三元鋰離子電池在變電站直流應(yīng)急電源中的應(yīng)用

孔德全，黃小龍，薛少華，王超，狄恒敬

（國網(wǎng)銀川供電公司，銀川 750000）

1 引言

三元鋰離子電池（以下簡稱“三元電池”）對應(yīng)的能量密度，是指其單位存儲空間的電能放出量。電池能量密度參數(shù)較高時，單位存儲空間內(nèi)電池具有較強(qiáng)的電量存儲能力。預(yù)計到2025年，三元電池的單個能量比值將會達(dá)到500 W·h/kg。為此，將三元電池添加在直流應(yīng)急電源程序中，借助其優(yōu)異的能量密度、較強(qiáng)的電能放出能力，可保證直流應(yīng)急電源的供應(yīng)質(zhì)量。

2 三元電池概述

三元電池是一種以鎳鈷錳酸鋰為原材料制成正級材料的鋰電池，電池生產(chǎn)期間主要使用錳鹽、鈷鹽等用料，據(jù)實分配“鎳鈷錳”的用料比例。三元電池的使用優(yōu)勢如下。

1）三元電池表現(xiàn)出較高的電壓平臺特點。電壓平臺是判斷電池儲能密度的關(guān)鍵因素，直接關(guān)聯(lián)于電池使用效果。為此，電池原材料的選擇，是保證電池性能的關(guān)鍵流程。如果三元電池的電壓平臺參數(shù)較高，電池就能表現(xiàn)出較大的供電續(xù)航里程。三元電池與鉛酸電池相比，其電壓平臺較高，參數(shù)最大值達(dá)到4.2 V，放電平臺參數(shù)約為3.6 V。

2）能量密度較高。三元電池表現(xiàn)出較強(qiáng)的電量存儲能力，儲電能力最大值為460 W·h/kg，等同于鉛酸電池的5倍。

3）三元電池的供電時間較長，電池使用時間的平均值為3 a，電池壽命最大值會超過6 a。鉛酸電池具有循環(huán)使用特點，循環(huán)供電次數(shù)最大值為300次。而三元電池的循環(huán)供電次數(shù)不小于5000次。

4）三元電池的自主放電率（每月）＜1%。較低的放電能力是三元電池的供電優(yōu)勢。

5）質(zhì)量輕便。相同容量大小的電池，三元電池的質(zhì)量m，遠(yuǎn)小于鉛酸電池的質(zhì)量n，大小關(guān)系為：n=（4~5）m。

6）三元電池表現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)保性。電池使用、電池廢棄各環(huán)節(jié)，不會生成有害物質(zhì)。

7）環(huán)境干擾作用小。三元電池在-20~60℃均可正常供電。對三元電池進(jìn)行工藝優(yōu)化后，三元電池可用于-45℃環(huán)境中。

3 三元電池與其他電池的性能比較

3.1 三元電池的使用特點

36 V三元電池的充電特點如表1所示。

表1 36 V三元電池的充電特點

當(dāng)充電溫度為55℃時，電量補(bǔ)充后，鉛酸電池的使用時間為2.5 a，遠(yuǎn)小于三元電池的可用時間。

100 A·h三元電池的電量放出特點如表2所示。

表2 100 A·h三元電池的放電電壓V

多數(shù)情況下，電量放出的電流參數(shù)可使用放電倍率進(jìn)行表達(dá)，存在的倍率關(guān)系如式（1）：

如果電池的標(biāo)準(zhǔn)容量為100 A·h，電池放出電量的電流為20 A，則放電倍率=20×100-1=0.2C。由表2發(fā)現(xiàn)：當(dāng)三元電源處于0.2C、0.5C兩個放電倍率時，放電時間為20~80 h的用電時間內(nèi)，放電的電壓不小于3.20 V，整體放電能力平穩(wěn)，并未發(fā)生較大的電壓變化。三元電池持續(xù)放電達(dá)到100 h時，會出現(xiàn)電壓逐漸降低現(xiàn)象，放電至110 h會降至電壓最小值，約為2.5 V。

