站用直流系统锂电化改造应用研究

曹斌，代文良，陈瑞珍

(国网湖南省电力有限公司超高压变电公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

现有变电站用直流电源系统监控体系分散，缺少状态综合判断功能，对直流母线脱离蓄电池、直流母线脱离充电机等重要故障难以检测[1－2]。装置彼此信息不能共享，难以实现对整站直流电源系统的全面监测、综合分析、安全操控、智能维护及全景展示。未来，变电站既是电力物联网的重要环节，也是“三站合一”等新兴业务的落地场景，直流电源作为重要的站内供电保障设备[3]，既要支撑全站安全、稳定、智能化运行，其本身也需实现高可靠、高安全和智能化。

变电站直流电源系统多采用阀控式密封铅酸蓄电池[4－5]，其工作电流范围小，笨重搬运和维护不便，极板腐蚀、电解液干涸等隐蔽缺陷难以发现[6－7]，单体开路问题突出，是电网的一大安全隐患，这些铅酸蓄电池本征缺陷所引发的问题，难以通过监测、智能维护等应用层面的技术手段进行解决。近年来，铅酸蓄电池随着中标价格的降低，质量出现明显下降趋势，平均有效寿命只有4～5年[8]，不足设计寿命的一半，其性能和智能化程度均不能满足电力物联网应用要求。而磷酸铁锂电池寿命长，备电日历寿命可达10～12年、温度特性好，可在－10～55℃的环境温度下正常工作[9－10]，随着电池工艺以及市场产能和电池质量的提升，被视为铅酸蓄电池的理想替代。

本文介绍磷酸铁锂电池的应用场景，分析磷酸铁锂电池在某110 kV变电站备电应用情况。通过磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池性能对比分析，磷酸铁锂电池作为变电站备电，在安全性、寿命、高倍率充放电、高温性能、能量密度、安全环保等方面存在明显优势，对两者的技术经济进行比较，总结出磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池具有较高的可行性和经济性。

1 磷酸铁锂电池应用情况

锂离子电池作为一种新型电化学电池，其能量密度高、功率特性好、寿命较长、材料体系灵活多样，复杂运行工况适配性好，近年来在储能系统、动力电源及备用电源领域得到广泛应用。

尤其是电动汽车产业发展，带动锂离子电池技术快速进步，产品性能快速提升，价格快速下降，极大推动了锂离子电池规模化生产和应用的进程。

1.1 磷酸铁锂电池在储能系统的应用

由磷酸铁锂电池所构成的储能系统，具有较强的扩展性、工况转换快、安全环保、运行灵活且效率高等优势，目前作为储能电池在可再生能源发电、电网调峰、分布式发电等领域中得到了广泛应用[11]。在我国已投运的电化学储能电站中，采用磷酸铁锂电池占比达到80%。作为储能用的磷酸铁锂蓄电池通过单体电池串并联组成电池堆，容量一般在几百千瓦至几十兆瓦，电池堆通过AC/DC模块和变压器接入电网，实现电能的实时存储与反送，从而达到电能的高效利用和削峰填谷的目的。图1为锂电池在电网侧储能系统的应用接线简图，从应用情况来来看，磷酸铁锂电池作为储能电池可组成大容量储能设备，实现大电量的稳定存储和释放，其安全性、可靠性和循环寿命等性能得到实际检验。

图1 储能系统接线简图

1.2 磷酸铁锂电池在动力电源系统的应用

电动汽车对其动力电池要求很高，既要有足够的能量来满足一定的驾驶周期和行驶里程，提供能达到车辆指定加速性能所需要的最大功率，又需要具备很高的安全性、较长的循环寿命和较强的短时充放电能力。而磷酸铁锂电池能量密度较高[12]，循环寿命长、安全性好，具备高倍率充放电能力，是较为理想的动力电源之一，已被广泛应用于电动汽车等行业中，其综合性能优势在应用中也得到了充分验证。截至2020年底，我国70%的电动汽车采用磷酸铁锂电池作为动力电源，对于涉及到大量人员生命安全的电动大巴或公交车，国家政策强制要求使用磷酸铁锂电池作为动力电源。

