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摘要：本文重点介绍在变电站直流电源系统中使用磷酸铁锂电池代替阀控式铅酸电池的必要性，磷酸铁锂电池的优势及技术经济分析。
锂电池作为一种新兴储能元件，在交通、通讯、互联网、航天等各个领域都得到了广泛的应用。锂电池在储能系统中应用较多，并在储能系统已有成功运行经验，但是在变电站直流电源系统中尚处于试应用阶段。业内普遍担心的问题主要表现在两个方面：一是锂电池的可靠性、安全性等方面存在一定隐患，仍有待进行技术改进；二是电池的成本过高，会直接影响变电站直流电源系统的采购成本。针对以上问题，本文就锂电池在变电站直流电源系统中的应用进行一些探讨分析，供电力设计和直流电源制造参考。
一、直流电源电池更新换代的思考
直流电源系统作为变电站必不可少的设备，在控制、保护、照明等方面为提高变电站运行安全发挥着巨大的作用。目前，我国变电站直流电源所使用的电池普遍为阀控式密封铅酸蓄电池，较之前的普通防酸式铅酸蓄电池，在性能方面有了很大提高，且性能稳定，价格便宜。鉴于二十余年变电站的运行积累，已经形成了一套非常成熟的技术和运营规范，但铅酸电池由于自身的缺陷，在安全、寿命及环保方面仍存在许多不尽人意之处，主要有以下几个方面：
环保问题
如今，随着生产力的发展以及工农业现代化的普及，人们的环保意识逐渐增强，环保问题不仅成为人们生活中面临的最大问题，也成为制造业不可回避的问题。铅酸蓄电池含有重金属铅，在制造和使用过程中若密封不好，产生的电解液泄露会对人体和大气环境造成很大危害和污染，尤其是电池报废后，无法进行无害处理，将造成对环境的二次污染，这是不符合国家的环保政策的。
（1）寿命问题
阀控式铅酸蓄电池对运行环境温度要求高，正常情况下使用寿命只有5年时间，当温度变化范围大时，需要采取采暖和空调等措施，否则蓄电池使用寿命还将进一步降低。电池的寿命和其他设备寿命不匹配，不仅增加了使用成本，而且对变电站运行及维护也带来了一定的困难。
（2）安全问题
阀控式铅酸蓄电池充放电时间长，在过充情况下，会出现燃烧及爆炸的危险，给变电站带来一定得安全隐患，同时，酸蓄电池在浮充状态下，即使容量远低于标准容量，但测量的端电压、温度仍正常，电池无漏液，是不易发现电池异常的，一旦交流失电，电池会在短时间内发生容量“跳水”崩溃，无法保证给变电站控制、保护系统提供安全的不间断电源，将会给电力系统运行造成很大的潜在危险，对变电站可靠运行产生影响。
（4）其他问题
铅酸蓄电池能量重量比和能量体积比较低，占地面积大，同时对建筑物楼板承重要求较高，鉴于它存在的诸多问题，人们还是希望用性能较高的产品进行替代它。
锂电池作为电池家族的新成员，问世短短的0年时间已得到迅猛的发展。据研究调查，磷酸铁锂电池主要用于充放电储能，对于是否适用于变电站直流电源的浮充运行，在直流系统接线方式、电池运行安全性、蓄电池容量选择、短路电流计算、直流断路器选择性配合等方面都缺乏研究，目前国内外还没有磷酸铁锂蓄电池长期浮充电运行方式所需各种试验数据、参数，充放电曲线和可行性研究文献。同时尚有以下几个方面的问题需要解决：
（1）其他领域运行的磷酸铁锂电池频繁充放电运行方式，无法适应变电站直流电源对电池要求的浮充电运行方式，它仅简单地将阀控铅酸蓄电池的一套模式搬过来，不但浪费资源，而且存在安全隐患。
