三元鋰離子電池在變電站直流應急電源中的應用

孔德全，黃小龍，薛少華，王超，狄恒敬

（國網銀川供電公司，銀川 750000）

1 引言

三元鋰離子電池（以下簡稱“三元電池”）對應的能量密度，是指其單位存儲空間的電能放出量。電池能量密度參數較高時，單位存儲空間內電池具有較強的電量存儲能力。預計到2025年，三元電池的單個能量比值將會達到500 W·h/kg。為此，將三元電池添加在直流應急電源程序中，借助其優異的能量密度、較強的電能放出能力，可保證直流應急電源的供應質量。

2 三元電池概述

三元電池是一種以鎳鈷錳酸鋰為原材料制成正級材料的鋰電池，電池生產期間主要使用錳鹽、鈷鹽等用料，據實分配“鎳鈷錳”的用料比例。三元電池的使用優勢如下。

1）三元電池表現出較高的電壓平臺特點。電壓平臺是判斷電池儲能密度的關鍵因素，直接關聯于電池使用效果。為此，電池原材料的選擇，是保證電池性能的關鍵流程。如果三元電池的電壓平臺參數較高，電池就能表現出較大的供電續航里程。三元電池與鉛酸電池相比，其電壓平臺較高，參數最大值達到4.2 V，放電平臺參數約為3.6 V。

2）能量密度較高。三元電池表現出較強的電量存儲能力，儲電能力最大值為460 W·h/kg，等同于鉛酸電池的5倍。

3）三元電池的供電時間較長，電池使用時間的平均值為3 a，電池壽命最大值會超過6 a。鉛酸電池具有循環使用特點，循環供電次數最大值為300次。而三元電池的循環供電次數不小于5000次。

4）三元電池的自主放電率（每月）＜1%。較低的放電能力是三元電池的供電優勢。

5）質量輕便。相同容量大小的電池，三元電池的質量m，遠小于鉛酸電池的質量n，大小關系為：n=（4~5）m。

6）三元電池表現出較強的環保性。電池使用、電池廢棄各環節，不會生成有害物質。

7）環境干擾作用小。三元電池在-20~60℃均可正常供電。對三元電池進行工藝優化后，三元電池可用于-45℃環境中。

3 三元電池與其他電池的性能比較

3.1 三元電池的使用特點

36 V三元電池的充電特點如表1所示。

表1 36 V三元電池的充電特點

當充電溫度為55℃時，電量補充后，鉛酸電池的使用時間為2.5 a，遠小于三元電池的可用時間。

100 A·h三元電池的電量放出特點如表2所示。

表2 100 A·h三元電池的放電電壓V

多數情況下，電量放出的電流參數可使用放電倍率進行表達，存在的倍率關系如式（1）：

如果電池的標準容量為100 A·h，電池放出電量的電流為20 A，則放電倍率=20×100-1=0.2C。由表2發現：當三元電源處于0.2C、0.5C兩個放電倍率時，放電時間為20~80 h的用電時間內，放電的電壓不小于3.20 V，整體放電能力平穩，并未發生較大的電壓變化。三元電池持續放電達到100 h時，會出現電壓逐漸降低現象，放電至110 h會降至電壓最小值，約為2.5 V。

3.2 使用時間對比

在室內溫度環境中，鉛酸電池使用時，標準電量選擇100 A·h，充電與放電倍率設為0.1C，電池可循環使用170次，電池內未放出的電量占比電池儲電容量的75%。標準電量相同的三元電池，設定充電與放電倍率參數為0.4C，可進行1 370次循環用電，電池內未放出電量占比初期100%電量的84.5%。兩種電池的剩余儲電量均高于70%，三元電池可進行不少于1 000次的循環用電。由此發現：三元電池相比鉛酸電池，循環用電次數多于1 370×170-1=8.05倍，電池循環使用能力較為優異[2]。

3.3 溫度屬性對比

55℃溫度條件下，鉛酸電池的標準電量選擇100 A·h，充電與放電倍率設計為0.1C，可進行循環供電130次，未放出電量等同于初期電量的65%。三元電池用于55℃環境溫度中，標準電量選擇100 A·h，充電與放電倍率設計為0.4C，可循環使用1 060次，剩余電量占比75%。由此發現：在55℃高溫條件下，三元電池的循環使用次數，相當于鉛酸電池的1 060×130-1=8.15倍，三元電池表現出優異的耐高溫性能。

