魏增福，蘇 偉，鐘國彬，徐凱琪，王 超，陳泗貞，鄭威遜，賴日晶

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磷酸鐵鋰電池組在110 kV變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用

魏增福1，蘇 偉1，鐘國彬1，徐凱琪1，王 超1，陳泗貞2，鄭威遜3，賴日晶2

（1廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523120；3廣東電網(wǎng)有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000）

本項目選了兩種不同的電池管理模式對磷酸鐵鋰電池組進行管理，并將組裝好的兩套電池組應(yīng)用于110 kV變電站直流系統(tǒng)的日常運行。運行結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池可以在變電站替代鉛酸蓄電池使用，并且可以浮充運行；運行過程中，單體電池的電壓會由于電池充電態(tài)的變化下降或上升；單體電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)先下降再上升的變化；電池組的放電容量隨著運行時間的延長出現(xiàn)每年3%左右的衰減（浮充電壓為3.6 V）；合適的電池管理模式能將電池組內(nèi)單體電池的電壓差保持在較小的范圍，有利于電池組長壽命的運行。

磷酸鐵鋰電池組；直流系統(tǒng)；電池管理模式

隨著磷酸鐵鋰電池性能的提升，價格的下降，其應(yīng)用范圍越來越廣，除了用于儲能電站[1]、電動汽車[2]外，磷酸鐵鋰電池在其它領(lǐng)域[3]也得到了廣泛的應(yīng)用。目前用于變電站直流系統(tǒng)的鉛酸蓄電池維護工作量大，對環(huán)境溫度要求高，壽命達不到預(yù)期，使得磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的研究越來越多[4-6]。

磷酸鐵鋰電池的性能與鉛酸蓄電池不同，前者具有較高的平臺電壓（3.2 V），可以在同等容量的情況下，減少串聯(lián)電池的數(shù)量；具有較好的倍率放電能力，在設(shè)計電池組時，可以適當減少備用電池的容量；具有良好的溫度特性；同時，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命較長，可以達到2000次以上[7]。但生產(chǎn)工藝帶來的不一致性和不能過充過放的安全特性也決定了磷酸鐵鋰電池在應(yīng)用于變電站時，需要加裝電池管理系統(tǒng)。目前許多國內(nèi)外的研究集中于磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的性能比較以及磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的可行性。如LI等[8]系統(tǒng)比較了鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池的常規(guī)性能、溫度特性、壽命特性、倍率放電等性能，分析了磷酸鐵鋰電池在變電站系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。WANG 等[9]以恒流充電–限壓充電–補充充電的3階段充電管理方法為基礎(chǔ)，設(shè)計了帶均衡功能的電池管理系統(tǒng)及基于磷酸鐵鋰電池的交直流一體化電源系統(tǒng)。LI等[5]提出了一種變電站直流電源系統(tǒng)用磷酸鐵鋰電池的運行方式，但是該運行方式是否滿足電力系統(tǒng)的要求還未得到試驗論證。變電站的備用電源往往要求電池組能夠長期以滿電狀態(tài)掛在充電機上浮充運行，但磷酸鐵鋰電池浮充狀態(tài)下性能如何，壽命多長，相關(guān)的報道文獻卻很少。

基于以上分析，在之前研究的基礎(chǔ)上[10]，本工作根據(jù)110 kV標準變電站的負荷需求，確定了磷酸鐵鋰電池組的電壓，計算了電池組的容量[11]，先后設(shè)計組裝了兩套磷酸鐵鋰電池組（配有電池管理系統(tǒng)），并將其安裝到變電站進行了示范運行。通過研究磷酸鐵鋰電池組在變電站浮充應(yīng)用時的相關(guān)特性，為磷酸鐵鋰電池在變電站的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 磷酸鐵鋰電池組系統(tǒng)組成及管理模式

磷酸鐵鋰電池成組方式包括串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)共存，與鉛酸電池不同的是，不管哪種連接方式，都需要配有電池管理系統(tǒng)（BMS）。電池管理系統(tǒng)能監(jiān)測和管理單體電池和電池組的充放電，同時可以實現(xiàn)電池組的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)上傳，保證電池組的安全穩(wěn)定運行。

