王 洪，楊思安，袁永明，周 超

(1.國(guó)網(wǎng)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(lián)技術(shù)配磷酸鐵鋰電池在電力后備電源應(yīng)用

王 洪1，楊思安2，袁永明1，周 超2

(1.國(guó)網(wǎng)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(duì)電力系統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)，在變電站蓄電池核對(duì)容量、直流電源技術(shù)改造中及事故處理中，應(yīng)用并聯(lián)技術(shù)配磷酸鐵鋰電池在電力后備電源替代傳統(tǒng)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(shù)，并聯(lián)技術(shù)配磷酸鐵鋰電池方案的設(shè)計(jì)，具有便攜可移動(dòng)、環(huán)保無(wú)污染、備用蓄電池維護(hù)量少、安全穩(wěn)定、接線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并進(jìn)一步論證計(jì)算適合在220 kV及以下等級(jí)的變電站應(yīng)用的安全性。

并聯(lián)技術(shù)；磷酸鐵鋰電池；支撐時(shí)間；后備電源

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池超長(zhǎng)壽命、使用安全、可大電流2 C快速充放電、耐高溫、大容量、無(wú)記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越被認(rèn)可。國(guó)內(nèi)隨著專(zhuān)利問(wèn)題及磷酸鐵鋰新技術(shù)的突破，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池將廣泛應(yīng)用于電力直流電源系統(tǒng)，逐步替代主流設(shè)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(tǒng)應(yīng)用也有5年的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其啟動(dòng)快、輸出電能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力完全滿足后備電源的需求，其環(huán)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(qiáng)酸堿等污染排放[1]。

目前電力系統(tǒng)在對(duì)變電站直流系統(tǒng)蓄電池進(jìn)行核容維護(hù)、直流系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造或者事故處理的時(shí)候，需要接入相應(yīng)110 V/220 V的后備電源系統(tǒng)，確保變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。并聯(lián)技術(shù)配磷酸鐵鋰電池國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)還沒(méi)有應(yīng)用與研究。

新型可移動(dòng)并聯(lián)技術(shù)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(tǒng)，具有輕便，可快速移動(dòng)、快速連接的特點(diǎn)。此后備電源系統(tǒng)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(jì)算適合在220 kV及以下等級(jí)的變電站應(yīng)用。

1 后備電源系統(tǒng)介紹

后備電源系統(tǒng)內(nèi)部分成AC/DC變換部分、DC/DC變換部分、監(jiān)控部分。AC/DC部分及DC/DC部分均采用電力電子變換技術(shù)，系統(tǒng)的輸入是交流380 VAC，交流正常情況下，此系統(tǒng)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(shí)，電池可通過(guò)系統(tǒng)不間斷地輸出110/220 VDC，給負(fù)載供電。此系統(tǒng)支持多個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)，單個(gè)系統(tǒng)最大可輸出4 400 W(220 V/20 A、110 V/40 A)。

2 并聯(lián)技術(shù)配磷酸鐵鋰電池

2.1 后備電源采用并聯(lián)技術(shù)結(jié)構(gòu)原理

模塊內(nèi)部原理如圖1所示，三相交流輸入，整流后通過(guò)DC/DC變換給所匹配的48 V磷酸鐵鋰電池充電，整個(gè)充電過(guò)程通過(guò)監(jiān)控進(jìn)行相應(yīng)的均浮充管理，根據(jù)磷酸鐵鋰的特性進(jìn)行0.1C的恒流均充，待電壓上升至設(shè)置的恒壓均充電時(shí)，進(jìn)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(shí)，通過(guò)升壓DC/DC變換形成高壓輸出母線。在交流失電時(shí)，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(jìn)入放電模式，監(jiān)控同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的交流失電告警，待交流輸入恢復(fù)至正常值的85%以后，告警消失，模塊又進(jìn)入交流供電運(yùn)行模式。多個(gè)這樣的模塊可以輸出并聯(lián)，形成更大容量的系統(tǒng)，并聯(lián)技術(shù)采用的是變電站直流系統(tǒng)上的充電模塊的并聯(lián)技術(shù)，此技術(shù)已經(jīng)在直流系統(tǒng)大量使用。

圖1 后備電源內(nèi)部圖結(jié)構(gòu)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(wěn)定性研究

