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

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電站；繼電保護(hù)。

電動(dòng)汽車作為一種新型交通工具，是我國(guó)石油資源緊張、城市大氣污染嚴(yán)重問題的重要手段，是推進(jìn)交通發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的載體。發(fā)展電動(dòng)汽車是貫徹國(guó)家能源戰(zhàn)略、落實(shí)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(huì)以及履行社會(huì)責(zé)任的重大戰(zhàn)略舉措。電動(dòng)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(dòng)汽車充換儲(chǔ)放一體示范電站于2011年8月投入運(yùn)行，是世界上功能全、規(guī)模及服務(wù)能力的電動(dòng)汽車充換電站。作為國(guó)家電網(wǎng)電動(dòng)汽車示范電站，其在國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)集公交車充換電、乘用車電池集中充電及儲(chǔ)能應(yīng)用于一體，在電動(dòng)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(dòng)汽車充換電站，其繼電保護(hù)配置方面缺少可以參考的先例。本文通過對(duì)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(chǔ)放原理等方面的分析，提出了有針對(duì)性的，尤其是針對(duì)梯度儲(chǔ)能電池的特殊儲(chǔ)放系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置方案。該配置方案保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和充換儲(chǔ)放一體電站內(nèi)部的電池等重要設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)充換電站建設(shè)起到了示范效應(yīng)。

1電站系統(tǒng)簡(jiǎn)述

充換儲(chǔ)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(tái)容量均為2000kV·A的變壓器，充電與儲(chǔ)放電模塊均帶在400V母線上，如下圖所示。

圖 充換儲(chǔ)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(dòng)力電池逆向放電系統(tǒng)和2MW×3h的儲(chǔ)能系統(tǒng)。動(dòng)力電池逆向放電系統(tǒng)的每個(gè)動(dòng)力電池箱配置有一臺(tái)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(dòng)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(hù)配置方案

對(duì)于繼電保護(hù)來說，充換儲(chǔ)放一體電站不同于普通用戶站的地方在于其梯度儲(chǔ)能放電部分。在繼電保護(hù)配置方案中，著重要考慮梯度儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)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(shí)能快速、可靠切除故障，既要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又要保證充換儲(chǔ)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(hù)功能配置

從層次上劃分，400V系統(tǒng)逆向放電系統(tǒng)的保護(hù)分為三層，分別為模塊級(jí)保護(hù)、裝置級(jí)保護(hù)及系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。模塊級(jí)保護(hù)主要包括IGBT驅(qū)動(dòng)板自帶的底層硬件短路保護(hù)和控制器自帶的硬件過電流保護(hù);裝置級(jí)保護(hù)主要指放電模塊控制器通過軟件計(jì)算或者硬件接點(diǎn)檢測(cè)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(hù);系統(tǒng)級(jí)保護(hù)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(hù)。

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

2.1.1硬件保護(hù)

放電模塊的硬件故障保護(hù)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(cè)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(jī)告警。故障切除后，需要手動(dòng)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(hù)將交流電流門檻值設(shè)定為25A，保護(hù)動(dòng)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(jī)告警并報(bào)過電流故障。

直流過電流硬件保護(hù)，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(hù)動(dòng)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(jī)告警并報(bào)過電流故障。

2.1.2軟件保護(hù)

放電裝置的軟件保護(hù)分瞬時(shí)保護(hù)和定時(shí)限保護(hù)兩種。

瞬時(shí)保護(hù)元件只設(shè)有保護(hù)動(dòng)作定值，為系統(tǒng)檢測(cè)到緊急故障時(shí)單點(diǎn)動(dòng)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(jī)告警，故障標(biāo)志需要故障后手動(dòng)復(fù)歸確認(rèn)。

定時(shí)限保護(hù)設(shè)有動(dòng)作定值和延時(shí)定值，為系統(tǒng)檢測(cè)到嚴(yán)重故障，經(jīng)延時(shí)定值確認(rèn)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(dòng)復(fù)歸確認(rèn)。

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

2.2 10kV系統(tǒng)保護(hù)功能配置

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

1)放電裝置有完備的保護(hù)方案和保護(hù)功能。10kV及400V系統(tǒng)故障時(shí)，放電裝置能快速切斷與系統(tǒng)的連接，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生不利影響。放電裝置每個(gè)模塊的容量?jī)H6kW左右，本項(xiàng)目中140個(gè)逆向放電模塊各自獨(dú)立運(yùn)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(shí)候，首先閉鎖相關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖，阻斷電池與電網(wǎng)之間的功率交換，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在幾十微秒左右，然后分?jǐn)嘟恢绷鱾?cè)的接觸器，完全斷開與電網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系，動(dòng)作時(shí)間在20～30ms。

2)系統(tǒng)短路電流的計(jì)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(jī)設(shè)備。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電壓跌落的時(shí)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(shí)不會(huì)附加系統(tǒng)的短路電流。因此在進(jìn)行短路阻抗和短路電流計(jì)算時(shí)，不應(yīng)考慮放電裝置的影響。

3安科瑞電動(dòng)汽車光伏充電站的整體繼電保護(hù)方法及裝置

3.1概述

AcrelEMS 3.0智慧能源管理平臺(tái)對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動(dòng)、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(dòng)態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲(chǔ)充資源之間的靈活互動(dòng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。

3.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于分布式光伏、儲(chǔ)能、光儲(chǔ)充電站建設(shè)，多個(gè)新能源站點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)管理、運(yùn)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(tái)組織架構(gòu)

平臺(tái)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(jì)量、保護(hù)、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(hù)裝置、馬達(dá)保護(hù)控制器、無功補(bǔ)償/有源濾波裝置、逆變器、智能照明控制裝置、充電樁、測(cè)溫傳感器、電氣消防監(jiān)控設(shè)備、浪涌監(jiān)測(cè)設(shè)備等，以及光伏/風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)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(guó)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(shí)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(chǔ)，斷點(diǎn)續(xù)傳、失電報(bào)警功能，采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過壓縮、加密后上傳平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、安全、可靠。

平臺(tái)數(shù)據(jù)層顯示和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警、業(yè)務(wù)、操作日志等數(shù)據(jù)，并對(duì)外提供數(shù)據(jù)訪問接口供第三方系統(tǒng)使用，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接收、處理、展示、存儲(chǔ)和訪問能力。具有權(quán)限的用戶可通過PC、PAD、手機(jī)等各類終端設(shè)備訪問數(shù)據(jù)、接收?qǐng)?bào)警信息，并根據(jù)要求對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行巡檢，平臺(tái)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(tái)功能

3.5.1數(shù)字化展示

通過展示大屏實(shí)時(shí)顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)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(duì)比等。

3.5.3智能預(yù)測(cè)

結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對(duì)光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際功率進(jìn)行對(duì)比分析，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)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(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對(duì)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(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。

3.5.6運(yùn)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(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。

4結(jié)語(yǔ)

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

1)400V系統(tǒng)逆向放電系統(tǒng)的保護(hù)分為模塊級(jí)保護(hù)、裝置級(jí)保護(hù)及系統(tǒng)級(jí)保護(hù)三層。從實(shí)現(xiàn)途徑上劃分，主要包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)。

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

電動(dòng)汽車充換電站的電氣設(shè)計(jì)、繼電保護(hù)配置等都處在探索階段。青島市某電動(dòng)汽車充換儲(chǔ)放一體示范電站的繼電保護(hù)配置方案是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shí)際工程中還需要繼電保護(hù)人員對(duì)繼電保護(hù)配置方案進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

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