并聯技術配磷酸鐵鋰電池在電力后備電源應用

王 洪，楊思安，袁永明，周 超

(1.國網冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口075000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東深圳518057)

并聯技術配磷酸鐵鋰電池在電力后備電源應用

王 洪1，楊思安2，袁永明1，周 超2

(1.國網冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口075000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東深圳518057)

針對電力系統變電站直流系統，在變電站蓄電池核對容量、直流電源技術改造中及事故處理中，應用并聯技術配磷酸鐵鋰電池在電力后備電源替代傳統的閥控密閉鉛酸電池或鎘鎳作為后備電池。采用已有的新技術，并聯技術配磷酸鐵鋰電池方案的設計，具有便攜可移動、環保無污染、備用蓄電池維護量少、安全穩定、接線簡單等特點，并進一步論證計算適合在220 kV及以下等級的變電站應用的安全性。

并聯技術；磷酸鐵鋰電池；支撐時間；后備電源

磷酸鐵鋰動力電池超長壽命、使用安全、可大電流2 C快速充放電、耐高溫、大容量、無記憶效應、綠色環保等優勢越來越被認可。國內隨著專利問題及磷酸鐵鋰新技術的突破，磷酸鐵鋰動力電池將廣泛應用于電力直流電源系統，逐步替代主流設備閥控密閉鉛酸蓄電池。我公司某110 kV變電站直流電源系統應用也有5年的運行實踐經驗，其啟動快、輸出電能穩定、環境適應能力完全滿足后備電源的需求，其環保概念，完全避免了鉛酸蓄電池或鎘鎳電池的鉛、鎘鎳重金屬及強酸堿等污染排放[1]。

目前電力系統在對變電站直流系統蓄電池進行核容維護、直流系統進行技術改造或者事故處理的時候，需要接入相應110 V/220 V的后備電源系統，確保變電站直流系統的運行可靠性。并聯技術配磷酸鐵鋰電池國內外電力系統還沒有應用與研究。

新型可移動并聯技術采用磷酸鐵鋰電池組成的便攜式后備電源是一種新型的后備電源系統，具有輕便，可快速移動、快速連接的特點。此后備電源系統的輸入為交流380 V，帶N，地線，輸出為直流，包括220 V/10 A、110 V/20 A。論證、計算適合在220 kV及以下等級的變電站應用。

1 后備電源系統介紹

后備電源系統內部分成AC/DC變換部分、DC/DC變換部分、監控部分。AC/DC部分及DC/DC部分均采用電力電子變換技術，系統的輸入是交流380 VAC，交流正常情況下，此系統出2路直流，分別是：48 VDC(給電池充電用)、110/220 VDC作為帶載用，在交流異常時，電池可通過系統不間斷地輸出110/220 VDC，給負載供電。此系統支持多個系統并聯，單個系統最大可輸出4 400 W(220 V/20 A、110 V/40 A)。

2 并聯技術配磷酸鐵鋰電池

2.1 后備電源采用并聯技術結構原理

模塊內部原理如圖1所示，三相交流輸入，整流后通過DC/DC變換給所匹配的48 V磷酸鐵鋰電池充電，整個充電過程通過監控進行相應的均浮充管理，根據磷酸鐵鋰的特性進行0.1C的恒流均充，待電壓上升至設置的恒壓均充電時，進入恒壓均充階段直至完成充電。圖2為后備電源外觀圖。在充電同時，通過升壓DC/DC變換形成高壓輸出母線。在交流失電時，整流充電變換部分停止工作，升壓DC/DC變換的輸入能量完全由電池提供，進入放電模式，監控同時進行相應的交流失電告警，待交流輸入恢復至正常值的85%以后，告警消失，模塊又進入交流供電運行模式。多個這樣的模塊可以輸出并聯，形成更大容量的系統，并聯技術采用的是變電站直流系統上的充電模塊的并聯技術，此技術已經在直流系統大量使用。

圖1 后備電源內部圖結構圖

圖2 后備電源外觀圖

2.2 后備電源配置磷酸鐵鋰電池壽命以及穩定性研究

鉛酸蓄電池實際運行中，由于使用中的一些問題以及維護不到位的因素，造成蓄電池使用壽命大大小于設計壽命，后備鉛酸蓄電池問題就更多了。業內常說后備鉛酸電池“新半年、舊半年、維護維護又半年，最多也就用三年”。從而給后備電源帶來極大的不安全隱患，大大弱化了后備電源的可靠性。同時蓄電池過早報廢也造成極大的經濟損失。

磷酸鐵鋰電池是用磷酸鐵鋰材料作為電池正極的鋰離子電池，其工作原理是：充電時，鋰離子從正極材料中脫嵌出來，經過電解液，穿過隔膜進入到負極材料中；放電時，鋰離子又從負極中脫嵌出來，穿過隔膜回到正極材料中。相比于常規的鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池有超長壽命，在室溫下1C充放電循環達到2 000次以上。充電速度快，可以使用高達1C的充電電流進行充電，無記憶效應，隨時用隨時充，自放電小，因此補充充電管理時間間隔可以更長些。磷酸鐵鋰電池的質量比能量為100～150 Wh/kg，鉛酸電池為30～50 Wh/kg；體積比能量為200～250 Wh/L，鉛酸電池為60～90 Wh/L，因此，同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池的2/3，質量是鉛酸電池的1/3左右。

