磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅翔

摘要： 磷酸鐵鋰電池具有許多優(yōu)越的特點(diǎn)，尤其是在高功率或大容量電池具有良好的充放電特性和熱穩(wěn)定性，引起了各界廣泛關(guān)注。通過(guò)磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，分析了磷酸鐵鋰電池在未來(lái)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池; 鉛酸蓄電池; 電力系統(tǒng)

0 引言

隨著無(wú)人值守變電站的普及以及變電站系統(tǒng)自動(dòng)化程度的大幅提高，對(duì)蓄電池組性能和直流電源系統(tǒng)安全可靠性提出了更高要求。發(fā)展新型高效節(jié)能、先進(jìn)環(huán)保、資源循環(huán)利用的電池替代鉛酸蓄電池成為研究方向。磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬，無(wú)毒（SGS認(rèn)證通過(guò)），無(wú)污染，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，被世界公認(rèn)為絕對(duì)綠色環(huán)保電池。磷酸鐵鋰電池還有較高的理論比容量、適中的電壓平臺(tái)、超長(zhǎng)的循環(huán)壽命、優(yōu)良的安全性能等特點(diǎn)，因此該電池被列入了“十五”期間的“863”國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。近年來(lái)磷酸鐵鋰蓄電池開(kāi)始在電動(dòng)汽車新能源儲(chǔ)能、通信、應(yīng)急照明等領(lǐng)域和電力系統(tǒng)內(nèi)廣泛應(yīng)用。

1 磷酸鐵鋰電池

橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰（ LiFePO4）是90年代后期發(fā)展起來(lái)的高容量可充電電池，正極材料是磷酸鐵鋰，負(fù)極是碳素材料。鋰離子在兩極之間的穿越，使得磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)存和釋放能量。 LiFePO電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子Li+通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移;在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過(guò)隔膜向正極遷移。在整個(gè)充放電過(guò)程中不產(chǎn)生新的物質(zhì)口磷酸鋰具有良好的安全性和長(zhǎng)壽命，比能量適中，自放電能力增強(qiáng)。

2 磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)

（1）全性能好。通過(guò)了過(guò)短路、針刺、擠壓，落擊、過(guò)充，過(guò)放等國(guó)內(nèi)外安全標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;

（2）性能優(yōu)異。體積為鉛酸蓄電池的二分之一，重量為鉛酸蓄電池的二分之一，浮充狀態(tài)下壽命為鉛酸蓄電池的2倍，循環(huán)狀態(tài)下壽命為鉛酸蓄電池的4倍;

（3）環(huán)境適應(yīng)性好。一般情況下：-20-55℃，≤95%RH，高溫性能好，對(duì)存命影響小，無(wú)通風(fēng)要求;

（4）環(huán)保無(wú)污染。除有少量有機(jī)溶劑外，不含有毒有害物質(zhì)，產(chǎn)品環(huán)保指標(biāo)符合歐盟RoHS指令;

（5）綜合性價(jià)比高。全生命命周期內(nèi)產(chǎn)品性價(jià)比高;

（6）維護(hù)方便。充放電倍率高，鋰離子電池屬于全密封電池，可快速維護(hù)和核容。

3 磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前磷酸鐵鋰電池主要作為儲(chǔ)能元件應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，主要包括：變電站直流電源、新能源接入、系統(tǒng)調(diào)節(jié)等。

（1）磷酸鐵鋰電池在變電站直流電源中的應(yīng)用

2011年華北電網(wǎng)科技項(xiàng)目<基于磷酸鐵鋰蓄電池在電力系統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)應(yīng)用與研究〉，通過(guò)分析論證磷酸鐵鋰電池運(yùn)行對(duì)于環(huán)境零污染、安全性、蓄電池使用壽命幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，提出了磷酸鐵鋰蓄電池逐步替代鉛酸蓄電池可行性方案。2011年在張家口柳樹(shù)屯110kV站投入1組200Ah磷酸鐵鋰蓄電池試運(yùn)行，也是國(guó)內(nèi)電網(wǎng)110kV變電站首次使用，目前已穩(wěn)定運(yùn)行10年。