（2）现有磷酸铁锂电池设计原型是5小时放电率的启动型电池，其试验数据、曲线都不能适应变电站工程的设计、计算以及运行维护要求。目前，尚无一套完整的锂电池10小时放电率充放电特性曲线、温度特性曲线、电池内阻测试方法及蓄电池组内阻计算公式、电池容量换算系数及电池短路耐受电流能力等试验曲线、参数及计算方法。这使得电力设计部门望而却步，不敢在变电站直流电源工程中大胆选用。
（3）需要设计研究通过采用具有自均衡能力的电池、开发新型电池电压保护装置（BPD）及合适的充放电控制策略等方法，使锂电池在浮充或均充状态的端电压不均衡偏差在可控范围内，使电池组中电压上升较快的电池不会被过充电，其余电池还可正常充电最终达到均衡充电的效果。
（4）磷酸铁锂电池内阻远小于铅酸蓄电池，故障时短路电流大，这对电池本体安全性及直流设备选择都有影响。短时电流耐受问题有待解决。
（5） 磷酸铁锂电池在变电站推广应用必须提供完整的试验数据和计算方法，不能直接套用规程中铅酸蓄电池的技术参数和技术要求。磷酸铁锂电池持续浮充电运行安全性评估和措施也是至关重要的。
（6）为满足智能电网建设需求，需完善和提高变电站直流电源系统智能化功能，建立数据信息管理和通信平台，实时在线监测直流系统各种运行状态并进行预警，以满足远传信息通信安全的要求，并提高系统的智能化水平和智能运维水平。
如果以上问题能得到全面解决，磷酸铁锂电池在直流电源系统的应用将得到全面快速的发展。
二、锂电池优越性分析
为了更清楚的了解磷酸铁锂电池的优点，将磷酸铁锂电池与铅酸电池相关参数进行对比，其优越的技术性能主要表现在以下几个方面：
1、充放电快，见表1
表1 充放电比较
2、电池出口电压高
在（2～10）I10， 1min 放电阶段，FBL磷酸铁锂电池组出口电压比阀控式铅酸电池高出 （6%～10%）Un，蓄电池组出口电压差异随放电时间增加而增大（见表2）；
表2 1min放电性能
以1I10电流持续放电10小时，磷酸铁锂电池出口电压比阀控铅酸电池高出（5%～10%）Un，蓄电池组出口电压差异随放电时间增加而增大（见表3）。
表3 持续放电出口电压比较表
3、电池容量大
磷酸铁锂电池1小时放电率容量换算系数约为阀控密封铅酸电池的2倍、2小时放电率容量换算系数约为1.6倍。同等条件下，
磷酸铁锂电池组选择容量约为阀控式铅酸电池组容量的(1/2～2/3) （见表4图中铅酸电池的电池容量换算系数为国内铅酸电池制造企业参数值）。
表4 电池容量换算系数比较表
由此可见，磷酸铁锂电池与铅酸电池相比其性能优势还是非常明显的。
三、技术经济性探讨
通过上述分析，磷酸铁锂电池以其优越的技术性能在变电站的应用已经成为未来变电站直流电源的主要方向，但制约其在变电站应用的另一个主要原因是其技术经济性是否合理。单从单体锂电池价格来说其价格远远高于铅酸电池，但其综合效益是否优于铅酸电池并消除在电池采购成本过高带来的影响，这需要进行认真的分析。以下将从电池成本、运行、寿命及社会效益等方面对磷酸铁锂电池在变电站应用的技术经济性进行分析比较：
1、电池组价格比较
从表面上看，磷酸铁锂电池价格约为阀控式铅酸电池的4倍左右，但前文已经叙述过，在相同负荷条件下，磷酸铁锂电池计算容量约为阀控铅酸电池计算容量的1/2~2/3，磷酸铁锂电池单只电压为3.2V，阀控式铅酸电池单只电压为2V，这就是说对于同一电压等级的直流电源系统，磷酸铁锂电池配置数量约为阀控式铅酸电池的0.6倍。因此，磷酸铁锂电池投资金额约为阀控式铅酸电池的4×（1/2~2/3）×0.6=1.2~1.6倍左右。
2、综合成本比较
