Автономные источники питания постоянного тока для цифровых подстанций и транспорта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»



УДК 621.311.6

Автономные источники питания постоянного тока для цифровых подстанций и транспорта

Д. В. Жматов,

Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, заведующий кафедрой электротехники и электроники, кандидат технических наук

Т. И. Кузнецова,

Университет машиностроения (МАМИ), доцент кафедры автомобильной электроники,

кандидат технических наук

В. П. Горкин,

Университет машиностроения (МАМИ), старший преподаватель кафедры автомобильной электроники

Рассматриваются вопросы, связанные с безопасной эксплуатацией автономных источников питания постоянного тока на подстанциях и электротранспорте. Представлена разработанная информационно-измерительная система для контроля литий-ионных аккумуляторных батарей, обеспечивающая визуализацию режимов работы и фиксацию средствами мониторинга основных электрических параметров батареи.

Ключевые слова: система оперативного постоянного тока, литиевая аккумуляторная батарея, зарядное устройство.

Автономные источники питания, содержащие химические источники постоянного тока, широко используются в электроэнергетике и на транспорте. Аккумуляторы обеспечивают длительное хранение и расход энергии при большой удельной мощности и длительном сроке службы.

В соответствии с действующими нормативными документами [1] на подстанциях переменного тока 35-750 кВ рекомендовано применение систем оперативного постоянного тока, или СОПТ, включающих в себя комплекты зарядно-выпрямительных и распределительных устройств, располагаемых в отдельных шкафах, и стационарные аккумуляторные батареи в отдельном специально оборудованном помещении.

СОПТ призвана обеспечивать:

- резервное питание инверторов АСУ ТП, светильников аварийного освещения помещений аккумуляторной батареи, релейного щита, ЗРУ, насосных, камер задвижек пожаротушения;

- контроль состояния и режимов работы батарей и зарядно-выпрямительных устройств [1].

Аккумуляторные батареи предназначены для питания электроприёмников постоянного тока при отсутствии питания от зарядного устройства и, при необходимости, для компенсации импульсов тока нагрузки, превышающих возможности зарядного устройства. Батарея, главным образом, должна обеспечивать питание всех подключённых к СОПТ электроприёмников при работе в автономном режиме в течение расчётного времени, необходимого для восстановления нормальной работы СОПТ.

Согласно [2], «зарядно-подзарядные агрегаты (ЗПА) являются важнейшим компонентом систем

оперативного питания постоянного тока. Источники бесперебойного питания (ИБП) являются не менее важным компонентом систем оперативного питания переменного тока и систем собственных нужд подстанций 0,4 кВ и электростанций. Существует множество разновидностей ИБП, отличающихся и по топологии, и по принципу действия, и по конструктивному исполнению. В соответствии с международным стандартом IEC 62040-3, различают три основных типа ИБП:

- резервный - Passive Standby (IEC 62040-3.2.20);

- линейно-интерактивный - Line-Interactive (IEC 62040-3.2.18);

- с двойным преобразованием - Double-Conversion, который ранее назывался "On line" (IEC 62040-3.2.16).

ИБП резервного типа (рис. 1) наиболее простой и дешёвый. В нормальном режиме работы нагрузка получает питание прямо из сети. При пропадании напряжения в питающей сети нагрузка переключается на инвертор и батарею с помощью быстродействующего переключателя за время 3-10 мс при потере главного питания. То есть при использовании такого ИБП возможны кратковременные перерывы питания от нескольких миллисекунд до половины периода питающего напряжения. Это является одним из недостатков такого рода ИБП, хотя для большинства видов нагрузок такие провалы и не являются критическими. Ещё одним недостатком ИБП данного типа является то, что в нормальном режиме работы в нагрузку из сети поступают все неблагоприятные воздействия: искажения формы напряжения, импульсные перенапряжения, отклонения частоты и напряжения и т. д. Для частичной их

№ 2(62) 2015, март-апрель

redaktor@endf.ru

компенсации ИБП резервного типа снабжают дополнительными пассивными фильтрами гармоник, варисторами и т. д., включёнными параллельно выходной цепи. Как правило, по такому принципу строятся самые недорогие и самые маломощные ИБП (до 1,5-2 кВт), например бытовые ИБП для компьютеров, встроенные источники питания которых допускают кратковременные провалы напряжения» [2].