3.2 使用時間對比

在室內(nèi)溫度環(huán)境中，鉛酸電池使用時，標(biāo)準(zhǔn)電量選擇100 A·h，充電與放電倍率設(shè)為0.1C，電池可循環(huán)使用170次，電池內(nèi)未放出的電量占比電池儲電容量的75%。標(biāo)準(zhǔn)電量相同的三元電池，設(shè)定充電與放電倍率參數(shù)為0.4C，可進(jìn)行1 370次循環(huán)用電，電池內(nèi)未放出電量占比初期100%電量的84.5%。兩種電池的剩余儲電量均高于70%，三元電池可進(jìn)行不少于1 000次的循環(huán)用電。由此發(fā)現(xiàn)：三元電池相比鉛酸電池，循環(huán)用電次數(shù)多于1 370×170-1=8.05倍，電池循環(huán)使用能力較為優(yōu)異[2]。

3.3 溫度屬性對比

55℃溫度條件下，鉛酸電池的標(biāo)準(zhǔn)電量選擇100 A·h，充電與放電倍率設(shè)計為0.1C，可進(jìn)行循環(huán)供電130次，未放出電量等同于初期電量的65%。三元電池用于55℃環(huán)境溫度中，標(biāo)準(zhǔn)電量選擇100 A·h，充電與放電倍率設(shè)計為0.4C，可循環(huán)使用1 060次，剩余電量占比75%。由此發(fā)現(xiàn)：在55℃高溫條件下，三元電池的循環(huán)使用次數(shù)，相當(dāng)于鉛酸電池的1 060×130-1=8.15倍，三元電池表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性能。

3.4 放電能力對比

表3是三元、鉛酸兩種電池在各溫度工況下的放電能力。

表3 三元、鉛酸兩種電池在各溫度工況下的放電能力%

由表3對比發(fā)現(xiàn)：零上溫度條件下，等同的放電溫度，三元電池的放出電量較多。

4 將三元電池用于變電站備電體系的積極作用

4.1 保證供電質(zhì)量

應(yīng)急電源可用于短時供電平穩(wěn)電源，保證系統(tǒng)檢修、應(yīng)急問題處理的供電質(zhì)量。蓄電池組如果存在異常問題，或者蓄電池需進(jìn)行100%容量核實，可連接臨時供電程序，開啟備用電源，將其連接于直流系統(tǒng)，關(guān)閉蓄電池，進(jìn)行脫線檢修處理。改動變電站的供電程序，會引起直流電源程序發(fā)生供電不暢問題。以平穩(wěn)供電為出發(fā)點，創(chuàng)建備用電源體系，引入應(yīng)急電源，增加直流電源的持續(xù)性。在備用電源體系中，蓄電池占據(jù)關(guān)鍵位置，應(yīng)具備較強(qiáng)的高溫耐受性、電量傳輸平穩(wěn)性、較長的電池使用時間、較高的放電深度等特點，以此保障應(yīng)急供電質(zhì)量。移動式電池應(yīng)增設(shè)保護(hù)功能，防止電池放置形成的儲電能力喪失問題。以節(jié)能用電為方向，加強(qiáng)電池養(yǎng)護(hù)。三元電池的引入，可有效降低蓄電池使用次數(shù)。三元電池可用于運維半徑較高、站點數(shù)量較多的變電站，以其較小的規(guī)格、平穩(wěn)的供電能力，切實提升電網(wǎng)運行質(zhì)量，增加供電效率。

4.2 改善電池功能

變電站使用電池時，電池會表現(xiàn)出“過充”“過放”的電量充放異常問題。鉛酸電池的持續(xù)充電、持續(xù)放電，會縮短電池的使用時間。三元電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)用電能力，較強(qiáng)的高溫耐受性，相比鉛酸電池性能更優(yōu)異，適用于變電站備電體系。移動電源車的項目設(shè)計，可選擇直流電源的供電形式，利用三元電池較強(qiáng)的電能密度、攜帶便捷等優(yōu)勢，有效降低電流沖擊作用，提升電池運維便利性。

4.3 給予供電保障

三元電池增設(shè)了3項電力輸出的保護(hù)機(jī)制，增強(qiáng)應(yīng)急供電的有效性，以此保障三元電池供電質(zhì)量。（1）依據(jù)用電數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，進(jìn)行電池儲電分析，針對蓄電池供電的不利問題，給予聲光預(yù)警反饋。（2）采取總線開關(guān)設(shè)計，參照定值設(shè)計結(jié)果，參數(shù)超出界限后，需關(guān)閉蓄電池組。（3）蓄電池保護(hù)機(jī)制無效時，三元電池正面加裝保護(hù)板，應(yīng)對短路、過壓等問題，直接切斷供電程序，保證供電安全[3]。

