武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃 澍 謝 新 俞 玲 葉海軍

相較于通信等其他商業(yè)領(lǐng)域，在發(fā)電廠中UPS系統(tǒng)（即交流不停電電源）的升級(jí)改造還比較滯后，但事實(shí)上電力生產(chǎn)中由于現(xiàn)場(chǎng)存在大量粉塵、高溫高壓、設(shè)備震動(dòng)、電磁干擾等特殊環(huán)境情況使得其對(duì)UPS的儲(chǔ)能性能，以及穩(wěn)定性等標(biāo)準(zhǔn)要比其他商業(yè)領(lǐng)域更高。因此，作為發(fā)電廠集控運(yùn)行、控制、調(diào)節(jié)、安保、供電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)節(jié)、應(yīng)急照明等系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵保障設(shè)備，UPS本身設(shè)備必須具有不間斷、安全穩(wěn)定、高質(zhì)量輸出工作的能力，且其容量應(yīng)該要能隨著機(jī)組容量改變而進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)[1]。整個(gè)火電廠機(jī)組的高效、穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)與UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接相關(guān)聯(lián)。

1 UPS的基本功能和原理

UPS的基本工作原理：UPS系統(tǒng)之所以受到發(fā)電廠的廣泛應(yīng)用主要原因在于，其建立了兩條雙鏈路的系統(tǒng)對(duì)發(fā)電廠各部分的負(fù)荷進(jìn)行供電，這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了兩條電路在分別獨(dú)自運(yùn)行、分開的情況下，其又能一起承擔(dān)電路的負(fù)載，有效降低整個(gè)電路的電壓，在提高電路使用的安全性的同時(shí)，又保障了電源系統(tǒng)供電通暢，其將交流電源和儲(chǔ)能電池進(jìn)行相互配合使用，從而保障發(fā)電廠供電負(fù)荷電能的持續(xù)供應(yīng)。

其中，UPS的電源功率和容量由其主要儲(chǔ)能元件-蓄電池的電化學(xué)性能決定。目前，UPS系統(tǒng)的蓄電池廣泛采用閥控式鉛酸蓄電池，正極材料多采用鉛—銻—鈣合金，氧化鉛作為活性物質(zhì)；負(fù)極材料為鉛—銻—鈣合金欄板，海綿狀纖維作為活性物質(zhì)；硫酸作為電解液。閥控式鉛酸蓄電池改良了老式鉛酸蓄電池在充放電過程中會(huì)出現(xiàn)的漏酸現(xiàn)象，并且消除了運(yùn)行過程中酸霧的產(chǎn)生，從而不會(huì)腐蝕設(shè)備，但依然具有鉛酸電池材料含有毒性以及環(huán)境污染的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境危害較大，且受其功率密度及自身重量的影響，導(dǎo)致電廠需要為采用閥控式鉛酸蓄電池的UPS系統(tǒng)建設(shè)專用大面積、高承重性能的廠房，該問題隨著大功率UPS對(duì)蓄電池儲(chǔ)能性能要求的不斷提高顯得尤為突出。

此外，鉛酸電池具有記憶效應(yīng)的特點(diǎn)導(dǎo)致其需要定期維護(hù)，整體更換時(shí)間一般為4～6年，且在正常工作的時(shí)候，有可能發(fā)生備用電源在突然斷電的情況下無法立即切換致使DCS系統(tǒng)失效，并且嚴(yán)重?fù)p壞油泵、機(jī)軸等機(jī)械設(shè)施的故障問題，使發(fā)電廠設(shè)備的維護(hù)成本大大提升[2]。近年來，國(guó)內(nèi)鋰電池商業(yè)化步伐逐漸加快，容量、壽命以及充放電速率均有跨越式發(fā)展，因此鋰電池憑借其大功率、高容量、長(zhǎng)壽命、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)在光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電網(wǎng)分布式儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、UPS等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，從目前發(fā)展趨勢(shì)可以看出，鋰電池將取代老式的鉛酸電池的位置，根據(jù)目前發(fā)電廠的儲(chǔ)能需求，鋰電池的應(yīng)用重點(diǎn)應(yīng)放在不間斷電源UPS的電池置換、應(yīng)急安全照明的電池置換和高壓柜直流屏的電池置換等方面[3]。

2 鋰電池和閥控式鉛酸蓄電池的原理以及技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2.1 兩種電池的區(qū)別

這兩種電池儲(chǔ)能原理均是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存起來，兩種電池主要區(qū)別在于陽極材料、陰極材料以及電解質(zhì)的成分不同。鋰電池使用金屬氧化物作為陰極，碳基材料作為陽極，鋰鹽溶液作為電解質(zhì)；鉛酸電池則使用二氧化鉛作為陰極、金屬鉛作為陽極，采用硫酸溶液作為電解質(zhì)[4]。

