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【摘 要】本文从工作原理、经济成本、维护成本等方面对磷酸铁锂电池在变电站直流系统中的应用进行了分析，为磷酸铁锂离子电池在变电站直流电源领域的应用，乃至下一步的推广提供有益经验。
【关键词】磷酸铁锂电池 直流系统 能量转移均衡
一、引言
随着变电站系统自动化和智能化的发展，对站用备用电源系统提出更高的要求，铅酸电池由于其自身不耐高温、不耐过充、不耐过放、以及维护工作量大等缺陷，阻碍着变电站现代化的进程。磷酸铁锂电池作为新型的二次电源，以其工作电压高、能量密度大、安全性能好、自放电率小、无记忆效应等优点，成为二次电池产业发展极具潜力的储能电池。近年来，将磷酸铁锂电池应用于变电站直流系统的研究逐渐深入，其优良的特性和可观的经济效益在电力系统中具有广泛的应用前景。
二、工作原理
磷酸铁锂电池在变电站直流系统应用中的技术难点是电池均衡性问题。根据电池组单体电池的状态，对不均衡现象进行电池间动态能量转移均衡，使整个电池组中每节电池荷电状态都达到更加接近程度，以提高整组电池的一致性。能量转移均衡技术是一项电池非能量消耗型均衡技术，转移电流可达到1A以上，可解决因电池自放电、容量、内阻等差异造成电池地较长时间误差积累带来的状态失衡。与耗能均衡方式相比，能量转移均衡能够根据电池的使用情况，科学、有效的进行平衡，且不浪费锂离子电池组的电能。
能量转移均衡工作原理如图1所示。主动能量转移式均衡电路分别由依次相连的电池组、整组大功率DC电源TPS、分组小功率电源PS1—PSn、保护电路1—n和开关矩阵1—n相串联构成，该开关矩阵K1—Kn连接下位机，各个下位机分别连接上位机。其主动能量转移式均衡电路如图1所示。
图1 能量转移均衡工作原理图
在具体实施例中，整组大功率DC电源TPS由分组小功率DC电源PS1—PSn构成；整组大功率 DC电源TPS输出端接电池组的电源输出总电压VBn；整组大功率 DC电源TPS输入端与分组小功率DC电源PS1—PSn的输入相连接，输出电压Voc，Voc为9V—36V；每节多个并联小功率DC电源PS1—PSn的输出端分别接保护电路PC的输入端，输出电压Voa，Voa为4V—5 V；开关矩阵的输入端与保护电路的输出端相连接，输出电压为Voa，开关矩阵的输入端为单个均衡系统的公共端。其中保护电路PC由一个保护IC连接控制一个开关器件构成，所述开关器件包括摩丝管MOSFET、三极管、继电器、光继电器或光耦；所述保护电路PC由单组保护电路PC或多个保护电路PC1—PCn连接对应的多个分组小功率电源PS1—PSn输出端构成。保护IC的输入端连接输入电压Voa端，输入电压Voa为4—5 V，保护IC的输出端分别连接摩丝管MOSFET、三极管、继电器、光继电器或光耦。保护电路在开关矩阵或电池端出现短路或电流逆向是保护电路会工作行成断路，阻断均衡电源DC与后端电池端的连接，起到保护作用。在电路正常的状态下保护电路断开。开关矩阵K由若干个开关K1—Kn并联连接构成，是通过闭合高电压的单节电池，在能量转移的状态下将低电压与高电压同时向同一电压逼近，减少在均衡中的功耗，提高均衡效率。保护IC是接收开关矩阵电池端短路或有反向电流的信号，并发送信号给MOSFET二极管或继电器，使得DC电源与后端开关矩阵切断，从而达到保护均衡电路的功能。开关矩阵通过闭合高电压的单节电池，在能量转移的状态下将低电压与高电压同时向同一电压逼近，减少在均衡中的功耗，提高均衡效率。
三、经济及社会效益
