）可大电流充放电磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2C。（4） 自放电率小、无记忆效应。磷酸铁锂电池无记忆效应，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。（5）体积小、重量轻商品设计可轻量化，体积是相同容量铅酸电池的2/3，也较镍氢电池体积小；重量是相同容量铅酸电池的1/3，镍氢电池的2/3左右。以下是磷酸铁锂电池3.2V60AH图4.2 PCS变流器介绍PCS（Power Conditioning System)，功率调节系统，主要功能是在电气和能量上连接电网和蓄能装置.特点：有功、无功功率可以随着指令双向流动；系统有比较高的效率；有功功率和无功功率可以独立调节；瞬态响应快，可以达到毫秒级；通过PCS的双向变换能完成向蓄电池充电以及蓄电池向电网放电的功能，使系统能达到削峰填谷。框图如下，图2 PCS电气图泰昂开发的PCS，采用的是电压源双向整流器拓扑，主要元器件是电容、电感和IGBT模块。其基本原理就是电池通过六管IGBT产生一个超前或滞后电网的交流电压，通过调节电网与变换电压的相位角控制能量在电网和电池之间的流动。在交流电掉电时，PCS也能转换为电压源模式，对交流侧提供三相正弦波交流电。5、成本和削峰填谷的经济性估计5.1 成本估计以下用一个范例来说明新型变电站电源需要增加的成本，以及削峰填谷的经济性。PCS的功率以50KW为例，电池的配置按照可供以50KW功率放电0.5小时，蓄电池组电压600V。电池的配置计算如下：放电电流为50kw/（0.97600V）=87(A) 其中0.95为PCS效率87A放电0.5小时，选用60AH电池，电池的数量为60AH电池串联187只。对于一个50KW半小时后备时间的储能系统成本为序号品名单价（单位：万）数量总价（单位：万）1.PCS变换器25.0125.02.电池0.118718.73.电池管理系统0.011871.874.机柜1.044.0总计49.575.2 削峰填谷的经济性分析在这里以低谷电价为0.24元/度、高峰电价为1.03元/度来估计上述系统削峰填谷的经济性。每天将有50KW0.5=25KWH的低谷电在高峰期放出，放电效率为0.97，则电池中储存的电量为25/0.97=25.8（KWH）。充电效率为97%，所以充电电量为：25.8/0.97=26.6（KWH）所以充电电费为：26.60.24=6.384（元）放电节省电费：251.03=25.75（元）所以，每次储能系