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摘 要：介绍当前国内变电站直流系统的现状，根据今后发展趋势，提出间接并联智能电池组件技术及磷酸铁锂电池技术。结合某110kV智能变电站项目，提出工程配置方案，通过全寿命周期经济效益分析，表明该方案安全可靠、绿色环保、节省投资。
关键词：并联智能电池组件；磷酸铁锂电池；直流系统；
1概述
1.1目前国内变电站直流系统应用现状介绍
变电站的直流系统作为站内二次设备的主要工作电源，为设备的持续稳定运行提供了有力保障，也是保证站内交流站用电事故全停情况下，保护、控制以及通信装置能够正常运行的应急电源，其重要性十分显著。现有的变电站直流系统往往都是采用高频开关电源+蓄电池组的配置，正常情况下直流电源由高频开关电源整流提供，事故情况下由蓄电池组放电提供。
由此可见，蓄电池组在直流系统中地位十分重要，蓄电池组可靠与否，关系到整站直流系统在事故情况下能否正常发挥作用。现有蓄电池组均是采用的串联模式，通过多只单体电池串联，达到直流系统母线电压要求，每只单体电池均按蓄电池组全容量配置。
以变电站常规直流系统为例，典型的直流系统图如下图所示：
经过广泛调研，当前直流系统蓄电池配置模式存在以下问题：
（1）可靠性不容乐观
在正常运行时，蓄电池组处于浮充状态，并没有带载机会。每年全国变电站蓄电池组因全站交流系统失电，而发挥应急电源作用的蓄电池组数量仅为极少部分。但即使是这些极少部分蓄电池组，每年的事故仍时有发生。
分析相关蓄电池组事故原因，常有：
a、单只蓄电池内部质量问题，造成整组蓄电池不能正常带载。
b、单只蓄电池连接线问题，造成整组蓄电池不能正常带载。
c、蓄电池组中最差1只蓄电池容量决定整组蓄电池容量，使在全站交流系统失电情况下蓄电池组不能发挥应有作用。
d、新更换蓄电池与原运行电池性能不匹配，造成整组电池性能迅速下降。
（2）串联蓄电池组不能在线维护
虽然目前大多数变电站蓄电池组均配有蓄电池巡检装置，但在串联模式下，巡检装置只能对单体电池端电压进行监测，无法对其实际容量进行在线监测。铅酸蓄电池组容量因电池的记忆效应，只能靠定期离线全容量核容实验才能真正確定其实际容量。
此外，即使发现蓄电池内部质量问题也不能进行在线更换维护，需将备用蓄电池组并联带载，再退出问题蓄电池组进行更换和维护。
（3）铅酸蓄电池组一次二次投资比重较大
直流系统采用单母线分段接线时，串联蓄电池组冗余方案均是采用相同数量和规格的串联蓄电池组作为备用，投资较大。
除蓄电池组本身成本较高外，按照规程规定，蓄电池组容量超过200Ah时，其体积和重量均比较大，同时考虑到铅酸蓄电池可能产生的氢气泄露，宜设置独立的蓄电池室，这一部分的土建基建及配套设施投资也较大。
日常维护中蓄电池端电压校验、核容实验等工作也占较大工作比重。
1.2 今后发展方向
随着设备在线监测需求的日益迫切，近年来一次设备以及二次设备在线监测技术也得到了广泛研究和应用，串联蓄电池组的在线监测和在线更换、维护也不再是难以解决的问题。
电力电子技术飞速发展为解决蓄电池串联问题提供了契机，AC/DC、DC/DC技术、通信技术、模块设计技术，在电力领域实现了大量应用，改变蓄电池串联方式技术条件已具备。近年来，出现了一种基于间接并联智能电池组件的新技术。本专题即是针对最新的基于间接并联智能电池组件技术进行研究，提出了该技术应用于变电站直流系统的配置方案，认为该技术代表了将来变电站直流系统的一个发展方向。
2间接并联智能电池组件技术及磷酸铁锂电池技术分析
2.1间接并联智能电池组件技术原理
通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC充电模块、DC/DC升压模块等器件创新设计为“并联用智能蓄电池模块”，并通过多只蓄电池模块并联，组成满足实际需要的多并联蓄电池模块组，取代变电站传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，解决蓄电池串联方式下单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性，不能在线更换维护，新旧电池难以匹配，冗余配置不经济等问题。