鉛酸蓄電池實(shí)際運(yùn)行中，由于使用中的一些問(wèn)題以及維護(hù)不到位的因素，造成蓄電池使用壽命大大小于設(shè)計(jì)壽命，后備鉛酸蓄電池問(wèn)題就更多了。業(yè)內(nèi)常說(shuō)后備鉛酸電池“新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年，最多也就用三年”。從而給后備電源帶來(lái)極大的不安全隱患，大大弱化了后備電源的可靠性。同時(shí)蓄電池過(guò)早報(bào)廢也造成極大的經(jīng)濟(jì)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(shí)，鋰離子從正極材料中脫嵌出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液，穿過(guò)隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料中；放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極中脫嵌出來(lái)，穿過(guò)隔膜回到正極材料中。相比于常規(guī)的鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池有超長(zhǎng)壽命，在室溫下1C充放電循環(huán)達(dá)到2 000次以上。充電速度快，可以使用高達(dá)1C的充電電流進(jìn)行充電，無(wú)記憶效應(yīng)，隨時(shí)用隨時(shí)充，自放電小，因此補(bǔ)充充電管理時(shí)間間隔可以更長(zhǎng)些。磷酸鐵鋰電池的質(zhì)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(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池的2/3，質(zhì)量是鉛酸電池的1/3左右。

磷酸鐵鋰電池區(qū)別于鉛酸蓄電池最大優(yōu)勢(shì)為安全、使用壽命長(zhǎng)、溫度適應(yīng)能力強(qiáng)、維護(hù)量小、無(wú)記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保。并聯(lián)技術(shù)對(duì)電池管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單組精細(xì)化管理，優(yōu)于蓄電池串聯(lián)使用一致性造成壽命縮短。

3 計(jì)算后備電源系統(tǒng)支撐時(shí)間[2]

3.1 后備電源系統(tǒng)在220 kV站應(yīng)用的計(jì)算驗(yàn)證

后備電源系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用需要根據(jù)不同站點(diǎn)的直流負(fù)荷大小來(lái)設(shè)計(jì)，這里各站點(diǎn)的直流負(fù)荷都依據(jù)《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)關(guān)于直流系統(tǒng)負(fù)荷的描述，其中220 kV站負(fù)荷如表1所示。

表1 220 kV變電站(GIS)220 V直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算條件：8回220 kV出線(GIS)；16回110 kV出線；4臺(tái)主變壓器；10 kV4段；計(jì)算機(jī)監(jiān)控；

后備電源系統(tǒng)在220 kV站直流系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證：

(1)直流系統(tǒng)在交流異常后不統(tǒng)計(jì)UPS和通信電源負(fù)荷，根據(jù)表1提供的數(shù)據(jù)，直流系統(tǒng)的總負(fù)荷為=經(jīng)常負(fù)荷(18.18 A)+事故照明(20.46 A)=38.64 A，沖擊負(fù)荷斷路器操作(7.6 A)暫不計(jì)入總負(fù)荷電流，38.64÷20=1.932，即只需要2個(gè)后備電源系統(tǒng)并聯(lián)可以滿足此種情況。

電池在此帶載情況下，維持時(shí)間驗(yàn)算如下：系統(tǒng)在電池供電下的轉(zhuǎn)換效率η為90%，每個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為為系統(tǒng)輸出電壓，即220 VDC，為每個(gè)系統(tǒng)負(fù)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(jù)電池的放電曲線，為電池容量，放電持續(xù)時(shí)間，即48 min；如果選配的是48 V/120 Ah的電池，放電持續(xù)時(shí)間，即73 min。

(2)直流系統(tǒng)在交流異常后統(tǒng)計(jì)UPS和通信電源負(fù)荷，根據(jù)表1提供的數(shù)據(jù)，直流系統(tǒng)的總負(fù)荷=59.73 A，59.73÷20=2.98，即需要3個(gè)后備電源系統(tǒng)并聯(lián)才能滿足全站負(fù)荷。

3.2 后備電源系統(tǒng)在110 kV站應(yīng)用的計(jì)算驗(yàn)證

為了驗(yàn)證后備電源系統(tǒng)能否在110 kV站的使用，此110 kV站的直流負(fù)荷大小如表2所示。

表2 110 kV變電站(GIS)110 V直流系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算條件：4回110 kV出線；3臺(tái)主變壓器；10 kV3段；計(jì)算機(jī)監(jiān)控；后備電源系統(tǒng)在110 kV站直流系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證：

(1)直流系統(tǒng)在交流異常后不統(tǒng)計(jì)UPS和通信電源負(fù)荷，根據(jù)表2提供的數(shù)據(jù)，直流系統(tǒng)的總負(fù)荷為=經(jīng)常負(fù)荷(18.18 A)+事故照明(13.64 A)=31.82 A，沖擊負(fù)荷斷路器操作(14.1 A)(此為110 V直流系統(tǒng)，后備電源系統(tǒng)直流110 V輸出的容量為110 V/40 A)。

維持時(shí)間計(jì)算如下：系統(tǒng)在電池供電下的轉(zhuǎn)換效率η為 90%，每個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為，為系統(tǒng)輸出電壓，即110VDC，為負(fù)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(jù)電池的圖3放電曲線，C為電池容量，放電持續(xù)時(shí)間.02=0.98 h，大概維持時(shí)間在59 min；如果選配的是48 V/120 Ah的電池，放電持續(xù)時(shí)間81.02=1.48 h，大概88 min。

