宋兵兵

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：發(fā)展電動汽車是貫徹國家能源戰(zhàn)略的重大舉措之一，電動汽車充換電站的建設(shè)是其重要組成部分，電動汽車充換電站的電氣設(shè)計、繼電保護配置等都處在探索階段。本文結(jié)合國家電網(wǎng)示范站———青島市某電動汽車充換儲放一體示范電站的實際情況，對充換電站內(nèi)部繼電保護配置方案進行了介紹分析。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電站；繼電保護。

電動汽車作為一種新型交通工具，是我國石油資源緊張、城市大氣污染嚴重問題的重要手段，是推進交通發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的載體。發(fā)展電動汽車是貫徹國家能源戰(zhàn)略、落實節(jié)能減排政策、參與建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會以及履行社會責(zé)任的重大戰(zhàn)略舉措。電動汽車充換電站建設(shè)是其重要組成部分。

位于青島市黃島區(qū)的某電動汽車充換儲放一體示范電站于2011年8月投入運行，是世界上功能全、規(guī)模及服務(wù)能力的電動汽車充換電站。作為國家電網(wǎng)電動汽車示范電站，其在國內(nèi)外實現(xiàn)集公交車充換電、乘用車電池集中充電及儲能應(yīng)用于一體，在電動汽車充換電設(shè)施建設(shè)中具有里程碑意義。

作為一座全新型的電動汽車充換電站，其繼電保護配置方面缺少可以參考的先例。本文通過對該座充換電站內(nèi)部一次接線方式、二次設(shè)備配置及充換儲放原理等方面的分析，提出了有針對性的，尤其是針對梯度儲能電池的特殊儲放系統(tǒng)的繼電保護配置方案。該配置方案保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和充換儲放一體電站內(nèi)部的電池等重要設(shè)備的穩(wěn)定運行，對充換電站建設(shè)起到了示范效應(yīng)。

1電站系統(tǒng)簡述

充換儲放一體電站通過兩條10kV線路與青島35kV智能變電站并網(wǎng)，站內(nèi)有兩臺容量均為2000kV·A的變壓器，充電與儲放電模塊均帶在400V母線上，如下圖所示。

圖 充換儲放一體電站一次接線圖

并網(wǎng)型設(shè)備包括480箱乘用車動力電池逆向放電系統(tǒng)和2MW×3h的儲能系統(tǒng)。動力電池逆向放電系統(tǒng)的每個動力電池箱配置有一臺4.6kW的分箱放電模塊，模塊的直流側(cè)和交流側(cè)均安裝有微型斷路器和熔斷器，可通過監(jiān)控系統(tǒng)控制放電模塊將電池回饋到交流電網(wǎng)。

充電站梯度電池采用標(biāo)準(zhǔn)電動汽車電池，參數(shù)為265A·h/76.8V，總額定容量為2MW×3h，額定功率為2MW，放電功率不超過2MW。

2繼電保護配置方案

對于繼電保護來說，充換儲放一體電站不同于普通用戶站的地方在于其梯度儲能放電部分。在繼電保護配置方案中，著重要考慮梯度儲能電池的儲放系統(tǒng)，確保在電站向主網(wǎng)系統(tǒng)逆向放電過

程中發(fā)生故障時能快速、可靠切除故障，既要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，又要保證充換儲放一體電站內(nèi)部的電池等重要設(shè)備不受損害。

2.1 400V系統(tǒng)保護功能配置

從層次上劃分，400V系統(tǒng)逆向放電系統(tǒng)的保護分為三層，分別為模塊級保護、裝置級保護及系統(tǒng)級保護。模塊級保護主要包括IGBT驅(qū)動板自帶的底層硬件短路保護和控制器自帶的硬件過電流保護;裝置級保護主要指放電模塊控制器通過軟件計算或者硬件接點檢測到本裝置的內(nèi)部故障而觸發(fā)的過電

流、過溫及過電壓等保護;系統(tǒng)級保護主要指逆向放電監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)觸發(fā)的保護。