单只并联用智能电池组件基本原理如下图所示：
并联用智能电池组件AC/DC环节原理框图如下图所示：
选用移相控制全桥零电压开关PWM变换器作为DC-DC升压环节，组件内DC/DC环节原理框图如下图所示：
并联用智能电池模块以电力电子成熟技术做基础，进行系统创新，多模块并联冗余方式为应用基础，减少直流电源一次、二次投资，推动智能电网、电源技术发展。
2.2间接并联智能电池组件技术优势
2.2.1提高直流系统可靠性
避免传统蓄电池串联方式下，单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性问题。
2.2.2实现直流系统在线维护
多并联智能蓄电池组件可在线进行单组件更换维护，可分别对组件内电池进行在线充放电管理。
2.2.3实现站用电源资源节约型设计
（1）多并联智能电池组件取代传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，可大大节约设备投资。
（2）直流系统组屏数量、基建面积缩小，可节约基建投资。
（3）可实现直流系统在线维护，二次维护投资节约。
（4）并联智能电池组件信息完全通过通信网络进行数字交互，管理投资节约。
2.2.4实现站用电源环境友好型设计
多并联智能电池组件技术可使采用的铅酸蓄电池数量大为减少。以220kV智能变电站为例，经测算，使用间接并联智能电池组件后，采用24只12V 200AH磷酸铁锂电池或铅酸蓄电池可代替104只2V/200AH铅酸蓄电池。值得说明的是，采用磷酸铁锂电池对环境友好型设计贡献更大。 2.2.5实现站用电源工业化设计
并联智能电池组件为AC/DC、DC/DC、微电子技术、通信技术等高技术的高集成化綜合体，为标准模块化设计，可进一步推动站用电源的工业化设计。
2.2.6推进智能电网、智能变电站技术发展
（1）信息数字化、管理智能化符合智能电网、智能变电站技术发展方向。
并联智能电池组件实现了上行下达信息数字化传输，可实现在线式蓄电池核容实验等高级程序化管理功能。
（2）灵活使用并联用智能蓄电池模块技术将推动智能电网、智能变电站技术发展。
智能变电站中可结合保护测控按间隔分散就地安装，使用并联用智能蓄电池模块实现电源分散就地布置，优化常规电缆沟设计，进而逐步减少控制室面积，产生可观的社会、经济效益。
2.3磷酸铁锂电池技术优势
1、超长寿命
目前常规铅酸蓄电池单只寿命一般在6-8年左右，串联电池组下的铅酸蓄电池使用寿命将受单只蓄电池的影响而变得更短。磷酸铁锂电池的使用寿命可维持在5小时充放电，2000h以上，考虑到变电站事故及平时核容、检修，配合并列智能组件技术其使用寿命可达15年左右。
2、安全性
铅酸蓄电池存在氢气泄露、燃烧爆炸的潜在威胁，而磷酸铁锂电池即使在最恶劣的环境及碰撞下都不会发生爆炸。
3、无记忆效应
磷酸铁锂电池因无铅酸蓄电池容量记忆效应，可随充随用。而铅酸蓄电池在充满未放完电的情况下其容量会随记忆效应而下降。
4、绿色环保
磷酸铁锂电池无任何有毒有害物质，不会对环境构成污染，被世界公认为绿色环保电池。
2.4目前国内应用情况
综上述，间接并联智能电池组件技术相对传统蓄电池组合方式有着明显的技术优势，能够提高直流系统的可靠性、实现在线维护、便于就地设计及扩展、节约蓄电池个数及节省蓄电池室的建设，同时采用磷酸铁锂电池更加环保，是实践“两型一化”政策的典型技术。该技术目前已经在国网公司开始试点应用，部分试点工程见下表：
3某110kV变电站直流系统方案设计
本站考虑主控室配置1套站用直流系统，该系统为一体化电源的组成部分。直流电压采用DC220V，单母线分段配置。
3.1直流负荷统计
按常规110kV变计算，选择为200Ah
3.2直流系统配置方案
3.2.1智能直流组件内蓄电池选择
组件内单蓄电池如选择2V蓄电池，在抗干扰、功率变换效率方面均有难度，且组件内DC/DC变换低压侧电流会过大，元器件选择有困难。而12V蓄电池也是成熟产品，各种容量产品较丰富。因此本设计“并联用智能电池组件”内选择12V蓄电池作为内部基本配置，单体电池容量200Ah，采用磷酸铁锂蓄电池。