Сеть Быстродействующий __переключатель

Выпрямитель Батарея Инвертор

-hhb

Нагрузка

Li-ion FeO6

PO4

Анод

оЪ

LiFePO

Электролит

Полимерная мембрана

Катод Графит

Электролит

FePO4

Рис. 1. Структура ИБП резервного типа

Что касается транспортных средств, то в соответствии с [3] они подразделяются на электромобили (Electric Vehicle) и гибридные автомобили (Hybrid Electric Vehicle). Электромобиль оснащается аккумуляторной батареей и электроприводом; для зарядки аккумуляторной батареи используются комплексы экспресс-зарядки по стандарту МЭК 62196 [4]. Общественные транспортные средства используют для заряда аккумуляторов контактную сеть.

Структура источника питания такого рода транспортных средств соответствует представленной на рис. 1. Основными требованиями, предъявляемыми к аккумуляторной батарее, в данном случае являются:

- длительность пробега в километрах при средней скорости 50-60 км/ч;

- надёжность (количество циклов «заряд-разряд»);

- удельная запасаемая энергия на единицу массы (кВт-ч/кг).

В качестве аккумуляторов на подстанциях и транспортных средствах первоначально использовались свинцово-кислотные источники постоянного тока; в настоящее время с учётом повышенных требований к сроку службы и мощностным характеристикам используются литиевые аккумуляторы [5], которые конструктивно выполняются с катодом на основе графита (Сб) и анодом на основе лития (LiCoO2, LiFePO4, Li4Ti5O12 и др.). Конструкция литий-ионной батареи приведена на рис. 2.

Разряд

Заряд

Рис. 2. Конструкция Li-ion ячейки аккумулятора

Процесс заряда-разряда такой аккумуляторной батареи протекает следующим образом:

LiFePO4 + 6xC о Li1-xFePO4 + xLi + C6.

4

'6.

Основными параметрами аккумуляторной батареи, состоящей из химических источников тока (ХИТ), являются напряжение (рабочее напряжение на элементе), максимальный ток разряда (оценивается в единицах ёмкости), номинальная ёмкость, А-ч, удельная энергия, Вт-ч/кг, и эксплуатационная температура, 0С. Параметры наиболее распространённых типов аккумуляторных батарей - свинцово-кис-лотных, никель-кадмиевых и литий-ионных - приведены в сравнении в табл. 1. Литиевые аккумуляторы обладают такими преимуществами, как высокая плотность энергии и уменьшенные габариты, низкий саморазряд, т. е. отсутствие необходимости в периодических циклах заряда для восстановления ёмкости, высокое напряжение элемента ХИТ, широкий температурный диапазон эксплуатации.

Таблица 1

Параметры Тип батареи

PbSO4 Ni-Cd NiMH Li-ion

Рабочее напряжение, В 2,0 1,2 1,2 3,6

Максимальный ток разряда 7CH 3CH 2CH 3Ch

Удельная энергия, Вт-ч/кг 10...35 40...60 40...80 90...160

Количество циклов «заряд-разряд» До 400 До 150 До 400 До 800

Температурный диапазон, ОС -20...+45 -10...+45 + 10...+40 -40...+60

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru

№2 (62)2015, март-апрель

Рис. 3. Общий вид литий-ионной батареи с электронным блоком

Как правило, литий-ионная батарея оснащается электронной системой диагностики, обеспечивающей безопасную эксплуатацию батареи (рис. 3).

Особое внимание при эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей должно обращаться на контроль разряда. Допустимые режимы заряда регламентируются стандартом IEC (МЭК) 62196 [4]. Зарядная станция для электромобилей с напряжением до 600 В постоянного тока и величиной тока до 125 А, соответствующая данному стандарту, обеспечивает заряд высоковольтной Li-ion батареи (220 или 400 В) до 80 % номинальной ёмкости за 30 минут. В этом режиме необходимо контролировать напряжение на аккумуляторе, ток заряда и температуру аккумулятора. Иногда добавляется контроль времени заряда (тайм-аут). В целом для безопасной эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей процесс заряда-разряда должен контролироваться системой с электронным блоком, в частности, недопустимо понижение напряжения на каждом элементе батареи менее 2,75 В, а при заряде - повышение более 4,2 В.

