磷酸铁锂电池在电力系统中的应用

罗翔

摘要： 磷酸铁锂电池具有许多优越的特点，尤其是在高功率或大容量电池具有良好的充放电特性和热稳定性，引起了各界广泛关注。通过磷酸铁锂电池在电力系统中的应用，结合工作原理和技术特点，分析了磷酸铁锂电池在未来的应用前景。

关键词：磷酸铁锂电池; 铅酸蓄电池; 电力系统

0 引言

随着无人值守变电站的普及以及变电站系统自动化程度的大幅提高，对蓄电池组性能和直流电源系统安全可靠性提出了更高要求。发展新型高效节能、先进环保、资源循环利用的电池替代铅酸蓄电池成为研究方向。磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒（SGS认证通过），无污染，不会对环境造成危害，被世界公认为绝对绿色环保电池。磷酸铁锂电池还有较高的理论比容量、适中的电压平台、超长的循环寿命、优良的安全性能等特点，因此该电池被列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。近年来磷酸铁锂蓄电池开始在电动汽车新能源储能、通信、应急照明等领域和电力系统内广泛应用。

1 磷酸铁锂电池

橄榄石结构磷酸铁锂（ LiFePO4）是90年代后期发展起来的高容量可充电电池，正极材料是磷酸铁锂，负极是碳素材料。锂离子在两极之间的穿越，使得磷酸铁锂电池储存和释放能量。 LiFePO电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。在整个充放电过程中不产生新的物质口磷酸锂具有良好的安全性和长寿命，比能量适中，自放电能力增强。

2 磷酸铁锂电池的优点

（1）全性能好。通过了过短路、针刺、挤压，落击、过充，过放等国内外安全标准测试;

（2）性能优异。体积为铅酸蓄电池的二分之一，重量为铅酸蓄电池的二分之一，浮充状态下寿命为铅酸蓄电池的2倍，循环状态下寿命为铅酸蓄电池的4倍;

（3）环境适应性好。一般情况下：-20-55℃，≤95%RH，高温性能好，对存命影响小，无通风要求;

（4）环保无污染。除有少量有机溶剂外，不含有毒有害物质，产品环保指标符合欧盟RoHS指令;

（5）综合性价比高。全生命命周期内产品性价比高;

（6）维护方便。充放电倍率高，锂离子电池属于全密封电池，可快速维护和核容。

3 磷酸铁锂电池在电力系统中的应用

目前磷酸铁锂电池主要作为储能元件应用于电力系统中，主要包括：变电站直流电源、新能源接入、系统调节等。

（1）磷酸铁锂电池在变电站直流电源中的应用

2011年华北电网科技项目<基于磷酸铁锂蓄电池在电力系统变电站直流系统应用与研究〉，通过分析论证磷酸铁锂电池运行对于环境零污染、安全性、蓄电池使用寿命几个关键指标，提出了磷酸铁锂蓄电池逐步替代铅酸蓄电池可行性方案。2011年在张家口柳树屯110kV站投入1组200Ah磷酸铁锂蓄电池试运行，也是国内电网110kV变电站首次使用，目前已稳定运行10年。

深圳供电局于2013年批准了《适应新行标直流电源系统应用研究》科研项目。并确定深圳新百110kV变电站2组110V阀控式铅酸蓄电池直流电源系统改造为“浮充式保护型磷酸铁锂电池直流电源系统”。设计、制造、运行单位经过4年多努力，完成了电力工程所需的全部数据的试验、整理和计算工作，全面完成《应用研究》科研项目。2018年初“浮充式保护型磷酸铁锂电池直流电源系统”电网新技术新材料应用推广。上海电力公司2017年在110kV前滩站一体化电源（并联技术）配套磷酸铁锂蓄电池。

（2）磷酸铁锂电池在电力系统的储能应用

目前，在电网中承担调峰任务的主要有煤电、油电、水电具有调节性能的水电）及抽水蓄能电站。在这些能源中，煤电和油电，属于火电范畴。由于火电厂造价昂貴，运行费用高，起停时间长，无法担起调峰的任务。从运行的经济性和安全性考虑，电厂不宜用作调峰电厂。水电调峰能力较强，但可供使用的资源有限。而作为电网主力调峰电源之一的抽水蓄能电站，因占地面积大，工期长，且受地理条件影响，其发展也受到一定程度的限制。

相比较而言，电池储能电站作为一项新兴技术，具有工期短、起停快、占地面积小、安全性高、运行费用低和无污染等优势，并对建设场所无特殊要求，具有广阔的应用前景。作为可调控的电源或负荷，可调节系统的运行状态，提高用提高电网运行经济性和安全性，例如用于日负荷曲线调节、系统调频、旋转备用、潮流控制、电能质量调节、低频振荡控制、暂态稳定控制、无功支撑、电压稳定控制等。

4 磷酸铁锂电池存在问题

磷酸铁锂电池与传统阀控式铅酸蓄电池相比，除配套的直流电源系统外还需配置BMS系统，投资成本较高，是传统铅酸蓄电池的2.5-3倍;其次，资源循环回收低，没有完善的回收体系。

目前仅应用于110kV变电站直流系统，按220kV变电站直流负荷统计计算蓄电池容量、直流电源系统短路电流计算、直流断路器选择及保护配合等结果来看，磷酸铁锂电池应用在220kV无人变电站（含智能变电站）是完全可行的。存在的技术难点可通过合理的系统设计和直流馈线网络规划及设备布置来解决。500kV及以上变电站在电力系统中的地位十分重要，且站内直流负荷很多，受到磷酸铁锂电池容量的限制，以及直流设备参数选择困难，加之其运行维护和管理模式尚在摸索中，因此目前暂不推荐在500kV及以上电压等级的变电站釆用磷酸铁锂电池。对于升压站直流电源系统来说，与相应电压等级的变电站类似，可以参照执行。对于发电厂辅助车间直流电源成套装置，目前多采用6V或12V阀控式铅酸电池，电池寿命短、故障率高。推荐采用磷酸铁锂电池替代阀控式铅酸电池，充分利用其体积小、寿命长、运维成本低、稳定性高、绿色环保的优点，减少占地和运维工作量，提高直流电源可靠性。

结束语

磷酸铁锂电池相对于铅酸电池，具有循环寿命长、安全稳定、绿色环保、自放电率小等优点，随着集成技术的不断成熟，成本的不断降低，磷酸铁锂电池必将广泛应用于电力系统中。

參考文献

[1]唐偲，鲁丽娟，磷酸铁锂电池在电力系统中的应用研究[J]，南方能源建设，2016（z1）。

[2]聂小勇，蒋兴，陈波波，并联磷酸铁锂电池在110kV变电站的应用研究[J]，电源技术，2016，40（5）：979-981。