3.2.2 智能组件数量计算及直流系统组屏配置
根据能量守恒，并考虑到DC/DC变换器变换效率以及可靠性，综合取1.2的可靠系数： 1.2*220V*A=12V*200Ah*N 其中A为所需的蓄电池容量（Ah），N为12V 200Ah蓄电池的个数。
站用直流系统：1.2*220V*200Ah=12V*200Ah*N N=22 需22只。按N+2取24只，备用2只，采用磷酸铁锂蓄电池。因此需配置24个智能组件并连实现，直流智能组件组屏3面，馈线屏配置2面。
4全寿命周期经济效益分析
4.1直接投资效益
本方案在直流系统设备投资、实现直流电源在线检修更换、实现直流电源在线核容实验、减少土建基建投资等方面，取得良好效益。与传统直流系统方案相比，经济对比如下表所示：
经比较，全寿命周期内直接经济效益可节省0.3万元费用。随着技术的发展，磷酸铁锂电池的价格下降后，该间接并联智能电池组件技术的直接经济效益将更为显著。
4.2直流电源绿色环保方面产生的效益
采用基于间接并联智能电池组件技术后，直流系统共使用24只12V 200Ah磷酸铁锂电池，代替1组104只/200Ah铅酸蓄电池，大大减少铅酸蓄电池使用量，产生了较好的环保效益。同时磷酸铁锂电池的应用将有利于变电站直流电源实现安全、少维护、绿色环保目标。全寿命周期内其环保效益更加明显，符合“两型一化”的要求。
4.3使用并联智能电池组件实现电源就地布置产生的效益
智能变电站中可结合保护测控按间隔分散就地安装，使用并联用智能电池组件实现电源按保护小室分散就地布置、相对集中布置、全集中布置等多种模式，可以根据变电站规模及布置灵活配置直流电源系统，达到优化设计、节省电缆的目的。
此外，针对一些变电站突破终期设计规模，现有直流系统容量无法满足扩建规模需要的情况，也可以单独配置并联智能电池组件来提供直流系统电源，从而避免整套更换站内原有直流电源系统，达到节约投资的目的。
5结论
综上所述：采用并联智能电池组件技术的变电站直流系统从技术、经济、环保等方面都有着明显的优势，推荐基于间接并联智能电池组件技术的变电站直流系统方案作为今后智能变电站的直流系统方案。
关键词：并联智能电池组件；磷酸铁锂电池；直流系统；
1概述
1.1目前国内变电站直流系统应用现状介绍
变电站的直流系统作为站内二次设备的主要工作电源，为设备的持续稳定运行提供了有力保障，也是保证站内交流站用电事故全停情况下，保护、控制以及通信装置能够正常运行的应急电源，其重要性十分显著。现有的变电站直流系统往往都是采用高频开关电源+蓄电池组的配置，正常情况下直流电源由高频开关电源整流提供，事故情况下由蓄电池组放电提供。
由此可见，蓄电池组在直流系统中地位十分重要，蓄电池组可靠与否，关系到整站直流系统在事故情况下能否正常发挥作用。现有蓄电池组均是采用的串联模式，通过多只单体电池串联，达到直流系统母线电压要求，每只单体电池均按蓄电池组全容量配置。
以变电站常规直流系统为例，典型的直流系统图如下图所示：
经过广泛调研，当前直流系统蓄电池配置模式存在以下问题：
（1）可靠性不容乐观
在正常运行时，蓄电池组处于浮充状态，并没有带载机会。每年全国变电站蓄电池组因全站交流系统失电，而发挥应急电源作用的蓄电池组数量仅为极少部分。但即使是这些极少部分蓄电池组，每年的事故仍时有发生。
分析相关蓄电池组事故原因，常有：
a、单只蓄电池内部质量问题，造成整组蓄电池不能正常带载。
b、单只蓄电池连接线问题，造成整组蓄电池不能正常带载。
c、蓄电池组中最差1只蓄电池容量决定整组蓄电池容量，使在全站交流系统失电情况下蓄电池组不能发挥应有作用。
d、新更换蓄电池与原运行电池性能不匹配，造成整组电池性能迅速下降。
（2）串联蓄电池组不能在线维护
虽然目前大多数变电站蓄电池组均配有蓄电池巡检装置，但在串联模式下，巡检装置只能对单体电池端电压进行监测，无法对其实际容量进行在线监测。铅酸蓄电池组容量因电池的记忆效应，只能靠定期离线全容量核容实验才能真正確定其实际容量。
