站用直流系統(tǒng)鋰電化改造應(yīng)用研究

曹斌，代文良，陳瑞珍

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

現(xiàn)有變電站用直流電源系統(tǒng)監(jiān)控體系分散，缺少狀態(tài)綜合判斷功能，對直流母線脫離蓄電池、直流母線脫離充電機等重要故障難以檢測[1－2]。裝置彼此信息不能共享，難以實現(xiàn)對整站直流電源系統(tǒng)的全面監(jiān)測、綜合分析、安全操控、智能維護及全景展示。未來，變電站既是電力物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是“三站合一”等新興業(yè)務(wù)的落地場景，直流電源作為重要的站內(nèi)供電保障設(shè)備[3]，既要支撐全站安全、穩(wěn)定、智能化運行，其本身也需實現(xiàn)高可靠、高安全和智能化。

變電站直流電源系統(tǒng)多采用閥控式密封鉛酸蓄電池[4－5]，其工作電流范圍小，笨重搬運和維護不便，極板腐蝕、電解液干涸等隱蔽缺陷難以發(fā)現(xiàn)[6－7]，單體開路問題突出，是電網(wǎng)的一大安全隱患，這些鉛酸蓄電池本征缺陷所引發(fā)的問題，難以通過監(jiān)測、智能維護等應(yīng)用層面的技術(shù)手段進行解決。近年來，鉛酸蓄電池隨著中標價格的降低，質(zhì)量出現(xiàn)明顯下降趨勢，平均有效壽命只有4～5年[8]，不足設(shè)計壽命的一半，其性能和智能化程度均不能滿足電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求。而磷酸鐵鋰電池壽命長，備電日歷壽命可達10～12年、溫度特性好，可在－10～55℃的環(huán)境溫度下正常工作[9－10]，隨著電池工藝以及市場產(chǎn)能和電池質(zhì)量的提升，被視為鉛酸蓄電池的理想替代。

本文介紹磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用場景，分析磷酸鐵鋰電池在某110 kV變電站備電應(yīng)用情況。通過磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池性能對比分析，磷酸鐵鋰電池作為變電站備電，在安全性、壽命、高倍率充放電、高溫性能、能量密度、安全環(huán)保等方面存在明顯優(yōu)勢，對兩者的技術(shù)經(jīng)濟進行比較，總結(jié)出磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池具有較高的可行性和經(jīng)濟性。

1 磷酸鐵鋰電池應(yīng)用情況

鋰離子電池作為一種新型電化學(xué)電池，其能量密度高、功率特性好、壽命較長、材料體系靈活多樣，復(fù)雜運行工況適配性好，近年來在儲能系統(tǒng)、動力電源及備用電源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

尤其是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動鋰離子電池技術(shù)快速進步，產(chǎn)品性能快速提升，價格快速下降，極大推動了鋰離子電池規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用的進程。

1.1 磷酸鐵鋰電池在儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

由磷酸鐵鋰電池所構(gòu)成的儲能系統(tǒng)，具有較強的擴展性、工況轉(zhuǎn)換快、安全環(huán)保、運行靈活且效率高等優(yōu)勢，目前作為儲能電池在可再生能源發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、分布式發(fā)電等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[11]。在我國已投運的電化學(xué)儲能電站中，采用磷酸鐵鋰電池占比達到80%。作為儲能用的磷酸鐵鋰蓄電池通過單體電池串并聯(lián)組成電池堆，容量一般在幾百千瓦至幾十兆瓦，電池堆通過AC/DC模塊和變壓器接入電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的實時存儲與反送，從而達到電能的高效利用和削峰填谷的目的。圖1為鋰電池在電網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用接線簡圖，從應(yīng)用情況來來看，磷酸鐵鋰電池作為儲能電池可組成大容量儲能設(shè)備，實現(xiàn)大電量的穩(wěn)定存儲和釋放，其安全性、可靠性和循環(huán)壽命等性能得到實際檢驗。

圖1 儲能系統(tǒng)接線簡圖

1.2 磷酸鐵鋰電池在動力電源系統(tǒng)的應(yīng)用

電動汽車對其動力電池要求很高，既要有足夠的能量來滿足一定的駕駛周期和行駛里程，提供能達到車輛指定加速性能所需要的最大功率，又需要具備很高的安全性、較長的循環(huán)壽命和較強的短時充放電能力。而磷酸鐵鋰電池能量密度較高[12]，循環(huán)壽命長、安全性好，具備高倍率充放電能力，是較為理想的動力電源之一，已被廣泛應(yīng)用于電動汽車等行業(yè)中，其綜合性能優(yōu)勢在應(yīng)用中也得到了充分驗證。截至2020年底，我國70%的電動汽車采用磷酸鐵鋰電池作為動力電源，對于涉及到大量人員生命安全的電動大巴或公交車，國家政策強制要求使用磷酸鐵鋰電池作為動力電源。