從實現(xiàn)途徑上劃分，放電模塊的保護分為硬件保護和軟件保護。為了闡述方便，以下分別從硬件保護和軟件保護兩方面進行介紹。

2.1.1硬件保護

放電模塊的硬件故障保護包括IGBT模塊過電流、IGBT模塊過溫及直流母線過電壓故障三部分功能。當(dāng)裝置檢測到上述緊急故障后，應(yīng)立即封所有功率單元IGBT脈沖，跳直交流兩側(cè)接觸器，停機告警。故障切除后，需要手動復(fù)歸故障標(biāo)志，放電模塊方可繼續(xù)投入使用。

考慮1.2倍額定容量過載且為了確保器件安全，AC/DC交流側(cè)電流硬件保護將交流電流門檻值設(shè)定為25A，保護動作值為(25±1)A，封所有功率單元IGBT脈沖，跳交直流兩側(cè)接觸器，停機告警并報過電流故障。

直流過電流硬件保護，考慮1.2倍額定容量過載且為了確保器件安全，將直流電流門檻值設(shè)為70A，保護動作值為(70±1)A，封所有功率單元IGBT脈沖，跳交直流兩側(cè)接觸器，停機告警并報過電流故障。

2.1.2軟件保護

放電裝置的軟件保護分瞬時保護和定時限保護兩種。

瞬時保護元件只設(shè)有保護動作定值，為系統(tǒng)檢測到緊急故障時單點動作出口，封所有功率單元IGBT脈沖，跳交直流兩側(cè)接觸器，停機告警，故障標(biāo)志需要故障后手動復(fù)歸確認。

定時限保護設(shè)有動作定值和延時定值，為系統(tǒng)檢測到嚴重故障，經(jīng)延時定值確認后出口，封所有功率單元IGBT脈沖，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為故障狀態(tài)并告警，故障標(biāo)志亦需故障后手動復(fù)歸確認。

軟件保護功能主要包含直流電壓保護、直流過電流保護、交流電流保護、電壓異常(過電壓/欠電壓)保護、頻率異常(高頻/低頻)保護、防孤島保護、恢復(fù)并網(wǎng)保護、輸出直流分量超標(biāo)保護及相序錯誤保護等。

2.2 10kV系統(tǒng)保護功能配置

充換儲放一體電站在設(shè)計初期就針對10kV并網(wǎng)線保護配置方案進行了多次探討，終確定在按常規(guī)用戶變電站保護設(shè)置的基礎(chǔ)上，增加解列裝置及進線反方向電流保護。但在整定計算過程中，解列裝置和反方向電流保護僅作為該站的后備考慮，原因主要有如下兩點:

1)放電裝置有完備的保護方案和保護功能。10kV及400V系統(tǒng)故障時，放電裝置能快速切斷與系統(tǒng)的連接，不會對系統(tǒng)的繼電保護產(chǎn)生不利影響。放電裝置每個模塊的容量僅6kW左右，本項目中140個逆向放電模塊各自獨立運行，集中控制，為電力電子變換設(shè)備，內(nèi)部的功率器件的控制速度快。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，首先閉鎖相關(guān)器件的驅(qū)動脈沖，阻斷電池與電網(wǎng)之間的功率交換，保護動作時間在幾十微秒左右，然后分斷交直流側(cè)的接觸器，完全斷開與電網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系，動作時間在20～30ms。

2)系統(tǒng)短路電流的計算無需考慮放電模塊的電流注入。放電裝置功率小，且有別于發(fā)電機設(shè)備。發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量大，并網(wǎng)點系統(tǒng)電壓跌落的時候可能出現(xiàn)輸出電流增加。而放電裝置具備限功率輸出功能和快速的響應(yīng)特性，在系統(tǒng)電壓跌落時不會附加系統(tǒng)的短路電流。因此在進行短路阻抗和短路電流計算時，不應(yīng)考慮放電裝置的影響。