(2)直流系統(tǒng)在交流異常后統(tǒng)計(jì)UPS和通信電源負(fù)荷，根據(jù)表2提供的數(shù)據(jù)，直流系統(tǒng)的總負(fù)荷=56.32 A，56.32÷ 40=1.41，即需要兩個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)才能滿足需要，即每個(gè)系統(tǒng)可出40 A，兩個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)后的沖擊電流能力可達(dá)到40×2=80 A＞7.6 A，即系統(tǒng)可以滿足沖擊負(fù)荷。

維持時(shí)間計(jì)算如下：系統(tǒng)在電池供電下的轉(zhuǎn)換效率η為90%，每個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為，為系統(tǒng)輸出電壓，即110VDC，兩個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)輸出，每個(gè)系統(tǒng)為負(fù)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(jù)電池的圖3放電曲線，C為電池容量，放電持續(xù)時(shí)間，大概66 min；如果選配的是48 V/120 Ah的電池，放電持續(xù)時(shí)間，大概100 min的后備時(shí)間。

4 后備電源的應(yīng)用

4.1 模塊化、集成組合方案

根據(jù)不同電壓等級(jí)的變電站直流電源系統(tǒng)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(lián)模塊組合(并聯(lián)技術(shù)+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(shí)大電流的變電站后備電源需求，采用并聯(lián)模塊組合(并聯(lián)技術(shù)+磷酸鐵鋰電池+超級(jí)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(yīng)用

(1)220 kV及以上變電站保護(hù)自動(dòng)裝置雙重配置的，如果需要核對(duì)容量、設(shè)備技術(shù)改造等工作，合母聯(lián)由一組蓄電池和充電機(jī)帶兩段直流系統(tǒng)時(shí)，相對(duì)就將雙重化配置的保護(hù)合一了，也可以說(shuō)退出了，如直流系統(tǒng)有故障，兩段均存在隱患，風(fēng)險(xiǎn)增加一倍。如果采用并聯(lián)后備電源方案，等電位過(guò)渡需要檢修或故障設(shè)備一段，即可保證直流電源的獨(dú)立性，同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)減小了一倍。

(2)對(duì)于110 kV及以下變電站直流系統(tǒng)單蓄電池、單充電機(jī)配置的，蓄電池核對(duì)容量工作、某段直流設(shè)備檢修工作、事故處理工作需要后備電源等電位過(guò)渡，配置的后備電源采用并聯(lián)技術(shù)和磷酸鐵鋰電池配置方案。

5 結(jié)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(guò)論證計(jì)算及對(duì)電池管理的安全性是非常必要的。采用并聯(lián)電池技術(shù)配置磷酸鐵鋰蓄電池作為后備電源系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并對(duì)此后備電源系統(tǒng)在110、220 kV站的應(yīng)用作了理論論證計(jì)算。其可移動(dòng)便攜、接線簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了運(yùn)維成本，提高了工作效率，具有很好的推廣前景。同時(shí)，磷酸鐵鋰蓄電池作為后備電源的應(yīng)用是一種清潔、持久、安全、環(huán)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(qiáng)酸、強(qiáng)堿對(duì)環(huán)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(yīng)用研究與實(shí)踐[J].電源技術(shù)，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(tǒng)中的電池容量選擇[J].電源學(xué)報(bào)，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(shí)，Li+的脫出伴隨著Ni2+/Ni4+，Co3+/Co4+等之間氧化還原反應(yīng)，當(dāng)充電截止電壓大于4.5 V時(shí)，正極材料會(huì)放出更多的鋰和釋放O2，而且生成具有電化學(xué)活性的MnO2，在放電過(guò)程中有部分Li+嵌入形成穩(wěn)定的具有電化學(xué)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(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)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(jiàn)，隨著截止電壓的增大，放電比容量都隨之增大。但當(dāng)截止電壓從4.3～4.5 V和截止電壓從4.6～4.8 V時(shí)放電比容量增幅較小，而截止電壓從4.5～4.6 V時(shí)放電比容量大幅度增加。這大概與固溶體材料在充放電過(guò)程中Mn4+的還原作用[7-8]有關(guān)，即當(dāng)截止電壓大于4.6 V時(shí)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(nèi)的放電循環(huán)曲線

3 結(jié)論

采用氫氧化物共沉淀法制備M(OH)2前軀體后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)法合成固溶體富鋰正極材料 0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3-Co1/3Mn1/3O2。結(jié)果表明，固溶體材料具有比較好的層狀結(jié)構(gòu)和較優(yōu)的電化學(xué)性能。在 0.1C電流下首次放電可達(dá)270.1 mAh/g(2.0～4.8 V)，充放電效率為69.8%，循環(huán)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(yōu)異的固溶體正極材料，而且工藝簡(jiǎn)單，在合成高性能的富鋰材料中是一種值得關(guān)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(jí)工程師，高級(jí)技師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)變電設(shè)備運(yùn)維檢修。