站用直流系統鋰電化改造應用研究

曹斌，代文良，陳瑞珍

(國網湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

現有變電站用直流電源系統監控體系分散，缺少狀態綜合判斷功能，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，難以實現對整站直流電源系統的全面監測、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網的重要環節，也是“三站合一”等新興業務的落地場景，直流電源作為重要的站內供電保障設備[3]，既要支撐全站安全、穩定、智能化運行，其本身也需實現高可靠、高安全和智能化。

變電站直流電源系統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現[6－7]，單體開路問題突出，是電網的一大安全隱患，這些鉛酸蓄電池本征缺陷所引發的問題，難以通過監測、智能維護等應用層面的技術手段進行解決。近年來，鉛酸蓄電池隨著中標價格的降低，質量出現明顯下降趨勢，平均有效壽命只有4～5年[8]，不足設計壽命的一半，其性能和智能化程度均不能滿足電力物聯網應用要求。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℃的環境溫度下正常工作[9－10]，隨著電池工藝以及市場產能和電池質量的提升，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用場景，分析磷酸鐵鋰電池在某110 kV變電站備電應用情況。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、安全環保等方面存在明顯優勢，對兩者的技術經濟進行比較，總結出磷酸鐵鋰電池替代鉛酸蓄電池具有較高的可行性和經濟性。

1 磷酸鐵鋰電池應用情況

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

尤其是電動汽車產業發展，帶動鋰離子電池技術快速進步，產品性能快速提升，價格快速下降，極大推動了鋰離子電池規模化生產和應用的進程。

1.1 磷酸鐵鋰電池在儲能系統的應用

由磷酸鐵鋰電池所構成的儲能系統，具有較強的擴展性、工況轉換快、安全環保、運行靈活且效率高等優勢，目前作為儲能電池在可再生能源發電、電網調峰、分布式發電等領域中得到了廣泛應用[11]。在我國已投運的電化學儲能電站中，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，實現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為鋰電池在電網側儲能系統的應用接線簡圖，從應用情況來來看，磷酸鐵鋰電池作為儲能電池可組成大容量儲能設備，實現大電量的穩定存儲和釋放，其安全性、可靠性和循環壽命等性能得到實際檢驗。

圖1 儲能系統接線簡圖

1.2 磷酸鐵鋰電池在動力電源系統的應用

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，已被廣泛應用于電動汽車等行業中，其綜合性能優勢在應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的應用

磷酸鐵鋰電池在變電站備用電源中應用情況較少，只有個別試點應用[13－14]。例如，某110 kV變電站配置并聯型直流電源系統一套，直流系統電壓110 V，蓄電池12 V/200 A·h，設置3段直流母線，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分別設置8個、8個、4個并聯直流蓄電池組件，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定的均充電壓14.1 V時，或均充累計時間達到設定的均充保護時間時，狀態轉換為充電完成；關閉充電變換器，模塊停止對電池進行充電，但電池的放電回路不受影響，當電池的極柱電壓下降至13.45 V時，模塊又轉換為均充充電系統，如圖2所示。

圖2 某110 kV變電站并聯直流電源系統圖

該套直流電源系統的電池均通過并聯電池組件升壓至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]，根據現有鉛酸蓄電池招標技術規范要求和設備部運行維護操作規程，電力設備用鉛酸蓄電池的使用壽命應達到6～8年，現有鉛酸蓄電池雖標稱壽命6年，但在現場運行維護，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2019年華中地區某省調查結果顯示，在抽檢的5 000余只電池中，有2 000只出現了不合格的情況，主要表現為容量不足、內阻過大等，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。

出現上述現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構設計存在極板裂化、電解液失水、酸液腐蝕等問題，造成其壽命較短。加之鉛酸蓄電池內阻高，耐溫性能不佳，設備操作和后備電源有很多運行在戶外，溫度環境較為惡劣，如配電自動化終端后備電源，在中東部地區，夏季運行環境溫度達50℃，三北地區冬季環境溫度達－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。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特殊高低溫應用要求。另外，鉛酸蓄電池系統沒有類似鋰離子電池的專門管理系統，日常監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運行維護成本，而且還易出現由于人員疏忽和監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