3安科瑞電動汽車光伏充電站的整體繼電保護方法及裝置

3.1概述

AcrelEMS 3.0智慧能源管理平臺對企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負荷的運行狀態(tài)實時監(jiān)視、智能預(yù)測、動態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運行效率。

3.2應(yīng)用場所

適用于分布式光伏、儲能、光儲充電站建設(shè)，多個新能源站點的運營管理、運維服務(wù)、節(jié)能管理，工業(yè)園區(qū)，零碳工廠的建設(shè)空間。

3.3平臺組織架構(gòu)

平臺采用開放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層組成。

設(shè)備層主要由各種監(jiān)控、計量、保護、治理以及轉(zhuǎn)換設(shè)備和就地子系統(tǒng)組成，包括多功能電力儀表、暖通儀表、綜合保護裝置、馬達保護控制器、無功補償/有源濾波裝置、逆變器、智能照明控制裝置、充電樁、測溫傳感器、電氣消防監(jiān)控設(shè)備、浪涌監(jiān)測設(shè)備等，以及光伏/風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等子系統(tǒng)，為各類設(shè)備或子系統(tǒng)提供多種通信及組網(wǎng)方式，滿足國家相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

傳輸層的數(shù)據(jù)終端采用嵌入式系統(tǒng)，具有串口、網(wǎng)口、LoRa、光纖等多種數(shù)據(jù)通信接口，同時支持ModBus-RTU、IEC60870-5-103、DLT645-1997/2007、OPC、UA、BACNet、TCP/IP等多種通信協(xié)議，可兼容業(yè)內(nèi)絕大部分智能設(shè)備。數(shù)據(jù)終端支持本地存儲，斷點續(xù)傳、失電報警功能，采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過壓縮、加密后上傳平臺，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、安全、可靠。

平臺數(shù)據(jù)層顯示和存儲實時/歷史數(shù)據(jù)、報警、業(yè)務(wù)、操作日志等數(shù)據(jù)，并對外提供數(shù)據(jù)訪問接口供第三方系統(tǒng)使用，具備強大的數(shù)據(jù)接收、處理、展示、存儲和訪問能力。具有權(quán)限的用戶可通過PC、PAD、手機等各類終端設(shè)備訪問數(shù)據(jù)、接收報警信息，并根據(jù)要求對企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)備進行巡檢，平臺整體結(jié)構(gòu)如圖所示。

3.4系統(tǒng)硬件配置

3.5安科瑞智慧能源管理平臺功能

3.5.1數(shù)字化展示

通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁以及其它負荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運行情況。

3.5.2優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括各種能源的生產(chǎn)及消耗過程，通過優(yōu)化控制提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。

3.5.3智能預(yù)測

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負荷功率進行預(yù)測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統(tǒng)和負荷控制實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。

3.5.4能耗分析

采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標(biāo)，并折算標(biāo)煤或碳排放等。

3.5.5有序充電

系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯(lián)動控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運行安全。

3.5.6運維巡檢

系統(tǒng)支持任務(wù)管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現(xiàn)運維流程閉環(huán)管理。

4結(jié)語

本文提出了針對梯度儲能電池的特殊儲放系統(tǒng)的繼電保護配置方案。該方案主要有以下兩個方面:

1)400V系統(tǒng)逆向放電系統(tǒng)的保護分為模塊級保護、裝置級保護及系統(tǒng)級保護三層。從實現(xiàn)途徑上劃分，主要包括硬件保護和軟件保護。

2)對于10kV系統(tǒng)，在考慮放電系統(tǒng)完備的保護功能基礎(chǔ)上，除配置常規(guī)繼電保護，增加了事故解列裝置和反方向電流保護。

電動汽車充換電站的電氣設(shè)計、繼電保護配置等都處在探索階段。青島市某電動汽車充換儲放一體示范電站的繼電保護配置方案是針對現(xiàn)場實際情況制定的，由于各類充換電站存在功能不完全一致、電氣設(shè)備不盡相同的情況，因此在實際工程中還需要繼電保護人員對繼電保護配置方案進行相應(yīng)調(diào)整。

參考文獻

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