磷酸鐵鋰電池區別于鉛酸蓄電池最大優勢為安全、使用壽命長、溫度適應能力強、維護量小、無記憶效應、綠色環保。并聯技術對電池管理，可以實現對電池單組精細化管理，優于蓄電池串聯使用一致性造成壽命縮短。

3 計算后備電源系統支撐時間[2]

3.1 后備電源系統在220 kV站應用的計算驗證

后備電源系統在變電站的應用需要根據不同站點的直流負荷大小來設計，這里各站點的直流負荷都依據《電力工程直流系統設計手冊》(第二版)關于直流系統負荷的描述，其中220 kV站負荷如表1所示。

表1 220 kV變電站(GIS)220 V直流負荷統計表

計算條件：8回220 kV出線(GIS)；16回110 kV出線；4臺主變壓器；10 kV4段；計算機監控；

后備電源系統在220 kV站直流系統應用驗證：

(1)直流系統在交流異常后不統計UPS和通信電源負荷，根據表1提供的數據，直流系統的總負荷為=經常負荷(18.18 A)+事故照明(20.46 A)=38.64 A，沖擊負荷斷路器操作(7.6 A)暫不計入總負荷電流，38.64÷20=1.932，即只需要2個后備電源系統并聯可以滿足此種情況。

電池在此帶載情況下，維持時間驗算如下：系統在電池供電下的轉換效率η為90%，每個系統的輸出功率為為系統輸出電壓，即220 VDC，為每個系統負荷電流，即38.64÷2=19.32 A，=220×19.32=4 250.4 W，電池端提供的功率，即=4 250.4÷0.9=4 722.6 W，電池端的放電電流，為電池端電壓48 V，為98 A，如果是選配48 V/80 Ah的電池，根據電池的放電曲線，為電池容量，放電持續時間，即48 min；如果選配的是48 V/120 Ah的電池，放電持續時間，即73 min。

(2)直流系統在交流異常后統計UPS和通信電源負荷，根據表1提供的數據，直流系統的總負荷=59.73 A，59.73÷20=2.98，即需要3個后備電源系統并聯才能滿足全站負荷。

3.2 后備電源系統在110 kV站應用的計算驗證

為了驗證后備電源系統能否在110 kV站的使用，此110 kV站的直流負荷大小如表2所示。

表2 110 kV變電站(GIS)110 V直流系統負荷統計表

計算條件：4回110 kV出線；3臺主變壓器；10 kV3段；計算機監控；后備電源系統在110 kV站直流系統應用驗證：

(1)直流系統在交流異常后不統計UPS和通信電源負荷，根據表2提供的數據，直流系統的總負荷為=經常負荷(18.18 A)+事故照明(13.64 A)=31.82 A，沖擊負荷斷路器操作(14.1 A)(此為110 V直流系統，后備電源系統直流110 V輸出的容量為110 V/40 A)。

維持時間計算如下：系統在電池供電下的轉換效率η為 90%，每個系統的輸出功率為，為系統輸出電壓，即110VDC，為負荷總電流，即31.82 A，31.82=3 500 W，電池端提供的功率0.9=3 889 W，電池端的放電電流，為電池端電壓48 V，=3 889÷48=81.02 A，如果是選配48 V/80 Ah的電池，根據電池的圖3放電曲線，C為電池容量，放電持續時間.02=0.98 h，大概維持時間在59 min；如果選配的是48 V/120 Ah的電池，放電持續時間81.02=1.48 h，大概88 min。

(2)直流系統在交流異常后統計UPS和通信電源負荷，根據表2提供的數據，直流系統的總負荷=56.32 A，56.32÷ 40=1.41，即需要兩個系統并聯才能滿足需要，即每個系統可出40 A，兩個系統并聯后的沖擊電流能力可達到40×2=80 A＞7.6 A，即系統可以滿足沖擊負荷。

維持時間計算如下：系統在電池供電下的轉換效率η為90%，每個系統的輸出功率為，為系統輸出電壓，即110VDC，兩個系統并聯輸出，每個系統為負荷總電流的一半，即56.32÷2=28.16 A，=110×28.16=3 097.6 W，電池端提供的功率，即=3 097.6÷0.9=3 441.7 W，電池端的放電電流，為電池端電壓48 V，為 3 441.7÷48=71.70 A，如果是選配48 V/80 Ah的電池，根據電池的圖3放電曲線，C為電池容量，放電持續時間，大概66 min；如果選配的是48 V/120 Ah的電池，放電持續時間，大概100 min的后備時間。

4 后備電源的應用

4.1 模塊化、集成組合方案

根據不同電壓等級的變電站直流電源系統配置組合后備電源。

按照110、220、500 kV及以上大型變電站后備電源需求采用并聯模塊組合(并聯技術+磷酸鐵鋰電池)作為后備電源，可選擇DC12 V/DC220 V或DC12 V/DC110 V等N倍并列。