橄欖石結構LiFePO4，是聚陰離子框架結構，其結構基元是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下穩定了氧原子，避免其被氧化生產氧氣而釋放，該結構的存在使得LiFePO4成為一種安全的正極材料，磷酸鐵鋰電池結構如圖4所示。

圖4 磷酸鐵鋰電池結構圖

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勢:

1)安全性高。磷酸鐵鋰晶體中的P－O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質，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現有小部分樣品出現燃燒現象，但未出現一例爆炸事件。磷酸鐵鋰電池的過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池也大有改善。

2)壽命改善。長期浮充狀態下磷酸鐵鋰電池壽命較長。作浮充用時，在環境溫度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。充放電循環情況下，在環境溫度25℃和100%循環深度條件下，2 V GEL鉛酸蓄電池0.15C充放電，循環次數只有500次，而磷酸鐵鋰電池1C充放電，循環次數可達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內即可使電池充滿，起動電流可達2C，而鉛酸蓄電池無此性能。GEL鉛酸蓄電池最大持續放電電流小于0.2C，當持續放電電流為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設計技術規程》中給出的鉛酸蓄電池容量換算系數。在滿足變電站事故全停電時間內的同等放電容量下，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DLT 5044—2014?電力工程直流電源系統設計技術規程》中容量換算系數計算公式:

式中，Kc為容量換算系數(1/h)；Kk為可靠系數，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進行計算，易造成選擇容量偏大，需重新評估容量換算系數。

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，在環境溫度60℃時鉛酸蓄電池已無法正常工作。浮充狀態下，在環境溫度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。作循環使用時，為保證循環次數，環境溫度超出30℃時，鉛酸蓄電池需用空調降溫，增加空調成本和空調能耗，而磷酸鐵鋰電池在環境溫度45℃以內，可用風扇散熱，即使在環境溫度55℃和100%循環深度條件下，磷酸鐵鋰電池3C充放電循環還能達到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量物質中儲存能量的大小。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%。在當前變電站集約化設計的趨勢下，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勢突出。鉛酸蓄電池的極板不可逆轉地會發生硫化，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、環保。電池本身就是一種化學物質，所以有可能會產生兩種污染:一是生產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，生產和使用過程中對環境的污染比較嚴重。鉛酸蓄電池造成的環境污染，主要發生在企業不規范的生產過程和回收處理環節，而磷酸鐵鋰電池對環境無污染、無毒，符合ROHS強制標準規定，更環保。

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、可靠性和循環壽命等各方面性能優異，適宜作為變電站后備電源推廣應用。

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經濟比較

3.1 采購成本比較

根據市場詢價，磷酸鐵鋰電池每瓦時(能量)價格在1.5～2元，而根據某電力公司協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用規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壽命、免維護、性能穩定等特點，其全壽命周期成本為鉛酸蓄電池的一半左右，應用經濟價值凸顯。

4 結語

以站用直流系統蓄電池為研究對象，分析傳統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，并進行如下總結與展望:

1)磷酸鐵鋰電池具有較好的安全性能、較長的循環壽命，能量密度高，無毒，無污染，原材料來源廣泛，綜合優勢顯著。在通信、儲能、軌道交通及電動汽車等行業應用廣泛，取得了較高的經濟效益、環境效益和社會效益，其安全性、可靠性和循環壽命等各方面性能均得到較長時間的實踐檢驗。在技術成熟度、產品可靠性、工程應用示范等方面，磷酸鐵鋰電池在功能上已經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具有優勢。

3)磷酸鐵鋰電池用于變電站時容量換算系數缺乏試驗依據，參照鉛酸蓄電池容量換算系數進行計算，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、系數等重要數據，通過系統試驗和資料整理，確定其在電力工程中容量計算等相關技術要求。