1.3 磷酸铁锂电池在变电站直流电源系统的应用

磷酸铁锂电池在变电站备用电源中应用情况较少，只有个别试点应用[13－14]。例如，某110 kV变电站配置并联型直流电源系统一套，直流系统电压110 V，蓄电池12 V/200 A·h，设置3段直流母线，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分别设置8个、8个、4个并联直流蓄电池组件，其中Ⅰ、Ⅱ段采用铅酸蓄电池，Ⅲ段采用磷酸铁锂电池。对磷酸铁锂电池充电采用间歇式充电模式进行管理，充电策略为:正常情况下，并联电池模块对磷酸铁锂电池进行限流恒压均充，待电池的极柱电压达到设定的均充电压14.1 V时，或均充累计时间达到设定的均充保护时间时，状态转换为充电完成；关闭充电变换器，模块停止对电池进行充电，但电池的放电回路不受影响，当电池的极柱电压下降至13.45 V时，模块又转换为均充充电系统，如图2所示。

图2 某110 kV变电站并联直流电源系统图

该套直流电源系统的电池均通过并联电池组件升压至115 V，并进行充放电管理。在小电流实际放电(放电倍率为0.1C，如图3(a)所示)时，两种电池放电时间分别为10.22 h和9.74 h，基本达到标称容量；当放电倍率提高至0.5C(如图3(b)所示)时，铅酸蓄电池放电时间0.98 h，放电容量仅为标称容量的49.0%，而磷酸铁锂电池则表现出远超铅酸蓄电池的大电流放电能力，其放电时间达到1.96 h，放电容量为196.4 A·h，是标称容量的98.2%。

图3 磷酸铁锂电池和铅酸蓄电池的电压变化曲线

2 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池性能对比

2.1 铅酸蓄电池存在问题

目前变电站、配电自动化终端、通信基站等基本采用阀控式密封铅酸蓄电池[15]，根据现有铅酸蓄电池招标技术规范要求和设备部运行维护操作规程，电力设备用铅酸蓄电池的使用寿命应达到6～8年，现有铅酸蓄电池虽标称寿命6年，但在现场运行维护，实际运行寿命一般都在3年以下，甚至有些寿命短于1年。以配电自动化终端为例，据2019年华中地区某省调查结果显示，在抽检的5 000余只电池中，有2 000只出现了不合格的情况，主要表现为容量不足、内阻过大等，不合格率达到36%，且投运越久不合格率越高，投运3年以上的电池不合格率达到90%以上。

出现上述现象的主要原因是由其材料体系和本征特性决定，铅酸蓄电池材料体系和结构设计存在极板裂化、电解液失水、酸液腐蚀等问题，造成其寿命较短。加之铅酸蓄电池内阻高，耐温性能不佳，设备操作和后备电源有很多运行在户外，温度环境较为恶劣，如配电自动化终端后备电源，在中东部地区，夏季运行环境温度达50℃，三北地区冬季环境温度达－40℃以下，这都对铅酸蓄电池耐高低温性能提出了严峻的挑战。研究表明，自室温起，温度每上升10℃铅酸蓄电池寿命下降一半，低温至0℃时，铅酸蓄电池会出现严重电量亏损，寿命也大大缩短，可见铅酸蓄电池难以满足电力系统特殊高低温应用要求。另外，铅酸蓄电池系统没有类似锂离子电池的专门管理系统，日常监管维护主要依赖人工巡查和定期人工核容的方式，耗费大量人力，大幅提升了电池系统运行维护成本，而且还易出现由于人员疏忽和监管不到位造成的电池失效和故障。

2.2 磷酸铁锂电池性能特点分析

橄榄石结构LiFePO4，是聚阴离子框架结构，其结构基元是LiO6八面体、FeO6八面体和PO4四面体，磷酸根中强的P―O共价键在完全充电状态下稳定了氧原子，避免其被氧化生产氧气而释放，该结构的存在使得LiFePO4成为一种安全的正极材料，磷酸铁锂电池结构如图4所示。