考慮到直流電源需要提供有瞬時大電流的變電站后備電源需求，采用并聯模塊組合(并聯技術+磷酸鐵鋰電池+超級電容)作為后備電源，可選擇DC12 V/DC220 V或DC12 V/DC110 V等N倍并列。

圖3 不同放電倍率下的放電曲線

4.2 后備電源的應用

(1)220 kV及以上變電站保護自動裝置雙重配置的，如果需要核對容量、設備技術改造等工作，合母聯由一組蓄電池和充電機帶兩段直流系統時，相對就將雙重化配置的保護合一了，也可以說退出了，如直流系統有故障，兩段均存在隱患，風險增加一倍。如果采用并聯后備電源方案，等電位過渡需要檢修或故障設備一段，即可保證直流電源的獨立性，同時安全風險減小了一倍。

(2)對于110 kV及以下變電站直流系統單蓄電池、單充電機配置的，蓄電池核對容量工作、某段直流設備檢修工作、事故處理工作需要后備電源等電位過渡，配置的后備電源采用并聯技術和磷酸鐵鋰電池配置方案。

5 結論

蓄電池作為必要后備電源供電，其安全性、可靠性是最基本要求。因此通過論證計算及對電池管理的安全性是非常必要的。采用并聯電池技術配置磷酸鐵鋰蓄電池作為后備電源系統的特點及優勢，并對此后備電源系統在110、220 kV站的應用作了理論論證計算。其可移動便攜、接線簡單、安全可靠等優點大大減輕了勞動強度、降低了運維成本，提高了工作效率，具有很好的推廣前景。同時，磷酸鐵鋰蓄電池作為后備電源的應用是一種清潔、持久、安全、環保的蓄電池，完全避免了鉛酸(鎘鎳)蓄電池鉛、鎘鎳重金屬及強酸、強堿對環境的污染。

[1]王洪，張廣輝，邢靜原，等.磷酸鐵鋰蓄電池在變電站應用研究與實踐[J].電源技術，2011，35(8)：902-905.

[2]王洪，林雄武，李麗，等.基于磷酸鐵鋰電池的110 kV變電站直流系統中的電池容量選擇[J].電源學報，2011(5)：37-80.

圖5 樣品0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的倍率性能曲線

xLi2MnO3·(1－x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在充放電電壓小于4.5 V時，Li+的脫出伴隨著Ni2+/Ni4+，Co3+/Co4+等之間氧化還原反應，當充電截止電壓大于4.5 V時，正極材料會放出更多的鋰和釋放O2，而且生成具有電化學活性的MnO2，在放電過程中有部分Li+嵌入形成穩定的具有電化學活性并且可逆的LiMnO2材料。圖6是固溶體材料在1C和截止電壓分別為4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8 V的條件下進行充放電循環測試。固溶體在不同截止電壓下的平均放電比容量分別為81.6、90.3、110.7、198.8、210.1、212.9 mAh/g。從中可見，隨著截止電壓的增大，放電比容量都隨之增大。但當截止電壓從4.3～4.5 V和截止電壓從4.6～4.8 V時放電比容量增幅較小，而截止電壓從4.5～4.6 V時放電比容量大幅度增加。這大概與固溶體材料在充放電過程中Mn4+的還原作用[7-8]有關，即當截止電壓大于4.6 V時Li2MnO3具有較高的活性。

圖6 0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在不同截止電壓范圍內的放電循環曲線

3 結論

采用氫氧化物共沉淀法制備M(OH)2前軀體后進行高溫燒結法合成固溶體富鋰正極材料 0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3-Co1/3Mn1/3O2。結果表明，固溶體材料具有比較好的層狀結構和較優的電化學性能。在 0.1C電流下首次放電可達270.1 mAh/g(2.0～4.8 V)，充放電效率為69.8%，循環100次后還有212.6 mAh/g，容量保持率為78.7%。因此采用共沉淀法合成鋰離子電池富鋰錳基正極材料0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3-Mn1/3O2，可以制備出性能優異的固溶體正極材料，而且工藝簡單，在合成高性能的富鋰材料中是一種值得關注的方法。

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Parallel technology with lithium iron phosphate battery application research in electric power back up power

DC power system in transformer substation of electric power system was mentioned,new equipment with parallel technology with LiFePO4 was used as backup power supply to instead of valve-regulated lead acid battery or nickel-cadmium cell.The equipment with Lithium iron phosphate battery was designed by existing and paralleling new technology.It had the feature of portable,moving quickly,safety,stability and simpleness connection.Environmental protection material and less maintenance battery were used.This equipment can be used 220kV transformer substation and below level by calculating in this article.

parallel technology;lithium iron phosphate battery;backup time;backup power supply

TM912

A

1002-087X(2016)12-2339-04

2016-05-12

王洪(1965—)，男，河北省人，高級工程師，高級技師，主要研究方向為電網變電設備運維檢修。