磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中的應用

河南省法恩萊特新能源科技有限公司 李海杰

磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中有著較多應用優(yōu)勢，尤其是在高功率或大容量電池中具有明顯的充放電特性及熱穩(wěn)定性，使得各個領域對其關注度不斷提高。隨著磷酸鐵鋰電池性能的提升以及價格的下降，使其應用的領域得到擴展，不僅可用于儲能電站、電動汽車中，磷酸鐵鋰電池在其他領域均有廣泛的應用。現(xiàn)階段，由于電力系統(tǒng)的鉛酸蓄電池維護工作的任務量較大，且此類電池對于環(huán)境條件的需求較高，導致實際的使用壽命無法達到預期，促使磷酸鐵鋰電池應用在電力系統(tǒng)的研究逐漸增加。

1 磷酸鐵鋰電池技術特點

磷酸鐵鋰電池基本的內(nèi)部結構主要是由正極、負極、隔板、外殼、電解液、安全閥、端子等構成。其中正負極由參與電化學反應的活性物質(zhì)及導電粘結等材料所組成，是電池的重要組成部分。蓄電池的不同劃分主要是因為正負極使用的材料、電動勢存在差異所產(chǎn)生，但多數(shù)蓄電池的工作原理均相同：當蓄電池進行放電時，電子會經(jīng)過負極通過外電路流向正極，此時電池內(nèi)部結構中的正負離子在電解液內(nèi)逐漸向兩極進行定向移動，最終形成電流，兩個電極上會出現(xiàn)化學反應，具體表現(xiàn)為負極失去電子出現(xiàn)氧化反應、正極得到電子出現(xiàn)還原反應，電池化學能變?yōu)殡娔転樵O備提供正常的使用；當蓄電池充電時，電極上會出現(xiàn)放電反應的逆反應，此時電極活性物質(zhì)會再生，將電能轉變?yōu)榛瘜W能進行再次儲存。

磷酸鐵鋰電池使用的材料為磷酸鹽類嵌鋰材料，其具有結構穩(wěn)定及充放電過程中不易出現(xiàn)變形或損壞的特點。鋰離子循環(huán)的嵌入與脫出只會使負極材料間層距發(fā)生變化，對具體材料的晶體結構不會造成嚴重的損壞。因此，磷酸鐵鋰電池具有較好的抗高溫及抗過充電的特性，且循環(huán)利用性能良好；此外，以凝膠聚合物電解質(zhì)取代液體電解質(zhì)可保證電池無漏液，且電池形狀更加適合設計，具有一定的安全性。磷酸鐵鋰電池具有以下特性：能量密度較高；安全性良好；高低溫環(huán)境適應力強；高效率輸出性能；循環(huán)利用效果較好；環(huán)保及節(jié)能減排[1]。

2 磷酸鐵鋰電池技術特性

單體電池技術參數(shù)。現(xiàn)階段單體電池的最大容量可達到500Ah，但實際規(guī)模化生產(chǎn)后的單體容量僅為400Ah。標稱電壓3.2V、放電終止電壓為2.5V、能量體積為190kWh/m3、能量重量為90kWh/kg，單體電池的重量約為13.6kg，其充放電效率為97%，具有電池內(nèi)阻小及自放電小的特點；充放電特性。在充電初期會表現(xiàn)為恒流充電，當電池電壓滿足穩(wěn)定值時即可進行恒壓充電。磷酸鐵鋰電池放電曲線十分平穩(wěn)，在多數(shù)放電期間內(nèi)均可保持平穩(wěn)的電壓，使其可高效率的進行放電[2]。

循環(huán)利用。研究發(fā)現(xiàn)，對550mAh的小容量磷酸鐵鋰電池進行實際數(shù)據(jù)測量，其中1C代表充電、4C代表放電、100%DOD表示循環(huán)深度，在進行重復充放電5350次后，最終剩余的容量是電池初始容量的87.2%，由此可判斷磷酸鐵鋰電池的使用壽命比鉛酸電池更久；良好的環(huán)保效果。磷酸鐵鋰電池的主要材料具有無毒性，與常規(guī)的電池相比有良好的環(huán)保性能，同時可提取廢棄電池內(nèi)可利用的成分進行循環(huán)使用，一定程度上可降低資源的損耗，保護生態(tài)環(huán)境，避免環(huán)境受到污染[3]。

3 磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中的應用分析

3.1 在變電站直流電源中的應用

3.1.1 蓄電池容量的合理選擇

我國磷酸鐵鋰電池的應用發(fā)展較慢，現(xiàn)階段仍處于起步時期，但由于大量儲存的數(shù)據(jù)信息有限，根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查中獲得的資料發(fā)現(xiàn)，如磷酸鐵鋰電池應用于變電站直流電源中會逐漸出現(xiàn)電池容量選擇困難的情況。在對鉛酸電池運行數(shù)據(jù)進行計算時發(fā)現(xiàn)，其在相同時間內(nèi)容量系數(shù)要遠小磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池作為變電站直流系統(tǒng)中的主要組成部分，具有較強的穩(wěn)定性以及安全性，在我國科技不斷發(fā)展的背景下，促使電力需求隨之增加，傳統(tǒng)的變電站直流系統(tǒng)已無法滿足當前電網(wǎng)的運行需求，需及時采取有效措施改善現(xiàn)狀。鉛酸電池由于自身不耐高溫、充過放電及維護工作量較大等特點，嚴重限制了變電站現(xiàn)代化發(fā)展的進度。

