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編者按：廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院的研究人員指出，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的成熟及價格的下降，有望取代鉛酸蓄電池成為變電站后備電源的首選電池。

廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院的研究人員梅成林、趙偉，在2019年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，國內(nèi)從磷酸鐵鋰電池的浮充性能、磷酸鐵鋰電池浮充性能改進以及非浮充式的磷酸鐵鋰電池直流系統(tǒng)等方面研究了磷酸鐵鋰電池在變電站應(yīng)用的可行性，磷酸鐵鋰電池被視為變電站直流電源中鉛酸蓄電池的理想替代品。但是磷酸鐵鋰電池仍然存在不能過充過放、一致性差、單體容量小等缺點，使其在變電站的應(yīng)用中存在不可忽視的安全風險。

 

為解決以上問題，本文設(shè)計了一種先串聯(lián)滿足電壓等級再并聯(lián)滿足容量要求的磷酸鐵鋰電池拓撲結(jié)構(gòu)，并對各串聯(lián)電池組進行獨立的充電控制，避免過充電及并聯(lián)電池組的環(huán)流風險，滿足交流失電時直流母線的無縫供電要求。

 

蓄電池作為交流中斷后的緊急電源為變電站保護、控制、事故照明等提供電力，是變電站安全運行的保障。目前，大部分變電站采用“免維護”的閥控式鉛酸蓄電池，從運行情況來看，閥控式鉛酸蓄電池只是不加水，不測比重，其日常維護工作量依然大。而且，閥控式鉛酸蓄電池具有對環(huán)境溫度要求高存在短時間崩潰風險。

 

與鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池具有更高的額定電壓、可以在同等容量的情況下減少串聯(lián)電池的數(shù)量；具有更好的溫度特性，對環(huán)境溫度要求降低，隨著磷酸鐵鋰電池性能的進一步提升，價格進一步的下降，磷酸鐵鋰電池被視為鉛酸蓄電池的理想替代品。

 

魏增福等人將磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于110kV變電站系統(tǒng)，提出磷酸鐵鋰電池在變電站應(yīng)用需要加裝電池管理系統(tǒng)，對各單體電池進行均衡。鐘國彬等人研究了磷酸鐵鋰電池組的浮充特性，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池不同于鉛酸電池的浮充電流特性，在浮充電壓大于3.5V時，浮充電流為0。

 

李晶等人提出了一種非浮充式的變電站直流系統(tǒng)電源，改變傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池在線浮充電運行方式，通過電池管理系統(tǒng)保證磷酸鐵鋰電池不離線以及非浮充的充電控制及保護，突破鋰電池在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用瓶頸。

 

李瑾等人從性能、購置成本、使用維護成本、安全性和廢棄處理等方面分析了磷酸鐵鋰在變電站系統(tǒng)應(yīng)用可行性，認為磷酸鐵鋰電池在變電站應(yīng)用是必然的發(fā)展趨勢。

 

盡管磷酸鐵鋰電池有諸多優(yōu)點，但是其不能過充過放、一致性差等特性卻是客觀存在的事實，將其應(yīng)用于變電站作為后備電源還有很多問題有待進一步研究。本文通過分析磷酸鐵鋰電池在變電站非浮充應(yīng)用時的供電可靠性及小容量電池組分組并聯(lián)應(yīng)用的優(yōu)勢，提出基于磷酸鐵鋰電池的直流系統(tǒng)設(shè)計方案，為磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

 

 

磷酸鐵鋰電池是以磷酸鐵鋰作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，把電池正極與負極隔開，鋰離子可以通過而電子則不能通過；以碳或石墨作為電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池內(nèi)部充有電解液，外部由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰電池在安全性上相對鋰錳電池及鋰鎳電池已有極大的提高，但是不具備在變電站進行浮充應(yīng)用的條件。

 

制約高容量鋰離子電池在變電站等安全性要求高的場合推廣使用的重要因素是其在過熱、過充、過放、短路、振動、擠壓等條件下會出現(xiàn)著火、爆炸乃至人員受傷等。陳玉紅等人對鋰離子電池的過充試驗表明在過充條件下負極由鋰離子的嵌入反應(yīng)變成鋰金屬在負極表面的沉積，溶劑被氧化，金屬鋰與溶劑隨著電池溫度的升高發(fā)生反應(yīng)著火，并伴隨著電解液的分解，產(chǎn)生爆炸條件。

 

磷酸鐵鋰電池在變電站通常安裝在專用的電池室內(nèi)，應(yīng)用環(huán)境較好，不會出現(xiàn)過熱、振動、擠壓、短接電池的情況，因此其應(yīng)用安全性的關(guān)鍵在于不能出現(xiàn)過充及過放。

 

變電站電池組是由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成，單體之間的不一致性會導(dǎo)致在充電過程中各單體的充電電壓存在差距，如果沒有進行任何的均衡措施，單體之間的差異逐漸增大，最終導(dǎo)致個別單體過充、溫度過高等故障，造成整組電池使用壽命縮減，甚至報廢爆炸等。

 

