宋兵兵

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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

關鍵詞：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，是推進交通發展模式轉變的載體。發展電動汽車是貫徹國家能源戰略、落實節能減排政策、參與建設資源節約型和環境友好型社會以及履行社會責任的重大戰略舉措。電動汽車充換電站建設是其重要組成部分。

位于青島市黃島區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、規模及服務能力的電動汽車充換電站。作為國家電網電動汽車示范電站，其在國內外實現集公交車充換電、乘用車電池集中充電及儲能應用于一體，在電動汽車充換電設施建設中具有里程碑意義。

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部一次接線方式、二次設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的繼電保護配置方案。該配置方案保證了系統的安全穩定運行和充換儲放一體電站內部的電池等重要設備的穩定運行，對充換電站建設起到了示范效應。

1電站系統簡述

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，站內有兩臺容量均為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

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

充電站梯度電池采用標準電動汽車電池，參數為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，確保在電站向主網系統逆向放電過

程中發生故障時能快速、可靠切除故障，既要保證系統的安全穩定運行，又要保證充換儲放一體電站內部的電池等重要設備不受損害。

2.1 400V系統保護功能配置

從層次上劃分，400V系統逆向放電系統的保護分為三層，分別為模塊級保護、裝置級保護及系統級保護。模塊級保護主要包括IGBT驅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部故障而觸發的過電

流、過溫及過電壓等保護;系統級保護主要指逆向放電監控系統通過監控系統的狀態觸發的保護。

從實現途徑上劃分，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。當裝置檢測到上述緊急故障后，應立即封所有功率單元IGBT脈沖，跳直交流兩側接觸器，停機告警。故障切除后，需要手動復歸故障標志，放電模塊方可繼續投入使用。

考慮1.2倍額定容量過載且為了確保器件安全，AC/DC交流側電流硬件保護將交流電流門檻值設定為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。

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

定時限保護設有動作定值和延時定值，為系統檢測到嚴重故障，經延時定值確認后出口，封所有功率單元IGBT脈沖，系統轉為故障狀態并告警，故障標志亦需故障后手動復歸確認。

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、恢復并網保護、輸出直流分量超標保護及相序錯誤保護等。

2.2 10kV系統保護功能配置

充換儲放一體電站在設計初期就針對10kV并網線保護配置方案進行了多次探討，終確定在按常規用戶變電站保護設置的基礎上，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系統故障時，放電裝置能快速切斷與系統的連接，不會對系統的繼電保護產生不利影響。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，為電力電子變換設備，內部的功率器件的控制速度快。在系統出現故障的時候，首先閉鎖相關器件的驅動脈沖，阻斷電池與電網之間的功率交換，保護動作時間在幾十微秒左右，然后分斷交直流側的接觸器，完全斷開與電網之間的電氣聯系，動作時間在20～30ms。

2)系統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，且有別于發電機設備。發電機的轉動慣量大，并網點系統電壓跌落的時候可能出現輸出電流增加。而放電裝置具備限功率輸出功能和快速的響應特性，在系統電壓跌落時不會附加系統的短路電流。因此在進行短路阻抗和短路電流計算時，不應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微電網分布式電源、市政電源、儲能系統、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態實時監視、智能預測、動態調配，優化策略，診斷告警，可調度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業微電網能效管理數字化、安全分析智能化、調整控制動態化、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濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網運行效率。

3.2應用場所

適用于分布式光伏、儲能、光儲充電站建設，多個新能源站點的運營管理、運維服務、節能管理，工業園區，零碳工廠的建設空間。

3.3平臺組織架構

平臺采用開放的分層分布式網絡結構，主要由設備層、傳輸層、數據層、應用層組成。

設備層主要由各種監控、計量、保護、治理以及轉換設備和就地子系統組成，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、電氣消防監控設備、浪涌監測設備等，以及光伏/風力發電系統、儲能系統等子系統，為各類設備或子系統提供多種通信及組網方式，滿足國家相關產品標準要求。

傳輸層的數據終端采用嵌入式系統，具有串口、網口、LoRa、光纖等多種數據通信接口，同時支持ModBus-RTU、IEC60870-5-103、DLT645-1997/2007、OPC、UA、BACNet、TCP/IP等多種通信協議，可兼容業內絕大部分智能設備。數據終端支持本地存儲，斷點續傳、失電報警功能，采集數據后經過壓縮、加密后上傳平臺，保證數據傳輸的穩定、安全、可靠。

平臺數據層顯示和存儲實時/歷史數據、報警、業務、操作日志等數據，并對外提供數據訪問接口供第三方系統使用，具備強大的數據接收、處理、展示、存儲和訪問能力。具有權限的用戶可通過PC、PAD、手機等各類終端設備訪問數據、接收報警信息，并根據要求對企業微電網設備進行巡檢，平臺整體結構如圖所示。

3.4系統硬件配置

3.5安科瑞智慧能源管理平臺功能

3.5.1數字化展示

通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數據，快速了解能源運行情況。

3.5.2優化控制

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

3.5.3智能預測

結合氣象數據，歷史數據對光伏、風力發電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統和負荷控制實現優化調度，降低需量和用電成本。

3.5.4能耗分析

采集企業電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質消耗量，進行同環比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。

3.5.5有序充電

系統支持接入交直流充電樁，并根據企業負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯動控制，引導用戶有序充電，保障企業微電網運行安全。

3.5.6運維巡檢

系統支持任務管理、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，實現運維流程閉環管理。

4結語

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

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

2)對于10kV系統，在考慮放電系統完備的保護功能基礎上，除配置常規繼電保護，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調整。

參考文獻

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