图4 磷酸铁锂电池结构图

因此磷酸铁锂电池作为锂离子电池家族中一种高安全高比能的电池，与铅酸电池相比有如下优势:

1)安全性高。磷酸铁锂晶体中的P－O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性，且在实际操作的针刺或短路实验中发现有小部分样品出现燃烧现象，但未出现一例爆炸事件。磷酸铁锂电池的过充安全性较之普通液态电解液钴酸锂电池也大有改善。

2)寿命改善。长期浮充状态下磷酸铁锂电池寿命较长。作浮充用时，在环境温度20℃条件下，2 V GEL铅酸蓄电池寿命是10年，而磷酸铁锂电池寿命是20年，是2 V GEL铅酸蓄电池的2倍。充放电循环情况下，在环境温度25℃和100%循环深度条件下，2 V GEL铅酸蓄电池0.15C充放电，循环次数只有500次，而磷酸铁锂电池1C充放电，循环次数可达2 000次以上，超过2 V GEL的4倍。

3)高倍率充放电性能。磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40 min内即可使电池充满，起动电流可达2C，而铅酸蓄电池无此性能。GEL铅酸蓄电池最大持续放电电流小于0.2C，当持续放电电流为0.5C时，放电放出的容量仅为0.1C的55%左右。对于相同容量完全充电的磷酸铁锂电池，在相同的温度下，采用不同倍率的放电电流，其放电输出特性非常稳定。如图5所示为某200 A·h磷酸铁锂电池的放电曲线图，不管哪种放电率，放电过程中电压是很平坦的，只有快到终止放电电压时，曲线才迅速向下弯曲。

图5 磷酸铁锂电池放电曲线

由于磷酸铁锂电池比铅酸蓄电池具有更高倍率的放电性能，进行容量计算时不能完全参照DLT 5044—2014«电力工程直流电源系统设计技术规程》中给出的铅酸蓄电池容量换算系数。在满足变电站事故全停电时间内的同等放电容量下，磷酸铁锂电池可以配置比铅酸蓄电池更小的容量。以无人值班变电站配置一组200 A·h阀控式密封铅酸蓄电池为例，根据DLT 5044—2014«电力工程直流电源系统设计技术规程》中容量换算系数计算公式:

式中，Kc为容量换算系数(1/h)；Kk为可靠系数，取1.40；It为事故放电时间t的放电电流，A；C10为蓄电池10 h放电率标称容量，A·h。

由该规程可知2 h事故放电时间下，放电终止电压1.85 V的阀控密封式铅酸蓄电池容量换算系数为0.344，则由式(1)计算可知无人值班变电站200 A·h阀控式密封铅酸蓄电池的事故持续放电2 h的放电电流约为50 A。由图5中磷酸铁锂电池放电曲线可知，满足50A放电电流持续放电2 h情况下只需配置大于100 A·h的磷酸铁锂电池容量即可，因此铅酸蓄电池锂电化改造时参照铅酸蓄电池容量换算系数进行计算，易造成选择容量偏大，需重新评估容量换算系数。

4)高温性能好。铅酸蓄电池高温特性差，一般温度相对于25℃每升高10℃，铅酸蓄电池寿命将缩短一半，在环境温度60℃时铅酸蓄电池已无法正常工作。浮充状态下，在环境温度40℃时，GEL铅酸蓄电池寿命只有2.5年，而磷酸铁锂电池寿命是10年，是GEL铅酸蓄电池的4倍。作循环使用时，为保证循环次数，环境温度超出30℃时，铅酸蓄电池需用空调降温，增加空调成本和空调能耗，而磷酸铁锂电池在环境温度45℃以内，可用风扇散热，即使在环境温度55℃和100%循环深度条件下，磷酸铁锂电池3C充放电循环还能达到1 000次。