本文的研究采用了兩套電池組（A套、B套），其具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。A套電池組的電池管理系統(tǒng)如圖1所示，其電池管理模式是在充電或運行過程中，當每個單體電池電壓過高的時候，通過外電路放電的模式保護單體電池及電池組，與直流母線的連接參照了目前變電站鉛蓄電池的連接方式。B套電池組的電池管理系統(tǒng)如圖2所示，其電池管理模式是當電池組的總電壓達到設(shè)定值的時候，電壓高的單體電池對電壓低的電池進行充電，使單體電池的電壓差在一個很小的范圍內(nèi)，從而達到均衡電池電壓，保護電池組的目的。

表1 本文所用電池組規(guī)格參數(shù)表

2 磷酸鐵鋰電池組運行數(shù)據(jù)分析

磷酸鐵鋰電池組安裝調(diào)試完畢后，分別在東莞供電局和惠州供電局投入了試運行。

2.1 電池管理系統(tǒng)對電池電壓的管理

電池管理系統(tǒng)的主要功能是保證電池單體及電池組的充放電安全，同時監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)等各項指標。圖3所示為A套電池組充電過程中電池管理系統(tǒng)對單體電池的均衡。當單體電池的電壓超過3.65 V時，電池管理系統(tǒng)對單體電池強制放電，最終達到平衡。

圖4是B套電池組的電池管理系統(tǒng)對單體電池的均衡圖，當電池組的端電壓達到設(shè)定值，而主電路的電流趨向于零值時，電池管理系統(tǒng)啟動，對單體電池進行均衡，直到單體電池的最大電壓差不大于50 mV時，最終達到相對平衡。兩種電池管理系統(tǒng)都能避免單體電池在充電時過壓，起到保護電池單體和電池組的作用。

2.2 磷酸鐵鋰電池組運行初期電壓變化

磷酸鐵鋰電池組在運行初期，由于一致性的差異，單體電池端電壓會有所不同，如圖5和圖6所示。A套電池組中，當電池組通過恒流充電達到端電壓時，電池組與直流母線連接的主電路電流趨向于零，單體電池的電壓會繼續(xù)變化到相對穩(wěn)定的某個數(shù)值，由于單體電池內(nèi)部的電化學狀態(tài)差異，會出現(xiàn)相應(yīng)的電壓差。B套電池組中，當電池組充電達到設(shè)定的端電壓時，如果單體電池的最大電壓差超過50 mV時，電池管理系統(tǒng)啟動，將高電壓的電池通過均衡電路給低電壓的電池充電，從而完成電池電壓的均衡，這種電池管理模式能將電池組內(nèi)各單體電池的端電壓鉗制在相對較小的范圍內(nèi)，避免單體電池的電壓差過大。這兩種電池管理模式相比，B套電池組的電池管理模式能夠?qū)误w電池的電壓均衡到相對小的電壓差，更利于電池的長壽命運行。

2.3 磷酸鐵鋰電池組運行過程中電壓變化

A套電池組自2013年1月開始投入運行，截至到2015年10月，已經(jīng)超過33個月，運行以來的單體電池電壓如圖7所示（圖中所示為32個單體電池分別在2013年1月、2014年3月、2014年4月、2015年1月、2015年8月的電壓），其中2014年4月之前的電池組端電壓為115 V，由于現(xiàn)場需要，端電壓于4月后更改為112 V，圖7顯示，電池組中各單體的電壓自運行以來發(fā)生了較大的變化，2號、9號、19號、29號單體電池的電壓下降較大，電壓維持在3.35 V左右，而其它單體電池的電壓有所上升，這種現(xiàn)象可能跟單體電池的內(nèi)部電化學狀態(tài)有關(guān)。而B套電池組投入試運行超過20個月，由于電池管理系統(tǒng)在電壓差較大時能夠進行均衡，所以運行以來電壓差始終保持在較小的狀態(tài)（圖8所示分別為2014年2月、12月和2015年8月的單體電池電壓）。