（一）单颗磷酸铁锂电池价格约为铅酸蓄电池的3倍左右。假设1个变电站1套铅酸蓄电池投资金额为8W，如果使用1套相同数量磷酸铁锂电池代替则投资金额为28W。因磷酸铁锂电池单只电压为3.2V，铅酸蓄电池单只电压为2V。则相同直流电压等级下，磷酸铁锂电池配置数量为铅酸蓄电池的0.6，而寿命基本上可以延长三分之一，即因配置数量因素，实际磷酸铁锂电池投资金额变为24W*0.6*0.7=10.08W。
（二）由于不用担心磷酸铁锂电池发生燃烧爆炸事故，则不需专建蓄电池室。以蓄电池室建筑面积10平米，每平米建筑造价6000元计算，则每变电站可节约基建投资6万元。而蓄电池室配套空调等设施按5000元计算，总计因磷酸铁锂电池高可靠特性每变电站可节约6.5万元。
（三）磷酸铁锂电池由于其免维护特性，不需进行全容量核对性放电，只需在正常运行情况下，不定期暂停充电机，临时由磷酸铁锂电池组带载运行，进行简单测试即可保证其安全性。变电站铅酸蓄电池以一年进行1次核容实验计算，1组铅酸蓄电池需要2名专业人员1天不间断工作才能完成。以1组铅酸蓄电池全容量核对性放电实验费2000元计算，则使用磷酸铁锂电池组1个110KV变电站每年可节约2000元实验费。
四、结论
变电站数字化进程的发展趋势为磷酸铁锂电池的深入研究和开发提供了巨大的市场前景和发展机遇，随着制造技术的日益成熟，成本不断降低，性能不断提高，磷酸铁锂电池以其充放电循环寿命、使用安全性能和材料成本等方面的优异特性，在变电站直流系统具有广泛的应用前景和推广价值。
参考文献：
［1］张嵩，丁广乾.磷酸铁锂电池性能与应用研究.山东电力技术，2012，3，187.
［2］赵新兵，谢健 新型锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展.机械工程学报，2007（1）：43.
［3］刘昊，郑利峰，邓龙征.锂离子动力电池及其关键材料的研究和应用现状［J］.新材料产业，2006，9：44-47
作者简介：
臧洋（1979-），女，汉，吉林长春人，贵州电网公司贵阳供电局，工程师，硕士研究生，主要从事继电保护工作。
【关键词】磷酸铁锂电池 直流系统 能量转移均衡
一、引言
随着变电站系统自动化和智能化的发展，对站用备用电源系统提出更高的要求，铅酸电池由于其自身不耐高温、不耐过充、不耐过放、以及维护工作量大等缺陷，阻碍着变电站现代化的进程。磷酸铁锂电池作为新型的二次电源，以其工作电压高、能量密度大、安全性能好、自放电率小、无记忆效应等优点，成为二次电池产业发展极具潜力的储能电池。近年来，将磷酸铁锂电池应用于变电站直流系统的研究逐渐深入，其优良的特性和可观的经济效益在电力系统中具有广泛的应用前景。
二、工作原理
磷酸铁锂电池在变电站直流系统应用中的技术难点是电池均衡性问题。根据电池组单体电池的状态，对不均衡现象进行电池间动态能量转移均衡，使整个电池组中每节电池荷电状态都达到更加接近程度，以提高整组电池的一致性。能量转移均衡技术是一项电池非能量消耗型均衡技术，转移电流可达到1A以上，可解决因电池自放电、容量、内阻等差异造成电池地较长时间误差积累带来的状态失衡。与耗能均衡方式相比，能量转移均衡能够根据电池的使用情况，科学、有效的进行平衡，且不浪费锂离子电池组的电能。
能量转移均衡工作原理如图1所示。主动能量转移式均衡电路分别由依次相连的电池组、整组大功率DC电源TPS、分组小功率电源PS1—PSn、保护电路1—n和开关矩阵1—n相串联构成，该开关矩阵K1—Kn连接下位机，各个下位机分别连接上位机。其主动能量转移式均衡电路如图1所示。
图1 能量转移均衡工作原理图