Нами создана информационно-управляющая система для мониторинга аккумуляторных батарей, программная часть которой выполнена в среде LabVIEW. Измерительный прибор отображает следующие параметры состояния батареи:

- напряжение в процессе заряда-разряда;

- ток заряда-разряда;

- зарядная и разрядная ёмкость;

- отданная или принятая энергия.

В процессе мониторинга аккумуляторной батареи виртуальный прибор измеряет напряжение U и ток Ii на фиксированном временном отрезке Aii, который задаётся перед началом мониторинга в виде параметра «отсчёт, мин». С измеренными значениями

напряжения и тока и пересчитанным в часы временным отрезком Л^ вычисление параметров батареи в процессе заряда-разряда выполняется по следующим соотношениям: - ёмкость батареи

- мощность заряда-разряда

- отданная или принятая энергия

Форма напряжения, тока и параметров аккумуляторной батареи в режиме заряда приведена на рис. 4, а в процессе разряда - на рис. 5.

Высокая степень надёжности автономных источников питания постоянного тока достигается благодаря использованию в качестве гарантированного источника постоянного тока аккумуляторных батарей с зарядными устройствами и средств мониторинга (диагностики) состояния аккумуляторной батареи в режиме заряда-разряда. Необходимость обеспечения длительной безопасной работы аккумуляторных батарей требует поиска и исследования вариантов структур источников электрической энергии, обеспечивающих ускоренный заряд аккумуляторных батарей с возможностью использования на электроподстанциях и транспортных средствах.

Постоянный мониторинг основных параметров литий-ионных аккумуляторных батарей способствует их безопасной эксплуатации на цифровых подстанциях и транспортных средствах.

№ 2662) 2015, март-апрель

redaktor@endf.ru

Рис. 4. Панель измерительного прибора в режиме заряда

Предложенная информационно-управляющая система для контроля аккумуляторных батарей обеспечивает точный мониторинг таких параметров, как напряжение заряда и разряда, величина зарядных и разрядных токов, температура на эле-

Рис. 5. Панель измерительного прибора в режиме разряда

ментах при зарядных процессах в режиме реального времени с выбранной дискретностью. Информация о состоянии батарей может направляться диспетчеру подстанции или использоваться микроконтроллером транспортного средства для управления режимом заряда-разряда.

Литература

1. СТО 56947007-29.120.40.041-2010. Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования. - ОАО «ФСК ЕЭС», 2010.

2. Гуревич В. И. Устройства электропитания релейной защиты: проблемы и решения. - М.: Инфра-Инженерия, 2013. - 288 с.

3. ГОСТ Р 41.83-2004 (Правила ЕЭК ООН № 83). Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей. - М.: ВНИИНМАШ и НИЦИАМТ, 2004.

4. ГОСТ Р МЭК 62196-1-2013. Вилки, штепсельные розетки, соединители и вводы для транспортных средств. Кондуктивная зарядка для электромобилей. Ч. 1. Общие требования. - Стандартинформ, 2014.

5. ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения. - Стандартинформ, 2008.

Stand-alone DC power sources for digital substations and electric vehicles D. V. Zhmatov,

Moscow Institute of Energy-Safety and Energy-Economy,

head of the department of electrical engineering and electronics, PhD

T. I. Kuznetsova,

Moscow State Technical University MAMI, associate professor, PhD V. P. Gorkin,

Moscow State Technical University MAMI

We consider safety aspects of Li-ion batteries for stand-alone DC power sources on substations and electric vehicles. Also we present the informational and metering control system applicable for Li-ion batteries which is intended to visualize their operational modes and monitor main battery parameters.

Keywords: operating DC voltage system, Li-ion battery, charger.

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru

№2 (62)2015, март-апрель