此外，即使发现蓄电池内部质量问题也不能进行在线更换维护，需将备用蓄电池组并联带载，再退出问题蓄电池组进行更换和维护。
（3）铅酸蓄电池组一次二次投资比重较大
直流系统采用单母线分段接线时，串联蓄电池组冗余方案均是采用相同数量和规格的串联蓄电池组作为备用，投资较大。
除蓄电池组本身成本较高外，按照规程规定，蓄电池组容量超过200Ah时，其体积和重量均比较大，同时考虑到铅酸蓄电池可能产生的氢气泄露，宜设置独立的蓄电池室，这一部分的土建基建及配套设施投资也较大。
日常维护中蓄电池端电压校验、核容实验等工作也占较大工作比重。
1.2 今后发展方向
随着设备在线监测需求的日益迫切，近年来一次设备以及二次设备在线监测技术也得到了广泛研究和应用，串联蓄电池组的在线监测和在线更换、维护也不再是难以解决的问题。
电力电子技术飞速发展为解决蓄电池串联问题提供了契机，AC/DC、DC/DC技术、通信技术、模块设计技术，在电力领域实现了大量应用，改变蓄电池串联方式技术条件已具备。近年来，出现了一种基于间接并联智能电池组件的新技术。本专题即是针对最新的基于间接并联智能电池组件技术进行研究，提出了该技术应用于变电站直流系统的配置方案，认为该技术代表了将来变电站直流系统的一个发展方向。
2间接并联智能电池组件技术及磷酸铁锂电池技术分析
2.1间接并联智能电池组件技术原理
通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC充电模块、DC/DC升压模块等器件创新设计为“并联用智能蓄电池模块”，并通过多只蓄电池模块并联，组成满足实际需要的多并联蓄电池模块组，取代变电站传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，解决蓄电池串联方式下单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性，不能在线更换维护，新旧电池难以匹配，冗余配置不经济等问题。
单只并联用智能电池组件基本原理如下图所示：
并联用智能电池组件AC/DC环节原理框图如下图所示：
选用移相控制全桥零电压开关PWM变换器作为DC-DC升压环节，组件内DC/DC环节原理框图如下图所示：
并联用智能电池模块以电力电子成熟技术做基础，进行系统创新，多模块并联冗余方式为应用基础，减少直流电源一次、二次投资，推动智能电网、电源技术发展。
2.2间接并联智能电池组件技术优势
2.2.1提高直流系统可靠性
避免传统蓄电池串联方式下，单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性问题。
2.2.2实现直流系统在线维护
多并联智能蓄电池组件可在线进行单组件更换维护，可分别对组件内电池进行在线充放电管理。
2.2.3实现站用电源资源节约型设计
（1）多并联智能电池组件取代传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，可大大节约设备投资。
（2）直流系统组屏数量、基建面积缩小，可节约基建投资。
（3）可实现直流系统在线维护，二次维护投资节约。
（4）并联智能电池组件信息完全通过通信网络进行数字交互，管理投资节约。
2.2.4实现站用电源环境友好型设计
多并联智能电池组件技术可使采用的铅酸蓄电池数量大为减少。以220kV智能变电站为例，经测算，使用间接并联智能电池组件后，采用24只12V 200AH磷酸铁锂电池或铅酸蓄电池可代替104只2V/200AH铅酸蓄电池。值得说明的是，采用磷酸铁锂电池对环境友好型设计贡献更大。 2.2.5实现站用电源工业化设计
并联智能电池组件为AC/DC、DC/DC、微电子技术、通信技术等高技术的高集成化綜合体，为标准模块化设计，可进一步推动站用电源的工业化设计。
2.2.6推进智能电网、智能变电站技术发展
（1）信息数字化、管理智能化符合智能电网、智能变电站技术发展方向。
并联智能电池组件实现了上行下达信息数字化传输，可实现在线式蓄电池核容实验等高级程序化管理功能。
（2）灵活使用并联用智能蓄电池模块技术将推动智能电网、智能变电站技术发展。