在具体实施例中，整组大功率DC电源TPS由分组小功率DC电源PS1—PSn构成；整组大功率 DC电源TPS输出端接电池组的电源输出总电压VBn；整组大功率 DC电源TPS输入端与分组小功率DC电源PS1—PSn的输入相连接，输出电压Voc，Voc为9V—36V；每节多个并联小功率DC电源PS1—PSn的输出端分别接保护电路PC的输入端，输出电压Voa，Voa为4V—5 V；开关矩阵的输入端与保护电路的输出端相连接，输出电压为Voa，开关矩阵的输入端为单个均衡系统的公共端。其中保护电路PC由一个保护IC连接控制一个开关器件构成，所述开关器件包括摩丝管MOSFET、三极管、继电器、光继电器或光耦；所述保护电路PC由单组保护电路PC或多个保护电路PC1—PCn连接对应的多个分组小功率电源PS1—PSn输出端构成。保护IC的输入端连接输入电压Voa端，输入电压Voa为4—5 V，保护IC的输出端分别连接摩丝管MOSFET、三极管、继电器、光继电器或光耦。保护电路在开关矩阵或电池端出现短路或电流逆向是保护电路会工作行成断路，阻断均衡电源DC与后端电池端的连接，起到保护作用。在电路正常的状态下保护电路断开。开关矩阵K由若干个开关K1—Kn并联连接构成，是通过闭合高电压的单节电池，在能量转移的状态下将低电压与高电压同时向同一电压逼近，减少在均衡中的功耗，提高均衡效率。保护IC是接收开关矩阵电池端短路或有反向电流的信号，并发送信号给MOSFET二极管或继电器，使得DC电源与后端开关矩阵切断，从而达到保护均衡电路的功能。开关矩阵通过闭合高电压的单节电池，在能量转移的状态下将低电压与高电压同时向同一电压逼近，减少在均衡中的功耗，提高均衡效率。
三、经济及社会效益
（一）单颗磷酸铁锂电池价格约为铅酸蓄电池的3倍左右。假设1个变电站1套铅酸蓄电池投资金额为8W，如果使用1套相同数量磷酸铁锂电池代替则投资金额为28W。因磷酸铁锂电池单只电压为3.2V，铅酸蓄电池单只电压为2V。则相同直流电压等级下，磷酸铁锂电池配置数量为铅酸蓄电池的0.6，而寿命基本上可以延长三分之一，即因配置数量因素，实际磷酸铁锂电池投资金额变为24W*0.6*0.7=10.08W。
（二）由于不用担心磷酸铁锂电池发生燃烧爆炸事故，则不需专建蓄电池室。以蓄电池室建筑面积10平米，每平米建筑造价6000元计算，则每变电站可节约基建投资6万元。而蓄电池室配套空调等设施按5000元计算，总计因磷酸铁锂电池高可靠特性每变电站可节约6.5万元。
（三）磷酸铁锂电池由于其免维护特性，不需进行全容量核对性放电，只需在正常运行情况下，不定期暂停充电机，临时由磷酸铁锂电池组带载运行，进行简单测试即可保证其安全性。变电站铅酸蓄电池以一年进行1次核容实验计算，1组铅酸蓄电池需要2名专业人员1天不间断工作才能完成。以1组铅酸蓄电池全容量核对性放电实验费2000元计算，则使用磷酸铁锂电池组1个110KV变电站每年可节约2000元实验费。
四、结论
变电站数字化进程的发展趋势为磷酸铁锂电池的深入研究和开发提供了巨大的市场前景和发展机遇，随着制造技术的日益成熟，成本不断降低，性能不断提高，磷酸铁锂电池以其充放电循环寿命、使用安全性能和材料成本等方面的优异特性，在变电站直流系统具有广泛的应用前景和推广价值。
参考文献：
［1］张嵩，丁广乾.磷酸铁锂电池性能与应用研究.山东电力技术，2012，3，187.
［2］赵新兵，谢健 新型锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展.机械工程学报，2007（1）：43.
［3］刘昊，郑利峰，邓龙征.锂离子动力电池及其关键材料的研究和应用现状［J］.新材料产业，2006，9：44-47
作者简介：
臧洋（1979-），女，汉，吉林长春人，贵州电网公司贵阳供电局，工程师，硕士研究生，主要从事继电保护工作。