因此，要不斷創(chuàng)新技術，使用新材料新技術，有效提高變電站直流系統(tǒng)的運行效率。與其他電池相比，磷酸鐵鋰電池具有較長的生命周期、安全性較高、耐高溫、體積小等優(yōu)勢，所以將磷酸鐵鋰電池裝置在變電站直流電源系統(tǒng)中有著重大的意義。磷酸鐵鋰電池組的應用優(yōu)勢十分顯著，如優(yōu)異的耐高溫、耐過充特點，由于其工作時電壓較低，直接決定了其耐過充性能較強。磷酸鐵鋰電池其使用壽命較長，有著較高的安全性，且材料來源十分廣泛，受到各個領域的重點關注，使磷酸鐵鋰電池有望成為未來電力系統(tǒng)直流電源中的關鍵選型設備。

3.1.2 直流系統(tǒng)的拓撲結構

由于現(xiàn)階段我國電池制造業(yè)整體水平處于發(fā)展中，使磷酸鐵鋰電池的單體容量最大僅為500Ah，當其達到一定產(chǎn)能時最大單體的容量為400Ah，而500kV、220kV、110kV變電站根據(jù)設計的標準單體電池最大容量為800Ah、500Ah、300Ah，因此將磷酸鐵鋰電池應用于變電站直流電源中會出現(xiàn)以下問題。

若直接用磷酸鐵鋰電池取代鉛酸電池，而仍使用傳統(tǒng)蓄電池串聯(lián)的方法將其接入高頻率開關的電源中，會使磷酸鐵鋰電池的單體容量受到一定的限制，僅能應用于110kV及其以下的變電站中；如應用于220kV或500kV的變電站中，會使其單體容量難以滿足相關標準，這就需對拓撲結構進行進一步的優(yōu)化與完善。所以與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池串聯(lián)的方法相比，磷酸鐵鋰電池需應用在220kV、500kV的變電站直流電源中，并要利用串并聯(lián)相結合的拓撲結構。

在此需注意，如直接采用其進行串并聯(lián)拓撲結構的方式，會由于各個電池間電壓的堆積出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，進而產(chǎn)生電池環(huán)流。因此，在這種情況下須正確選擇性能適宜的電池，并科學合理的設計電池串并聯(lián)組合中需要注意的問題。如果電池一致性較差且性能不統(tǒng)一，將其進行串并聯(lián)則會減少電池的使用壽命，不利于電池的健康使用，對電池的內(nèi)部結構造成不利的影響?；诖耍瑸檫M一步控制電池環(huán)流的出現(xiàn)，需在磷酸鐵鋰電池內(nèi)增加DC/DC模塊，并分別調(diào)整各個電池堆的輸出，使其發(fā)揮電池堆與電池堆間的隔離效果。但如何更好的設計高效性的直流系統(tǒng)拓撲結構，便成為磷酸鐵鋰電池在電力系統(tǒng)中有待解決的應用問題[4]。

3.2 在電力系統(tǒng)中的儲能應用

3.2.1 儲能電站在電力系統(tǒng)中的優(yōu)點

現(xiàn)階段在我國電網(wǎng)中承擔調(diào)峰工作的主要包括煤電、油電、水電及抽水蓄能電站。在這些能源中，由于煤電與油電屬于火電范圍，且火電廠實際的造價成本十分昂貴、運行成本較高及起停時間較長，無法更好的擔任調(diào)峰工作。根據(jù)運行的經(jīng)濟效益及安全性進行分析，電廠此類場所不適宜用作調(diào)峰任務的主要環(huán)境。水電調(diào)峰效果較好，但可充分利用的資源較少。液化天然氣電廠造價成本較低及工期短，但實際運行費用高且起停時間漫長，從經(jīng)濟效益與系統(tǒng)響應速度進行分析，這種情況下對液化天然氣電廠的長遠發(fā)展有一定的限制。

電池儲能電站是我國一項創(chuàng)新的技術，具有周期短、起停時間快、占地體積小、良好的安全性運行、成本較低及對環(huán)境不會造成嚴重污染等優(yōu)點，且對應用場所沒有較高需求，有著廣闊的發(fā)展前景。作為可調(diào)控的電源或負荷而言，具有可調(diào)控的運行效果，有利于提高電網(wǎng)整體的運行速度以及經(jīng)濟效益，如可應用于日負荷曲線調(diào)節(jié)、系統(tǒng)調(diào)頻、旋轉備用、電能質(zhì)量調(diào)控、低頻振動控制、電壓平穩(wěn)調(diào)控等方面。