3.4 放電能力對比

表3是三元、鉛酸兩種電池在各溫度工況下的放電能力。

表3 三元、鉛酸兩種電池在各溫度工況下的放電能力%

由表3對比發現：零上溫度條件下，等同的放電溫度，三元電池的放出電量較多。

4 將三元電池用于變電站備電體系的積極作用

4.1 保證供電質量

應急電源可用于短時供電平穩電源，保證系統檢修、應急問題處理的供電質量。蓄電池組如果存在異常問題，或者蓄電池需進行100%容量核實，可連接臨時供電程序，開啟備用電源，將其連接于直流系統，關閉蓄電池，進行脫線檢修處理。改動變電站的供電程序，會引起直流電源程序發生供電不暢問題。以平穩供電為出發點，創建備用電源體系，引入應急電源，增加直流電源的持續性。在備用電源體系中，蓄電池占據關鍵位置，應具備較強的高溫耐受性、電量傳輸平穩性、較長的電池使用時間、較高的放電深度等特點，以此保障應急供電質量。移動式電池應增設保護功能，防止電池放置形成的儲電能力喪失問題。以節能用電為方向，加強電池養護。三元電池的引入，可有效降低蓄電池使用次數。三元電池可用于運維半徑較高、站點數量較多的變電站，以其較小的規格、平穩的供電能力，切實提升電網運行質量，增加供電效率。

4.2 改善電池功能

變電站使用電池時，電池會表現出“過充”“過放”的電量充放異常問題。鉛酸電池的持續充電、持續放電，會縮短電池的使用時間。三元電池表現出優異的循環用電能力，較強的高溫耐受性，相比鉛酸電池性能更優異，適用于變電站備電體系。移動電源車的項目設計，可選擇直流電源的供電形式，利用三元電池較強的電能密度、攜帶便捷等優勢，有效降低電流沖擊作用，提升電池運維便利性。

4.3 給予供電保障

三元電池增設了3項電力輸出的保護機制，增強應急供電的有效性，以此保障三元電池供電質量。（1）依據用電數據的采集結果，進行電池儲電分析，針對蓄電池供電的不利問題，給予聲光預警反饋。（2）采取總線開關設計，參照定值設計結果，參數超出界限后，需關閉蓄電池組。（3）蓄電池保護機制無效時，三元電池正面加裝保護板，應對短路、過壓等問題，直接切斷供電程序，保證供電安全[3]。

5 直流應急電源系統的設計方案

5.1 直流應急電源系統的設計理念

移動發電車表現出較強的供電優勢，使用直流電源的供電形式，借助三元電池的較強電能密度特征，提升變電站直流程序的優化質量，保證蓄電池替換順暢，是一種優異的小直流供電工具。如果蓄電池電量放出的時間不充足，可采取電站充電措施。直流應急電源系統的投入資金較少，需進行直流應急電源系統的合理設計。直流應急電源系統的產品用途：可用于重要會議的供電防護；蓄電池替換、容量核定期間，將蓄電池連接至直流程序，用作備用電源；直流系統優化設計、供電單元故障檢測期間，可接入此供電產品。此款直流應急電源系統產品，蓄電容量介于20~80 A·h，輸出電流為0~80 A，標準功率分布在2 200~8 800 W。

5.2 供電設計模型

直流應急電源系統的使用，可參照電網負荷點位，給出優化設計方案，旨在控制電網停電帶來的損失。應急發電車的設計模型如式（2）所示：

式中，F為直流應急電源系統供電后減少的損失總數；F1為較大的停電事故中，負荷節點減少的損失總數；F2為直流應急電源系統運行產生的成本總數。

較大停電事故引起的各負荷節點供電損失總數，其計算方式如式（3）：

式中，n為節點數量；Ci為i負荷位置產生的節點損失系數；Li為i節點位置的重要性；Xi為i節點位置的直流應急電源系統配置規劃，如果i節點位置添加了直流應急電源系統，則參數為1，未添加直流應急電源系統時參數為0；Pi為i節點位置傳出的有功功率參數。

直流應急電源系統的投入成本算法如式（4）：

式中，C2為單輛應急發電車的投入成本總數，包括直流應急電源系統的前期投入資金、供電成本、運維成本等，取常數。

應急發電車用于系統中，是為了更好地保持供電平穩性，補救意外停電帶來的經濟損失。上述方案中，F表示應急供電期間補救的經濟收入。F1是停電期間補救的收入總數，F2是應急發電車的運維支出。使用實際應急供電的收入總量，減去應急發電車運行的各項成本，即可獲得停電期間應急發電車的實際創造效益。此模型能夠反映出應急發電車的使用價值，展現出應急發電車的使用意義。

5.3 直流應急電源系統供電模塊

直流應急電源系統的充電模塊組成有充電設備，可進行交流電的有效轉化，使其轉變成直流電；電量轉換單元；充電監控單元，可保證充電程序的安全性；直流充電的數據反饋程序。

6 結語

綜上所述，變電站中利用應急電源開展各項運維工作，逐漸成為變電站供電優化的主要任務，直流電源系統應盡快完成供電體系的升級。將三元電池用于變電站供電程序中，可增加備用電源的供電能力，展現出供電便捷性、電量智能監控等優勢，可保證變電站供電安全，防控電網運行異常，順應節能用電的規劃理念。