電池管理系統(tǒng)理論上可以解決磷酸鐵鋰電池在浮充應(yīng)用條件下過充電問題，但是實際上目前主流的電池管理系統(tǒng)廠家都是采用電阻放電來避免過充，在長期浮充條件下，電池管理系統(tǒng)長時間處于發(fā)熱狀態(tài)，反而成為一個巨大的安全隱患。

 

本文對磷酸鐵鋰電池進行充電控制，在電池充滿電的情況下進行熱備份，既能避免磷酸鐵鋰電池過充電，同時又保障磷酸鐵鋰電池履行后備電源的職責，在交流失電的情況下無縫對直流負載供電。

 

鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域主要是電子器件如相機、手機、筆記本電腦等電池容量較小的場合，對于電動汽車、變電站等大容量高電壓等級的場合，需要將成百上千電池串并聯(lián)后應(yīng)用，則發(fā)生安全問題的概率會增加，且對電池的一致性及電池管理系統(tǒng)的要求更高。

 

大容量磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用仍處于起步階段，市場上已成規(guī)?；a(chǎn)的單體容量為50AH，也可以定制100AH及以上更大容量的電池，但是單體容量越大，安全系數(shù)越低。變電站按規(guī)程設(shè)計單體電池模塊容量一般是在300AH以上，與直接用300AH以上單體串聯(lián)應(yīng)用以及18650或者26650電芯串并聯(lián)應(yīng)用相比，采用性能相對穩(wěn)定的單體容量為50AH的電池進行串并聯(lián)組合的拓撲結(jié)構(gòu)，具有更高的安全性。

 

 

磷酸鐵鋰電池采用先串聯(lián)成滿足電壓等級要求的電池組后再進行并聯(lián)，由于各電池組直接并聯(lián)存在壓差，會產(chǎn)生環(huán)流，本文設(shè)計的基于磷酸鐵鋰電池的直流系統(tǒng)在各電池組之間增加充電控制回路，獨立調(diào)整各電池組的充電，并利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，避免環(huán)流的產(chǎn)生，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

本文中，磷酸鐵鋰電池組是由IGBT器件通過PWM信號控制充電電壓/電流大小，當外部接入的電壓電流過大時會智能調(diào)節(jié)對磷酸鐵鋰電池的電流輸出，避免大電流充電出現(xiàn)的安全隱患。當兩組電池同時充電時，端電壓較低的電池組充電電流有增大的趨勢，控制系統(tǒng)會調(diào)節(jié)IGBT器件的導(dǎo)通速率，降低或停止對蓄電池組的電流輸入，阻止充電電流進一步增大形成的惡性循環(huán)導(dǎo)致蓄電池損傷，避免充電過程產(chǎn)生較大的環(huán)流。

 

圖2所示為電池起動充電的電流變化曲線，可以看出經(jīng)IGBT器件的控制，電池電流緩慢上升至設(shè)定充電電流，可避免大電流的產(chǎn)生。

 

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

圖2 電池起動電流曲線圖

 

通過IGBT器件控制結(jié)合對電池組數(shù)據(jù)的采集和判斷，控制磷酸鐵鋰電池在充滿電后斷開充電回路，在需要補充充電時自動起動充電，不進行長期在線浮充電，避免過充電對磷酸鐵鋰電池造成損傷，其充電控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

 

 

單向器件可以滿足交流失電時，蓄電池組無任何延遲的對負載進行供電，還能滿足在非充電過程中，兩組或多組電池并聯(lián)存在電壓差時，高電壓蓄電池組與低電壓蓄電池組之間不導(dǎo)通，從而不存在充電回路，避免了環(huán)流現(xiàn)象的產(chǎn)生。二極管并聯(lián)等效電路如圖4所示。

 

圖5為4組并聯(lián)的磷酸鐵鋰電池同時放電時的電壓電流變化曲線，可以看出各組電池的電壓電流的變化比較均衡，不存在環(huán)流現(xiàn)象。

 

圖3 充電控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

 

圖4 二極管并聯(lián)等效電路圖

 

圖5 多組電池并聯(lián)放電電流變化曲線

 

 

本文設(shè)計的先串聯(lián)滿足電壓等級再并聯(lián)滿足容量要求的磷酸鐵鋰電池拓撲結(jié)構(gòu)，基于磷酸鐵鋰電池的特性，改變了傳統(tǒng)的電池接線及管理方式。與傳統(tǒng)浮充時的鉛酸電池相比，本系統(tǒng)方案采用容量堆疊式的設(shè)計，有利于變電站磷酸鐵鋰電池的容量設(shè)計。通過各串聯(lián)電池組進行獨立的充電控制，能夠避免過充電及并聯(lián)電池組的環(huán)流風險，滿足交流失電時直流母線的無縫供電要求。

 

本文的系統(tǒng)方案安全性能得到提高、自動化程度增加，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的成熟及價格的下降，有望取代鉛酸蓄電池成為變電站后備電源的首選電池。

 

原標題:磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用安全性分析及其系統(tǒng)設(shè)計