5 直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計方案

5.1 直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計理念

移動發(fā)電車表現(xiàn)出較強(qiáng)的供電優(yōu)勢，使用直流電源的供電形式，借助三元電池的較強(qiáng)電能密度特征，提升變電站直流程序的優(yōu)化質(zhì)量，保證蓄電池替換順暢，是一種優(yōu)異的小直流供電工具。如果蓄電池電量放出的時間不充足，可采取電站充電措施。直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的投入資金較少，需進(jìn)行直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的合理設(shè)計。直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的產(chǎn)品用途：可用于重要會議的供電防護(hù)；蓄電池替換、容量核定期間，將蓄電池連接至直流程序，用作備用電源；直流系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、供電單元故障檢測期間，可接入此供電產(chǎn)品。此款直流應(yīng)急電源系統(tǒng)產(chǎn)品，蓄電容量介于20~80 A·h，輸出電流為0~80 A，標(biāo)準(zhǔn)功率分布在2 200~8 800 W。

5.2 供電設(shè)計模型

直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的使用，可參照電網(wǎng)負(fù)荷點位，給出優(yōu)化設(shè)計方案，旨在控制電網(wǎng)停電帶來的損失。應(yīng)急發(fā)電車的設(shè)計模型如式（2）所示：

式中，F(xiàn)為直流應(yīng)急電源系統(tǒng)供電后減少的損失總數(shù)；F1為較大的停電事故中，負(fù)荷節(jié)點減少的損失總數(shù)；F2為直流應(yīng)急電源系統(tǒng)運行產(chǎn)生的成本總數(shù)。

較大停電事故引起的各負(fù)荷節(jié)點供電損失總數(shù)，其計算方式如式（3）：

式中，n為節(jié)點數(shù)量；Ci為i負(fù)荷位置產(chǎn)生的節(jié)點損失系數(shù)；Li為i節(jié)點位置的重要性；Xi為i節(jié)點位置的直流應(yīng)急電源系統(tǒng)配置規(guī)劃，如果i節(jié)點位置添加了直流應(yīng)急電源系統(tǒng)，則參數(shù)為1，未添加直流應(yīng)急電源系統(tǒng)時參數(shù)為0；Pi為i節(jié)點位置傳出的有功功率參數(shù)。

直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的投入成本算法如式（4）：

式中，C2為單輛應(yīng)急發(fā)電車的投入成本總數(shù)，包括直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的前期投入資金、供電成本、運維成本等，取常數(shù)。

應(yīng)急發(fā)電車用于系統(tǒng)中，是為了更好地保持供電平穩(wěn)性，補(bǔ)救意外停電帶來的經(jīng)濟(jì)損失。上述方案中，F(xiàn)表示應(yīng)急供電期間補(bǔ)救的經(jīng)濟(jì)收入。F1是停電期間補(bǔ)救的收入總數(shù)，F(xiàn)2是應(yīng)急發(fā)電車的運維支出。使用實際應(yīng)急供電的收入總量，減去應(yīng)急發(fā)電車運行的各項成本，即可獲得停電期間應(yīng)急發(fā)電車的實際創(chuàng)造效益。此模型能夠反映出應(yīng)急發(fā)電車的使用價值，展現(xiàn)出應(yīng)急發(fā)電車的使用意義。

5.3 直流應(yīng)急電源系統(tǒng)供電模塊

直流應(yīng)急電源系統(tǒng)的充電模塊組成有充電設(shè)備，可進(jìn)行交流電的有效轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變成直流電；電量轉(zhuǎn)換單元；充電監(jiān)控單元，可保證充電程序的安全性；直流充電的數(shù)據(jù)反饋程序。

6 結(jié)語

綜上所述，變電站中利用應(yīng)急電源開展各項運維工作，逐漸成為變電站供電優(yōu)化的主要任務(wù)，直流電源系統(tǒng)應(yīng)盡快完成供電體系的升級。將三元電池用于變電站供電程序中，可增加備用電源的供電能力，展現(xiàn)出供電便捷性、電量智能監(jiān)控等優(yōu)勢，可保證變電站供電安全，防控電網(wǎng)運行異常，順應(yīng)節(jié)能用電的規(guī)劃理念。