2.2 兩種電池技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2.2.1 使用壽命

相較于普通鉛酸電池僅有500次左右的循環(huán)壽命，鋰電池的循環(huán)壽命能高達(dá)5000次。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，鋰電池具有更長(zhǎng)的工作壽命，可以有效降低UPS系統(tǒng)中電池更換與維護(hù)的成本，并且可以大大降低電池更換過程中出現(xiàn)宕機(jī)事故的概率。

2.2.2 空間體積

同等儲(chǔ)能容量下的閥控式鉛酸蓄電池重量與占用空間將達(dá)到鋰電池的3～4倍。在UPS中使用鋰電池代替閥控式鉛酸蓄電池可減少70%的占地面積，從而減少UPS系統(tǒng)所要占用的廠房空間；在部署空間問題上也會(huì)因?yàn)樾铍姵氐闹亓繙p輕從而具有更好的靈活性，對(duì)廠區(qū)建筑的承重以及改造需求大大減少。

2.2.3 充電速度

在電廠斷電后恢復(fù)供電的情況下，鋰電池能在半小時(shí)內(nèi)迅速將容量從80%充至100%，而閥控式鉛酸蓄電池系統(tǒng)同樣情況下，需要4h左右才能將容量從80%充電到100%，可以看出鋰電池在充電速度方面比老式鉛酸電池有著較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，發(fā)電廠中逐步開始探索應(yīng)用“電池快充”技術(shù)，以應(yīng)對(duì)發(fā)電廠運(yùn)行中的可能遇到的兩種場(chǎng)景：第一種是供電線路穩(wěn)定性較差，蓄電池在一次停電過程恢復(fù)供電后未來得及充滿的情況下遇上二次停電，造成系統(tǒng)宕機(jī)的場(chǎng)景；二是響應(yīng)國(guó)家“削峰填谷”的政策，電力需求低谷時(shí)段電價(jià)低的時(shí)候用UPS鋰電池存儲(chǔ)電量，用電需求高峰時(shí)用UPS鋰電池提供部分電能，通過電網(wǎng)峰谷的電價(jià)差來削減用電開支，為企業(yè)有效減少電費(fèi)。而閥控式鉛酸蓄電池充電周期過長(zhǎng)的缺點(diǎn)制約了其實(shí)現(xiàn)這兩種場(chǎng)景的可能。

2.2.4 工作溫度

電池組在進(jìn)行充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而使放置UPS系統(tǒng)的區(qū)域溫度出現(xiàn)波動(dòng)，而閥控式鉛酸電池需要將環(huán)境溫度控制在20～25℃才能達(dá)到最佳工作狀態(tài)，要求比較苛刻，而鋰電池可以在0～60℃的環(huán)境溫度下良好運(yùn)行，因此可有效降低UPS系統(tǒng)日常運(yùn)行和維護(hù)的成本，UPS系統(tǒng)的工作狀態(tài)也更為穩(wěn)定。并且閥控式鉛酸電池在較高溫度環(huán)境下工作會(huì)加速老化，性能衰減加劇，而鋰電池對(duì)溫度變化的適應(yīng)性使其壽命以及儲(chǔ)能性能受環(huán)境溫度的影響很小，對(duì)制冷系統(tǒng)的需求遠(yuǎn)低于閥控式鉛酸電池。尤其隨著發(fā)電廠逐漸需要更大容量、更高電壓的UPS系統(tǒng)，電池組需要承受更高的工作溫度，閥控式鉛酸電池的溫控成本將大大提高，鋰電池將具有更好的應(yīng)用前景。

2.2.5 綠色環(huán)保

相較于閥控式鉛酸蓄電池含有的鉛、鎳、鉻等多種重金屬有害物質(zhì)。鋰電池的組成材料無毒無污染，對(duì)環(huán)境沒有嚴(yán)重危害，是綠色環(huán)保生產(chǎn)的更優(yōu)選擇。同時(shí)，因?yàn)殇囯姵氐难h(huán)壽命能達(dá)到閥控式鉛酸蓄電池的十倍甚至數(shù)十倍，所以鋰電池需要進(jìn)行更換新電池的間隔時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于閥控式鉛酸蓄電池，可以大量降低對(duì)電池組成材料的需求，從而更加環(huán)保。

通過以上五個(gè)方面分析閥控式鉛酸蓄電池和鋰電池的原理和特性，可以看出鋰電池比閥控式鉛酸蓄電池有著更好的應(yīng)用體驗(yàn)（見表1）。并且，相較于鋰電池初期投資成本（CAPEX）較高的缺點(diǎn)，閥控式鉛酸蓄電池設(shè)備后期所需要進(jìn)行維護(hù)與換新的成本花費(fèi)更加高昂，其總體擁有成本（TCO）更高。

表1 閥控式鉛酸蓄電池與鋰電池技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 UPS電源系統(tǒng)升級(jí)