智能变电站中可结合保护测控按间隔分散就地安装，使用并联用智能蓄电池模块实现电源分散就地布置，优化常规电缆沟设计，进而逐步减少控制室面积，产生可观的社会、经济效益。
2.3磷酸铁锂电池技术优势
1、超长寿命
目前常规铅酸蓄电池单只寿命一般在6-8年左右，串联电池组下的铅酸蓄电池使用寿命将受单只蓄电池的影响而变得更短。磷酸铁锂电池的使用寿命可维持在5小时充放电，2000h以上，考虑到变电站事故及平时核容、检修，配合并列智能组件技术其使用寿命可达15年左右。
2、安全性
铅酸蓄电池存在氢气泄露、燃烧爆炸的潜在威胁，而磷酸铁锂电池即使在最恶劣的环境及碰撞下都不会发生爆炸。
3、无记忆效应
磷酸铁锂电池因无铅酸蓄电池容量记忆效应，可随充随用。而铅酸蓄电池在充满未放完电的情况下其容量会随记忆效应而下降。
4、绿色环保
磷酸铁锂电池无任何有毒有害物质，不会对环境构成污染，被世界公认为绿色环保电池。
2.4目前国内应用情况
综上述，间接并联智能电池组件技术相对传统蓄电池组合方式有着明显的技术优势，能够提高直流系统的可靠性、实现在线维护、便于就地设计及扩展、节约蓄电池个数及节省蓄电池室的建设，同时采用磷酸铁锂电池更加环保，是实践“两型一化”政策的典型技术。该技术目前已经在国网公司开始试点应用，部分试点工程见下表：
3某110kV变电站直流系统方案设计
本站考虑主控室配置1套站用直流系统，该系统为一体化电源的组成部分。直流电压采用DC220V，单母线分段配置。
3.1直流负荷统计
按常规110kV变计算，选择为200Ah
3.2直流系统配置方案
3.2.1智能直流组件内蓄电池选择
组件内单蓄电池如选择2V蓄电池，在抗干扰、功率变换效率方面均有难度，且组件内DC/DC变换低压侧电流会过大，元器件选择有困难。而12V蓄电池也是成熟产品，各种容量产品较丰富。因此本设计“并联用智能电池组件”内选择12V蓄电池作为内部基本配置，单体电池容量200Ah，采用磷酸铁锂蓄电池。
3.2.2 智能组件数量计算及直流系统组屏配置
根据能量守恒，并考虑到DC/DC变换器变换效率以及可靠性，综合取1.2的可靠系数： 1.2*220V*A=12V*200Ah*N 其中A为所需的蓄电池容量（Ah），N为12V 200Ah蓄电池的个数。
站用直流系统：1.2*220V*200Ah=12V*200Ah*N N=22 需22只。按N+2取24只，备用2只，采用磷酸铁锂蓄电池。因此需配置24个智能组件并连实现，直流智能组件组屏3面，馈线屏配置2面。
4全寿命周期经济效益分析
4.1直接投资效益
本方案在直流系统设备投资、实现直流电源在线检修更换、实现直流电源在线核容实验、减少土建基建投资等方面，取得良好效益。与传统直流系统方案相比，经济对比如下表所示：
经比较，全寿命周期内直接经济效益可节省0.3万元费用。随着技术的发展，磷酸铁锂电池的价格下降后，该间接并联智能电池组件技术的直接经济效益将更为显著。
4.2直流电源绿色环保方面产生的效益
采用基于间接并联智能电池组件技术后，直流系统共使用24只12V 200Ah磷酸铁锂电池，代替1组104只/200Ah铅酸蓄电池，大大减少铅酸蓄电池使用量，产生了较好的环保效益。同时磷酸铁锂电池的应用将有利于变电站直流电源实现安全、少维护、绿色环保目标。全寿命周期内其环保效益更加明显，符合“两型一化”的要求。
4.3使用并联智能电池组件实现电源就地布置产生的效益
智能变电站中可结合保护测控按间隔分散就地安装，使用并联用智能电池组件实现电源按保护小室分散就地布置、相对集中布置、全集中布置等多种模式，可以根据变电站规模及布置灵活配置直流电源系统，达到优化设计、节省电缆的目的。
此外，针对一些变电站突破终期设计规模，现有直流系统容量无法满足扩建规模需要的情况，也可以单独配置并联智能电池组件来提供直流系统电源，从而避免整套更换站内原有直流电源系统，达到节约投资的目的。
5结论
综上所述：采用并联智能电池组件技术的变电站直流系统从技术、经济、环保等方面都有着明显的优势，推荐基于间接并联智能电池组件技术的变电站直流系统方案作为今后智能变电站的直流系统方案。