1.3 磷酸鐵鋰電池在變電站直流電源系統(tǒng)的應(yīng)用

磷酸鐵鋰電池在變電站備用電源中應(yīng)用情況較少，只有個別試點應(yīng)用[13－14]。例如，某110 kV變電站配置并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)一套，直流系統(tǒng)電壓110 V，蓄電池12 V/200 A·h，設(shè)置3段直流母線，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分別設(shè)置8個、8個、4個并聯(lián)直流蓄電池組件，其中Ⅰ、Ⅱ段采用鉛酸蓄電池，Ⅲ段采用磷酸鐵鋰電池。對磷酸鐵鋰電池充電采用間歇式充電模式進行管理，充電策略為:正常情況下，并聯(lián)電池模塊對磷酸鐵鋰電池進行限流恒壓均充，待電池的極柱電壓達到設(shè)定的均充電壓14.1 V時，或均充累計時間達到設(shè)定的均充保護時間時，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為充電完成；關(guān)閉充電變換器，模塊停止對電池進行充電，但電池的放電回路不受影響，當(dāng)電池的極柱電壓下降至13.45 V時，模塊又轉(zhuǎn)換為均充充電系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 某110 kV變電站并聯(lián)直流電源系統(tǒng)圖

該套直流電源系統(tǒng)的電池均通過并聯(lián)電池組件升壓至115 V，并進行充放電管理。在小電流實際放電(放電倍率為0.1C，如圖3(a)所示)時，兩種電池放電時間分別為10.22 h和9.74 h，基本達到標稱容量；當(dāng)放電倍率提高至0.5C(如圖3(b)所示)時，鉛酸蓄電池放電時間0.98 h，放電容量僅為標稱容量的49.0%，而磷酸鐵鋰電池則表現(xiàn)出遠超鉛酸蓄電池的大電流放電能力，其放電時間達到1.96 h，放電容量為196.4 A·h，是標稱容量的98.2%。

圖3 磷酸鐵鋰電池和鉛酸蓄電池的電壓變化曲線

2 磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池性能對比

2.1 鉛酸蓄電池存在問題

目前變電站、配電自動化終端、通信基站等基本采用閥控式密封鉛酸蓄電池[15]，根據(jù)現(xiàn)有鉛酸蓄電池招標技術(shù)規(guī)范要求和設(shè)備部運行維護操作規(guī)程，電力設(shè)備用鉛酸蓄電池的使用壽命應(yīng)達到6～8年，現(xiàn)有鉛酸蓄電池雖標稱壽命6年，但在現(xiàn)場運行維護，實際運行壽命一般都在3年以下，甚至有些壽命短于1年。以配電自動化終端為例，據(jù)2019年華中地區(qū)某省調(diào)查結(jié)果顯示，在抽檢的5 000余只電池中，有2 000只出現(xiàn)了不合格的情況，主要表現(xiàn)為容量不足、內(nèi)阻過大等，不合格率達到36%，且投運越久不合格率越高，投運3年以上的電池不合格率達到90%以上。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是由其材料體系和本征特性決定，鉛酸蓄電池材料體系和結(jié)構(gòu)設(shè)計存在極板裂化、電解液失水、酸液腐蝕等問題，造成其壽命較短。加之鉛酸蓄電池內(nèi)阻高，耐溫性能不佳，設(shè)備操作和后備電源有很多運行在戶外，溫度環(huán)境較為惡劣，如配電自動化終端后備電源，在中東部地區(qū)，夏季運行環(huán)境溫度達50℃，三北地區(qū)冬季環(huán)境溫度達－40℃以下，這都對鉛酸蓄電池耐高低溫性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。研究表明，自室溫起，溫度每上升10℃鉛酸蓄電池壽命下降一半，低溫至0℃時，鉛酸蓄電池會出現(xiàn)嚴重電量虧損，壽命也大大縮短，可見鉛酸蓄電池難以滿足電力系統(tǒng)特殊高低溫應(yīng)用要求。另外，鉛酸蓄電池系統(tǒng)沒有類似鋰離子電池的專門管理系統(tǒng)，日常監(jiān)管維護主要依賴人工巡查和定期人工核容的方式，耗費大量人力，大幅提升了電池系統(tǒng)運行維護成本，而且還易出現(xiàn)由于人員疏忽和監(jiān)管不到位造成的電池失效和故障。

2.2 磷酸鐵鋰電池性能特點分析

橄欖石結(jié)構(gòu)LiFePO4，是聚陰離子框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)基元是LiO6八面體、FeO6八面體和PO4四面體，磷酸根中強的P―O共價鍵在完全充電狀態(tài)下穩(wěn)定了氧原子，避免其被氧化生產(chǎn)氧氣而釋放，該結(jié)構(gòu)的存在使得LiFePO4成為一種安全的正極材料，磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)圖