深圳供電局于2013年批準(zhǔn)了《適應(yīng)新行標(biāo)直流電源系統(tǒng)應(yīng)用研究》科研項(xiàng)目。并確定深圳新百110kV變電站2組110V閥控式鉛酸蓄電池直流電源系統(tǒng)改造為“浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池直流電源系統(tǒng)”。設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行單位經(jīng)過(guò)4年多努力，完成了電力工程所需的全部數(shù)據(jù)的試驗(yàn)、整理和計(jì)算工作，全面完成《應(yīng)用研究》科研項(xiàng)目。2018年初“浮充式保護(hù)型磷酸鐵鋰電池直流電源系統(tǒng)”電網(wǎng)新技術(shù)新材料應(yīng)用推廣。上海電力公司2017年在110kV前灘站一體化電源（并聯(lián)技術(shù)）配套磷酸鐵鋰蓄電池。

（2）磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能應(yīng)用

目前，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的主要有煤電、油電、水電具有調(diào)節(jié)性能的水電）及抽水蓄能電站。在這些能源中，煤電和油電，屬于火電范疇。由于火電廠造價(jià)昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高，起停時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法擔(dān)起調(diào)峰的任務(wù)。從運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，電廠不宜用作調(diào)峰電廠。水電調(diào)峰能力較強(qiáng)，但可供使用的資源有限。而作為電網(wǎng)主力調(diào)峰電源之一的抽水蓄能電站，因占地面積大，工期長(zhǎng)，且受地理?xiàng)l件影響，其發(fā)展也受到一定程度的限制。

相比較而言，電池儲(chǔ)能電站作為一項(xiàng)新興技術(shù)，具有工期短、起停快、占地面積小、安全性高、運(yùn)行費(fèi)用低和無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，并對(duì)建設(shè)場(chǎng)所無(wú)特殊要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。作為可調(diào)控的電源或負(fù)荷，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高用提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性，例如用于日負(fù)荷曲線調(diào)節(jié)、系統(tǒng)調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、潮流控制、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、低頻振蕩控制、暫態(tài)穩(wěn)定控制、無(wú)功支撐、電壓穩(wěn)定控制等。

4 磷酸鐵鋰電池存在問(wèn)題

磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)閥控式鉛酸蓄電池相比，除配套的直流電源系統(tǒng)外還需配置BMS系統(tǒng)，投資成本較高，是傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的2.5-3倍;其次，資源循環(huán)回收低，沒(méi)有完善的回收體系。

目前僅應(yīng)用于110kV變電站直流系統(tǒng)，按220kV變電站直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算蓄電池容量、直流電源系統(tǒng)短路電流計(jì)算、直流斷路器選擇及保護(hù)配合等結(jié)果來(lái)看，磷酸鐵鋰電池應(yīng)用在220kV無(wú)人變電站（含智能變電站）是完全可行的。存在的技術(shù)難點(diǎn)可通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和直流饋線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及設(shè)備布置來(lái)解決。500kV及以上變電站在電力系統(tǒng)中的地位十分重要，且站內(nèi)直流負(fù)荷很多，受到磷酸鐵鋰電池容量的限制，以及直流設(shè)備參數(shù)選擇困難，加之其運(yùn)行維護(hù)和管理模式尚在摸索中，因此目前暫不推薦在500kV及以上電壓等級(jí)的變電站釆用磷酸鐵鋰電池。對(duì)于升壓站直流電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，與相應(yīng)電壓等級(jí)的變電站類似，可以參照?qǐng)?zhí)行。對(duì)于發(fā)電廠輔助車間直流電源成套裝置，目前多采用6V或12V閥控式鉛酸電池，電池壽命短、故障率高。推薦采用磷酸鐵鋰電池替代閥控式鉛酸電池，充分利用其體積小、壽命長(zhǎng)、運(yùn)維成本低、穩(wěn)定性高、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，減少占地和運(yùn)維工作量，提高直流電源可靠性。

結(jié)束語(yǔ)

磷酸鐵鋰電池相對(duì)于鉛酸電池，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全穩(wěn)定、綠色環(huán)保、自放電率小等優(yōu)點(diǎn)，隨著集成技術(shù)的不斷成熟，成本的不斷降低，磷酸鐵鋰電池必將廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

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