UPS電源系統(tǒng)的升級(jí)改造選用磷酸鐵鋰電池替代傳統(tǒng)的閥控式鉛酸蓄電池，其屬于鋰電池的一種，目前在新能源汽車以及大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該電池在高溫環(huán)境或過充情況下不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)崩塌，具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，磷酸鐵鋰的實(shí)際容量可達(dá)160mAh/g，循環(huán)次數(shù)能達(dá)到5000次以上，并且在發(fā)生火燒或者被穿刺的情況下依然不會(huì)發(fā)生爆炸，是一種優(yōu)秀的UPS系統(tǒng)儲(chǔ)能電池?？梢愿鶕?jù)發(fā)電廠UPS電源系統(tǒng)的具體需求調(diào)整磷酸鐵鋰電池組的容量，在后期升級(jí)改造中不需要改變整體架構(gòu)，只需要將新的磷酸鐵鋰電池單體并聯(lián)到現(xiàn)有電源系統(tǒng)中從而達(dá)到儲(chǔ)能容量的提升，或者將新的磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)到現(xiàn)有電源系統(tǒng)從而提高電壓平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)UPS電源系統(tǒng)緊隨發(fā)電廠升級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

升級(jí)電源包括密閉的防爆外殼、電池組、BMS、均衡模塊、充電器、逆變器與靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。

該系統(tǒng)采用多個(gè)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，選用電池管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“BMS系統(tǒng)”）（圖1）對(duì)磷酸鐵鋰電池組的充放電進(jìn)行管理。BMS系統(tǒng)由主控單元（CMU）、數(shù)據(jù)采集單元（BMU）及界面通信單元（ICU）等組成。其中，主控單元（CMU）負(fù)責(zé)對(duì)電池組充放電過程中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示電池組的各種信息（如電壓、電流、溫度和充放電狀態(tài)等）等功能。數(shù)據(jù)采集單元（BMU）負(fù)責(zé)電芯的數(shù)據(jù)采集、電壓均衡以及充放電保護(hù)，以保持并聯(lián)電芯充電電源的一致性，從而保護(hù)所有電芯在充電過程中的安全穩(wěn)定。界面通信單元（ICU）是電池管理系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，可以顯示系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)及故障情況。

因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的閥控式鉛酸蓄電池，使用BMS系統(tǒng)的UPS電池系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集電池組中每個(gè)電芯的電壓、電流以及溫度等運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)電池組的運(yùn)行狀況進(jìn)行報(bào)警和控制，并及時(shí)對(duì)電芯進(jìn)行均衡管理、充電保護(hù)、過放電保護(hù)、短路保護(hù)以及過溫保護(hù)[5]。如在電流遇到突發(fā)情況超過短路設(shè)定值觸發(fā)關(guān)斷保護(hù)，BMS系統(tǒng)將在100ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)動(dòng)作。BMS系統(tǒng)另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其是一個(gè)開放系統(tǒng)，后期研究中可以根據(jù)UPS系統(tǒng)需求選取置換多種鋰電池組。并且，原有的UPS系統(tǒng)的輔助設(shè)備和整流設(shè)施在升級(jí)改造后可以正常投入使用，能夠有效減少升級(jí)改造對(duì)輔助設(shè)備的適配和安裝需求，在技術(shù)處理上也比較簡(jiǎn)單，在改造后整個(gè)系統(tǒng)可以順利運(yùn)行。

4 運(yùn)行實(shí)際效果

UPS電源系統(tǒng)的升級(jí)改造后投入正常運(yùn)行，對(duì)電池組運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)使用磷酸鐵鋰電池替代傳統(tǒng)的閥控式鉛酸蓄電池后，其性能穩(wěn)定，在火電廠工作環(huán)境溫度較高的情況下，以兩倍放電速率運(yùn)行實(shí)際容量仍能維持在150mAh/g，遠(yuǎn)高于老式的閥控式鉛酸蓄電池的40mAh/g。且運(yùn)行150圈無明顯衰減，能有效替代老式閥控式鉛酸蓄電池。

5 結(jié)論

綜合各種指標(biāo)比較后，可發(fā)現(xiàn)發(fā)電廠UPS使用磷酸鐵鋰電池時(shí)，在物理和化學(xué)性能各方面均具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。采用磷酸鐵鋰電池作為UPS系統(tǒng)中的電源，替代閥控式鉛酸蓄電池將對(duì)傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)與使用理念進(jìn)行改良，不僅會(huì)有效提高UPS系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性，而且能夠降低“總體擁有成本”（TCO），包括后期UPS系統(tǒng)電能的損耗，以及在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程中人力物力的支出，從而使電力設(shè)施生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程的安全、穩(wěn)定和節(jié)能。從未來UPS電源系統(tǒng)發(fā)展方向來看，鋰電池UPS與發(fā)電廠智能化發(fā)展趨勢(shì)具備很高的契合度。隨著近年來鋰電池價(jià)格持續(xù)走低，本文通過研究發(fā)電廠UPS系統(tǒng)中蓄電池的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)發(fā)電廠UPS系統(tǒng)升級(jí)改造探索一種高效、低費(fèi)的鋰電池置換方案，為發(fā)電廠電池儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍的拓展、智能化控制、企業(yè)的節(jié)能降耗的發(fā)展提供一種新的思路。