因此磷酸鐵鋰電池作為鋰離子電池家族中一種高安全高比能的電池，與鉛酸電池相比有如下優(yōu)勢:

1)安全性高。磷酸鐵鋰晶體中的P－O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性，且在實際操作的針刺或短路實驗中發(fā)現(xiàn)有小部分樣品出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，但未出現(xiàn)一例爆炸事件。磷酸鐵鋰電池的過充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池也大有改善。

2)壽命改善。長期浮充狀態(tài)下磷酸鐵鋰電池壽命較長。作浮充用時，在環(huán)境溫度20℃條件下，2 V GEL鉛酸蓄電池壽命是10年，而磷酸鐵鋰電池壽命是20年，是2 V GEL鉛酸蓄電池的2倍。充放電循環(huán)情況下，在環(huán)境溫度25℃和100%循環(huán)深度條件下，2 V GEL鉛酸蓄電池0.15C充放電，循環(huán)次數(shù)只有500次，而磷酸鐵鋰電池1C充放電，循環(huán)次數(shù)可達2 000次以上，超過2 V GEL的4倍。

3)高倍率充放電性能。磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40 min內(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達2C，而鉛酸蓄電池?zé)o此性能。GEL鉛酸蓄電池最大持續(xù)放電電流小于0.2C，當(dāng)持續(xù)放電電流為0.5C時，放電放出的容量僅為0.1C的55%左右。對于相同容量完全充電的磷酸鐵鋰電池，在相同的溫度下，采用不同倍率的放電電流，其放電輸出特性非常穩(wěn)定。如圖5所示為某200 A·h磷酸鐵鋰電池的放電曲線圖，不管哪種放電率，放電過程中電壓是很平坦的，只有快到終止放電電壓時，曲線才迅速向下彎曲。

圖5 磷酸鐵鋰電池放電曲線

由于磷酸鐵鋰電池比鉛酸蓄電池具有更高倍率的放電性能，進行容量計算時不能完全參照DLT 5044—2014?電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中給出的鉛酸蓄電池容量換算系數(shù)。在滿足變電站事故全停電時間內(nèi)的同等放電容量下，磷酸鐵鋰電池可以配置比鉛酸蓄電池更小的容量。以無人值班變電站配置一組200 A·h閥控式密封鉛酸蓄電池為例，根據(jù)DLT 5044—2014?電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中容量換算系數(shù)計算公式:

式中，Kc為容量換算系數(shù)(1/h)；Kk為可靠系數(shù)，取1.40；It為事故放電時間t的放電電流，A；C10為蓄電池10 h放電率標稱容量，A·h。

由該規(guī)程可知2 h事故放電時間下，放電終止電壓1.85 V的閥控密封式鉛酸蓄電池容量換算系數(shù)為0.344，則由式(1)計算可知無人值班變電站200 A·h閥控式密封鉛酸蓄電池的事故持續(xù)放電2 h的放電電流約為50 A。由圖5中磷酸鐵鋰電池放電曲線可知，滿足50A放電電流持續(xù)放電2 h情況下只需配置大于100 A·h的磷酸鐵鋰電池容量即可，因此鉛酸蓄電池鋰電化改造時參照鉛酸蓄電池容量換算系數(shù)進行計算，易造成選擇容量偏大，需重新評估容量換算系數(shù)。

4)高溫性能好。鉛酸蓄電池高溫特性差，一般溫度相對于25℃每升高10℃，鉛酸蓄電池壽命將縮短一半，在環(huán)境溫度60℃時鉛酸蓄電池已無法正常工作。浮充狀態(tài)下，在環(huán)境溫度40℃時，GEL鉛酸蓄電池壽命只有2.5年，而磷酸鐵鋰電池壽命是10年，是GEL鉛酸蓄電池的4倍。作循環(huán)使用時，為保證循環(huán)次數(shù)，環(huán)境溫度超出30℃時，鉛酸蓄電池需用空調(diào)降溫，增加空調(diào)成本和空調(diào)能耗，而磷酸鐵鋰電池在環(huán)境溫度45℃以內(nèi)，可用風(fēng)扇散熱，即使在環(huán)境溫度55℃和100%循環(huán)深度條件下，磷酸鐵鋰電池3C充放電循環(huán)還能達到1 000次。

5)大容量且無需活化。能量密度是指一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度是指平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。在相同體積下，磷酸鐵鋰電池的能量密度是鉛酸蓄電池的3～4倍。因此在電池容量相等的情況下，磷酸鐵鋰電池比鉛酸蓄電池的體積更小，重量更輕。相同容量的磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池相比，體積上減少25%～30%，重量上減少50%～60%。在當(dāng)前變電站集約化設(shè)計的趨勢下，用于放置兩組蓄電池的空間越來越小，因此能量密度大、體積小的磷酸鐵鋰電池優(yōu)勢突出。鉛酸蓄電池的極板不可逆轉(zhuǎn)地會發(fā)生硫化，只有在一個季度或半年給電池做一次大電流放電來使硫酸鉛溶解。對于磷酸鐵鋰電池，由于極板之間是完全隔離的，所以可以長期放置，不需要活化。