5)大容量且无需活化。能量密度是指一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度是指平均单位体积或质量所释放出的电能。在相同体积下，磷酸铁锂电池的能量密度是铅酸蓄电池的3～4倍。因此在电池容量相等的情况下，磷酸铁锂电池比铅酸蓄电池的体积更小，重量更轻。相同容量的磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池相比，体积上减少25%～30%，重量上减少50%～60%。在当前变电站集约化设计的趋势下，用于放置两组蓄电池的空间越来越小，因此能量密度大、体积小的磷酸铁锂电池优势突出。铅酸蓄电池的极板不可逆转地会发生硫化，只有在一个季度或半年给电池做一次大电流放电来使硫酸铅溶解。对于磷酸铁锂电池，由于极板之间是完全隔离的，所以可以长期放置，不需要活化。

6)安全、环保。电池本身就是一种化学物质，所以有可能会产生两种污染:一是生产工程中的工艺排泄物污染；二是报废以后的电池污染。铅酸蓄电池主要原料是铅与硫酸，生产和使用过程中对环境的污染比较严重。铅酸蓄电池造成的环境污染，主要发生在企业不规范的生产过程和回收处理环节，而磷酸铁锂电池对环境无污染、无毒，符合ROHS强制标准规定，更环保。

铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池性能对比见表1，磷酸铁锂的安全性、可靠性和循环寿命等各方面性能优异，适宜作为变电站后备电源推广应用。

表1 铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池性能对比

3 磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池技术经济比较

3.1 采购成本比较

根据市场询价，磷酸铁锂电池每瓦时(能量)价格在1.5～2元，而根据某电力公司协议库存中标电池价格，铅酸电池每安时(容量)价格在1～2元。以220 V、200 A·h蓄电池组为例，铅酸蓄电池组价格约为2～4万元(104×200×1～104×200×2)，磷酸铁锂电池组成本约为6.6～8.8万(220×200×1.5～220×200×2)，磷酸铁锂电池组BMS系统1.2万元/套，铅酸蓄电池巡检装置0.6万元/套，整组磷酸铁锂电池价格大约为铅酸蓄电池组价格的2倍左右。

3.2 安装成本比较

磷酸铁锂电池体积小、重量轻，组屏布置时占用屏位较少，每200 A·h磷酸铁锂电池只需组屏1面，而同容量铅酸蓄电池需组屏2面，电池容量在300 A·h及以上时，铅酸蓄电池需设置专用蓄电池室，而磷酸铁锂电池则不需要。综合评估下，磷酸铁锂电池的占地及安装成本约为铅酸蓄电池的1/2左右。铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池其他成本对比见表2。

表2 铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池成本对比

综上可知，前期的设备采购和安装总成本，两种蓄电池差别不大，并且随着磷酸铁锂电池应用规模不断扩大其边际成本不断递减。在后期的全寿命周期维护中，磷酸铁锂电池凭借其长循环寿命、免维护、性能稳定等特点，其全寿命周期成本为铅酸蓄电池的一半左右，应用经济价值凸显。

4 结语

以站用直流系统蓄电池为研究对象，分析传统铅酸蓄电池存在的缺点以及磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池的可行性，并进行如下总结与展望:

1)磷酸铁锂电池具有较好的安全性能、较长的循环寿命，能量密度高，无毒，无污染，原材料来源广泛，综合优势显著。在通信、储能、轨道交通及电动汽车等行业应用广泛，取得了较高的经济效益、环境效益和社会效益，其安全性、可靠性和循环寿命等各方面性能均得到较长时间的实践检验。在技术成熟度、产品可靠性、工程应用示范等方面，磷酸铁锂电池在功能上已经能完成变电站铅酸蓄电池替代。

2)磷酸铁锂电池直流电源系统的全寿命周期成本较低。就电池本身而言，目前同容量的磷酸铁锂电池成本是铅酸蓄电池的2倍左右，但磷酸铁锂不需要设置，运行中维护简单，且基本不需要进行核对性充放电试验，因此，从全寿命周期来看，磷酸铁锂电池直流系统具有优势。

3)磷酸铁锂电池用于变电站时容量换算系数缺乏试验依据，参照铅酸蓄电池容量换算系数进行计算，易造成选择容量偏大，需要进一步对电池样本进行一系列实测，确定锂电池的各种曲线、系数等重要数据，通过系统试验和资料整理，确定其在电力工程中容量计算等相关技术要求。