2.4 磷酸鐵鋰電池組運行過程中內(nèi)阻變化

隨著長時間的運行，A套電池組單體電池滿容量時的內(nèi)阻發(fā)生了變化（圖9），電池的內(nèi)阻出現(xiàn)了先變小再變大的趨勢。而VETTER等[12]在研究鋰電池的性能時提出了電池內(nèi)阻與放電深度和循環(huán)次數(shù)相關(guān)，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池的內(nèi)阻會上升的結(jié)論。這說明磷酸鐵鋰電池在浮充電和循環(huán)充放電過程中電池內(nèi)阻最終會有上升的趨勢，這種趨勢是否會影響到單體電池的性能，還有待驗證。

2.5 磷酸鐵鋰電池組容量變化

A套電池組浮充運行12個月后，電池組的放電電壓平臺較浮充前有所下降，放電至96 V時（單體電池放電至3 V時），放電容量為159 A·h，比浮充前的164 A·h下降了5 A·h，容量損失約3%，說明磷酸鐵鋰電池在浮充過充中，可能由于電池內(nèi)部電化學變化，產(chǎn)生了容量損失[6]。圖10所示為A套電池組部分單體電池（6號、9號、18號電池）浮充運行12個月后核容放電時的電壓曲線，其中6號電池是放電初期電池組中單體電壓最高的電池，9號電池是放電初期電池組中單體電壓最低的電池，其它電池與18號電池相似，電池電壓處于3.6 V左右。放電曲線顯示，單體電池的放電電壓平臺在3.1～3.3 V，6號電池成為整組放電過程中最先達到3.0 V電壓的單體，而9號電池卻不是最先達到3.0 V，也并非最后達到3.0 V的電池。同時，這3個電池的容量差異并不明顯。以上數(shù)據(jù)表明，一方面浮充時單體電池的電壓高低不能作為電池放電容量大小的判據(jù)；另一方面浮充一年后該磷酸鐵鋰電池組單體電池容量差異不大，具有較好的均衡性。

3 結(jié) 論

本項目組裝的磷酸鐵鋰電池組最長經(jīng)過接近3年的示范運行，證實磷酸鐵鋰電池可以作為備用電源在110 kV變電站浮充使用，使用時需要注意以下問題。

（1）磷酸鐵鋰電池組應(yīng)用在變電站時，需要加裝電池管理系統(tǒng)，對單電池進行均衡，確保電池（組）在運行時的安全性。由于監(jiān)控需要，管理系統(tǒng)還需將數(shù)據(jù)上傳至主控室，方便運行人員隨時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

（2）磷酸鐵鋰單體電池的浮充電壓宜設(shè)置在3.5 V左右。

（3）現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)表明，密閉的電池組比敞開式的電池組運行時表面溫度平均高2～5 ℃，故在設(shè)計磷酸鐵鋰電池組時，宜考慮電池的散熱。

（4）需要監(jiān)測單體電池的內(nèi)阻，在內(nèi)阻出現(xiàn)大的變化時關(guān)注電池的安全狀態(tài)。

（5）由于電池組在運行過程中的容量衰減，設(shè)計時需要根據(jù)使用年限考慮容量的冗余。

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Application of lithium ion phosphate battery in 110 kV substation DC power system

1,1,1,1,1,2,3,2

(1Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co. Ltd., Guangzhou 510080, Guangdong, China;2Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co. Ltd., Dongguan 523120, Guangdong, China;3Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co. Ltd., Huizhou 516000, Guangdong, China)

Two types of battery management modes were applied for LiFePO4battery packs used in 110 kV substation DC power system. The operation result indicated that LiFePO4battery showed capability of replacement of lead-acid battery and good float-charging characteristics. The voltage and the internal resistance changed with the SOC of the single cells and the battery packs presented a 3% capacity degradation per year. Suitable battery management mode kept a small voltage difference among the single cells and prolonged the cycling life of the battery packs.

lithium ion phosphate battery pack; direct current power supply system; battery management mode

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.018

TQ 912.9

A

2095-4239（2016）02-241-05

2015-10-22；修改稿日期：2015-11-19。

魏增福（1978—），男，碩士，高級工程師，研究方向為儲能技術(shù)，E-mail：zengfu_wei@126.com。