6)安全、環(huán)保。電池本身就是一種化學(xué)物質(zhì)，所以有可能會產(chǎn)生兩種污染:一是生產(chǎn)工程中的工藝排泄物污染；二是報廢以后的電池污染。鉛酸蓄電池主要原料是鉛與硫酸，生產(chǎn)和使用過程中對環(huán)境的污染比較嚴重。鉛酸蓄電池造成的環(huán)境污染，主要發(fā)生在企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)過程和回收處理環(huán)節(jié)，而磷酸鐵鋰電池對環(huán)境無污染、無毒，符合ROHS強制標準規(guī)定，更環(huán)保。

鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池性能對比見表1，磷酸鐵鋰的安全性、可靠性和循環(huán)壽命等各方面性能優(yōu)異，適宜作為變電站后備電源推廣應(yīng)用。

表1 鉛酸蓄電池與磷酸鐵鋰電池性能對比

3 磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池技術(shù)經(jīng)濟比較

3.1 采購成本比較

根據(jù)市場詢價，磷酸鐵鋰電池每瓦時(能量)價格在1.5～2元，而根據(jù)某電力公司協(xié)議庫存中標電池價格，鉛酸電池每安時(容量)價格在1～2元。以220 V、200 A·h蓄電池組為例，鉛酸蓄電池組價格約為2～4萬元(104×200×1～104×200×2)，磷酸鐵鋰電池組成本約為6.6～8.8萬(220×200×1.5～220×200×2)，磷酸鐵鋰電池組BMS系統(tǒng)1.2萬元/套，鉛酸蓄電池巡檢裝置0.6萬元/套，整組磷酸鐵鋰電池價格大約為鉛酸蓄電池組價格的2倍左右。

3.2 安裝成本比較

磷酸鐵鋰電池體積小、重量輕，組屏布置時占用屏位較少，每200 A·h磷酸鐵鋰電池只需組屏1面，而同容量鉛酸蓄電池需組屏2面，電池容量在300 A·h及以上時，鉛酸蓄電池需設(shè)置專用蓄電池室，而磷酸鐵鋰電池則不需要。綜合評估下，磷酸鐵鋰電池的占地及安裝成本約為鉛酸蓄電池的1/2左右。鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池其他成本對比見表2。

表2 鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池成本對比

綜上可知，前期的設(shè)備采購和安裝總成本，兩種蓄電池差別不大，并且隨著磷酸鐵鋰電池應(yīng)用規(guī)模不斷擴大其邊際成本不斷遞減。在后期的全壽命周期維護中，磷酸鐵鋰電池憑借其長循環(huán)壽命、免維護、性能穩(wěn)定等特點，其全壽命周期成本為鉛酸蓄電池的一半左右，應(yīng)用經(jīng)濟價值凸顯。

4 結(jié)語

以站用直流系統(tǒng)蓄電池為研究對象，分析傳統(tǒng)鉛酸蓄電池存在的缺點以及磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池的可行性，并進行如下總結(jié)與展望:

1)磷酸鐵鋰電池具有較好的安全性能、較長的循環(huán)壽命，能量密度高，無毒，無污染，原材料來源廣泛，綜合優(yōu)勢顯著。在通信、儲能、軌道交通及電動汽車等行業(yè)應(yīng)用廣泛，取得了較高的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，其安全性、可靠性和循環(huán)壽命等各方面性能均得到較長時間的實踐檢驗。在技術(shù)成熟度、產(chǎn)品可靠性、工程應(yīng)用示范等方面，磷酸鐵鋰電池在功能上已經(jīng)能完成變電站鉛酸蓄電池替代。

2)磷酸鐵鋰電池直流電源系統(tǒng)的全壽命周期成本較低。就電池本身而言，目前同容量的磷酸鐵鋰電池成本是鉛酸蓄電池的2倍左右，但磷酸鐵鋰不需要設(shè)置，運行中維護簡單，且基本不需要進行核對性充放電試驗，因此，從全壽命周期來看，磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)具有優(yōu)勢。

3)磷酸鐵鋰電池用于變電站時容量換算系數(shù)缺乏試驗依據(jù)，參照鉛酸蓄電池容量換算系數(shù)進行計算，易造成選擇容量偏大，需要進一步對電池樣本進行一系列實測，確定鋰電池的各種曲線、系數(shù)等重要數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)試驗和資料整理，確定其在電力工程中容量計算等相關(guān)技術(shù)要求。