3.2.2 磷酸鐵鋰電池在儲能電站中的應用

南網(wǎng)兆瓦級電池儲能站工程建設在我國深圳地區(qū)，此工程規(guī)模達到10MW，分為兩期進行建設。第一期總建設量為4MW，其中3MW的建設量為比亞迪的磷酸鐵鋰電池，單體容量為3.2V、200Ah，由256節(jié)單體電池組成的1電池碓，16個儲能電池堆才能組成1個500kW的儲能分系統(tǒng)，此外1M利用中航鋰電磷酸鐵鋰電池構成，單體容量為3.2V、180Ah，由216節(jié)單體電池構成1電池堆，12個電池堆構成1個500kW儲能分系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)需經(jīng)過兩次10kV出線才可接入到110kV站內(nèi)。整個儲能系統(tǒng)要通過降壓、電池儲能、逆變、升壓、并網(wǎng)的形式，進一步實現(xiàn)能量的儲存與轉移?？傊?，電池儲能系統(tǒng)的工作防暑需經(jīng)過控制系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成，具體的功能為削峰填谷、無功率支撐、有功率支撐、孤島運行以及阻尼控制[5]。

3.3 在電力通信電源系統(tǒng)中的應用

3.3.1 電池組的組成

主要包括電池模塊與電池管理系統(tǒng)，其中電池模塊是由一個或多個單體電池所組成。電池管理系統(tǒng)主要包括智能充電管理、電池性能均衡管理、智能間歇充放電管理、通信及檢測性能，可對充放電過程進行有效的保護及短路保護與實際運行溫度的控制等特點。在電源管理系統(tǒng)中需要合理的調(diào)控磷酸鐵鋰電池在運行時的環(huán)境溫度，普遍為0~55℃，如低于0℃進行充電會對電池內(nèi)部結構造成嚴重損害，反之如高于55℃進行充電會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，極易出現(xiàn)安全問題。因此無論磷酸鐵鋰電池是否具有電池管理系統(tǒng)，均需對其單體電池的溫度進行嚴格管控。

3.3.2 磷酸鐵鋰電池工作模式

現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池在通信系統(tǒng)中的應用方法有：磷酸鐵鋰電池取代原有鉛酸電池，蓄電池可直接連接在系統(tǒng)母排上，使其處于在線浮充的狀態(tài)；為磷酸鐵鋰電池中安裝BMS系統(tǒng)，并嚴格調(diào)控電池的充放電環(huán)節(jié)，將蓄電池連接在母排上，使其處于在線浮充的狀態(tài)；為磷酸鐵鋰電池中安裝BMS系統(tǒng)，并全程控制電池的充放電環(huán)節(jié)及其工作的情況，蓄電池經(jīng)過轉換裝置連接在母排中，使其處于智能間歇充放電的狀態(tài)。

3.3.3 磷酸鐵鋰電池在電力通信電源系統(tǒng)中的具體應用

在電力調(diào)度的樓體通信電源室內(nèi)，普遍擁有2~4組容量在500~1000Ah的蓄電池用作備用電源進行使用，由于電源室內(nèi)的鉛酸電池體積較大且重量過沉，當供電荷載過大時會出現(xiàn)擴容需求的情況，室內(nèi)空間與樓體荷載會嚴重制約蓄電池進行擴容。所以需利用一體化的開關電源輔助鋰電池進行工作，能夠真正的實現(xiàn)降低機房內(nèi)電源與電池的占地體積，同時可以滿足設備擴容的需要。此外，鐵電池具有較好的高溫耐熱性能，可以將室內(nèi)空調(diào)的初始溫度控制在35℃，有效的減少了空調(diào)耗能的情況。

在生活區(qū)域、工作環(huán)境以及較遠的縣城站點中，由于這些地點的特殊性，使供電的條件有限，極易出現(xiàn)頻繁斷電或停電的狀況，由于磷酸鐵鋰電池具有循環(huán)使用及高放電的性能，在這些地點中使用鐵鋰電池，可以進一步提高通信設備供電的安全性，對提升其綜合效益有著重要的作用。在偏遠的縣城里，其變電站與供電場所面積較小且基礎配置不夠完善，而鉛酸電池在這種環(huán)境下會減少其使用壽命，同時會增加更換的頻率及維修的費用。由于磷酸鐵鋰電池耐高溫性能較好，可以進行長時間的充放電，且循環(huán)利用的壽命長，可以全面的改善此地區(qū)通信設備的整體供電效果、提升運行的效率，確保變電站及供電場所可以正常的使用。

4 結語

在磷酸鐵鋰電池技術不斷得到完善的情況下，對我國未來電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的影響，并且有望成為主流選型設備。但是由于磷酸鐵鋰電池在實際運行中仍然存在有待改進的環(huán)節(jié)，比如電池的循環(huán)使用壽命、電池的一致性及電池是否具有管理系統(tǒng)等問題。因此，必須要加強對鐵鋰電池的運行狀態(tài)進行管控，提高磷酸鐵鋰電池的制造技術及生產(chǎn)水平，使磷酸鐵鋰電池能夠廣泛的應用在電力系統(tǒng)中。