磷酸铁锂电池与阀控式铅酸电池相比，同容量电池的体积和重量约减少60%以上，因此，磷酸铁锂电池占地面积及房间荷重要求均低于阀控式铅酸电池。以蓄电池容量300Ah为例，阀控式铅酸电池需要设专用蓄电池室及配套采暖、空调设备；磷酸铁锂电池则可采用组柜安装方式，将其与二次设备布置在一起，按照设计规程要求，不需单独设电池室，从而减少蓄电池室的土建成本和安装电池所需的柜体成本。
磷酸铁锂电池与阀控式铅酸电池相比，其电缆使用也有所减少，
因为在（2～10）I10，1min 放电阶段，磷酸铁锂电池出口电压比阀控铅酸电池高出 （6%～10%）Un；以1I10电流持续放电10小时，磷酸铁锂电池出口电压比阀控铅酸电池出高出 （5%～10%）Un（见表2）。在同等条件下，磷酸铁锂电池出口电缆截面积比阀控铅酸电池的减小一半及以上，其他动力馈线电缆截面也会相应减少。因此，磷酸铁锂电池直流电源系统的电缆投资金额低于阀控铅酸电池直流电源系统。
3、运行寿命比较
阀控式铅酸电池全充全放循环寿命一般在300次左右，最高为500次，磷酸铁锂电池循环寿命可达到2000次以上，根据测试结果和数据分析，通过仿真计算方法推算，磷酸铁锂电池设计预期寿命为15年，阀控式铅酸电池寿命一般为5年，使用超过5年就要更换，与直流电源系统的其他器件寿命不匹配，单从这点讲，磷酸铁锂电池其寿命周期的经济性是铅酸电池的三倍以上，这不仅减少了运维人员更换电池的费用，而且使运行成本也远远低于铅酸电池。
4、运行维护成本比较
从表1可以看到，磷酸铁锂电池与阀控密封铅酸蓄电池相比，放电深度超过80%充电总时间可减少近一半时间，不仅大大减轻了现场维护人员的工作量，而且降低运维费用，这个特点深受用户的青睐。
磷酸铁锂电池80%事故放电容量后充电时间14h、核对性放电+充电时间18h，而阀控式铅酸电池则分别需要25h、33h。
磷酸铁锂电池具有主动均衡和被动均衡能力，故障率相对较低，维护工作量小，其运维成本远低于阀控式铅酸电池。
5、社会效益
锂电池与阀控式铅酸电池相比具有良好的经济效益和社会效益。铅酸电池在制造、运行、报废、回收等全过程中都存在污染问题，无论对制造商还是用户都不符合国家相关产业政策。而磷酸铁锂电池是无污染的绿色环保电池，对环境保护的贡献远远超过铅酸电池，单从这点讲其意义远远大于其使用的效益。
从另外一个角度讲，磷酸铁锂电池体积小、重量轻，一般情况下不需要建设专门电池室，在减少变电站建设投资的基础上节约了土地占用，在当今社会土地越来越紧张的前提下，同样具有一定的社会意义磷酸铁锂电池在变电站直流电源系统中广泛推广应用，有待于时间和实践考验、还有待于大家不断应用并在应用过程中补充相关数据、资料和运行经验，促进和提高磷酸铁锂电池产品质量，降低制造成本。相信在变电站直流电源系统中锂电池定会成为铅酸电池的换代产品，并在变电站直流电源系统中发挥更大作用。
结语
磷酸铁锂电池因本身具有环保，寿命长，耐高温，良好的浮充特性等优势，在变电站直流系统中具有广阔的前景。但磷酸铁锂电池价格偏高，低温性能提升有限和作为站用备用电源全寿命运行参数不足等问题也有待解决。
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论文作者:王庭华1,李妍1,范立社2,赵雪霖1,胡国伟1
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/10
标签：锂电池论文; 磷酸论文; 电池论文; 变电站论文; 直流电源论文; 系统论文; 电压论文; 《电力设备》2017年第34期论文;