一、引言 

隨著變電站系統(tǒng)自動化和智能化的發(fā)展，對站用備用電源系統(tǒng)提出更高的要求，鉛酸電池由于其自身不耐高溫、不耐過充、不耐過放、以及維護(hù)工作量大等缺陷，阻礙著變電站現(xiàn)代化的進(jìn)程。磷酸鐵鋰電池作為新型的二次電源，以其工作電壓高、能量密度大、安全性能好、自放電率小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展極具潛力的儲能電池。近年來，將磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的研究逐漸深入，其優(yōu)良的特性和可觀的經(jīng)濟(jì)效益在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。 

二、工作原理 

磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統(tǒng)應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)是電池均衡性問題。根據(jù)電池組單體電池的狀態(tài)，對不均衡現(xiàn)象進(jìn)行電池間動態(tài)能量轉(zhuǎn)移均衡，使整個(gè)電池組中每節(jié)電池荷電狀態(tài)都達(dá)到更加接近程度，以提高整組電池的一致性。能量轉(zhuǎn)移均衡技術(shù)是一項(xiàng)電池非能量消耗型均衡技術(shù)，轉(zhuǎn)移電流可達(dá)到1A以上，可解決因電池自放電、容量、內(nèi)阻等差異造成電池地較長時(shí)間誤差積累帶來的狀態(tài)失衡。與耗能均衡方式相比，能量轉(zhuǎn)移均衡能夠根據(jù)電池的使用情況，科學(xué)、有效的進(jìn)行平衡，且不浪費(fèi)鋰離子電池組的電能。 

能量轉(zhuǎn)移均衡工作原理如圖1所示。主動能量轉(zhuǎn)移式均衡電路分別由依次相連的電池組、整組大功率DC電源TPS、分組小功率電源PS1―PSn、保護(hù)電路1―n和開關(guān)矩陣1―n相串聯(lián)構(gòu)成，該開關(guān)矩陣K1―Kn連接下位機(jī)，各個(gè)下位機(jī)分別連接上位機(jī)。其主動能量轉(zhuǎn)移式均衡電路如圖1所示。 

圖1 能量轉(zhuǎn)移均衡工作原理圖 

在具體實(shí)施例中，整組大功率DC電源TPS由分組小功率DC電源PS1―PSn構(gòu)成；整組大功率 DC電源TPS輸出端接電池組的電源輸出總電壓VBn；整組大功率 DC電源TPS輸入端與分組小功率DC電源PS1―PSn的輸入相連接，輸出電壓Voc，Voc為9V―36V；每節(jié)多個(gè)并聯(lián)小功率DC電源PS1―PSn的輸出端分別接保護(hù)電路PC的輸入端，輸出電壓Voa，Voa為4V―5 V；開關(guān)矩陣的輸入端與保護(hù)電路的輸出端相連接，輸出電壓為Voa，開關(guān)矩陣的輸入端為單個(gè)均衡系統(tǒng)的公共端。其中保護(hù)電路PC由一個(gè)保護(hù)IC連接控制一個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成，所述開關(guān)器件包括摩絲管MOSFET、三極管、繼電器、光繼電器或光耦；所述保護(hù)電路PC由單組保護(hù)電路PC或多個(gè)保護(hù)電路PC1―PCn連接對應(yīng)的多個(gè)分組小功率電源PS1―PSn輸出端構(gòu)成。保護(hù)IC的輸入端連接輸入電壓Voa端，輸入電壓Voa為4―5 V，保護(hù)IC的輸出端分別連接摩絲管MOSFET、三極管、繼電器、光繼電器或光耦。保護(hù)電路在開關(guān)矩陣或電池端出現(xiàn)短路或電流逆向是保護(hù)電路會工作行成斷路，阻斷均衡電源DC與后端電池端的連接，起到保護(hù)作用。在電路正常的狀態(tài)下保護(hù)電路斷開。開關(guān)矩陣K由若干個(gè)開關(guān)K1―Kn并聯(lián)連接構(gòu)成，是通過閉合高電壓的單節(jié)電池，在能量轉(zhuǎn)移的狀態(tài)下將低電壓與高電壓同時(shí)向同一電壓逼近，減少在均衡中的功耗，提高均衡效率。保護(hù)IC是接收開關(guān)矩陣電池端短路或有反向電流的信號，并發(fā)送信號給MOSFET二極管或繼電器，使得DC電源與后端開關(guān)矩陣切斷，從而達(dá)到保護(hù)均衡電路的功能。開關(guān)矩陣通過閉合高電壓的單節(jié)電池，在能量轉(zhuǎn)移的狀態(tài)下將低電壓與高電壓同時(shí)向同一電壓逼近，減少在均衡中的功耗，提高均衡效率。 

三、經(jīng)濟(jì)及社會效益 

（一）單顆磷酸鐵鋰電池價(jià)格約為鉛酸蓄電池的3倍左右。假設(shè)1個(gè)變電站1套鉛酸蓄電池投資金額為8W，如果使用1套相同數(shù)量磷酸鐵鋰電池代替則投資金額為28W。因磷酸鐵鋰電池單只電壓為3.2V，鉛酸蓄電池單只電壓為2V。則相同直流電壓等級下，磷酸鐵鋰電池配置數(shù)量為鉛酸蓄電池的0.6，而壽命基本上可以延長三分之一，即因配置數(shù)量因素，實(shí)際磷酸鐵鋰電池投資金額變?yōu)?4W*0.6*0.7=10.08W。 

（二）由于不用擔(dān)心磷酸鐵鋰電池發(fā)生燃燒爆炸事故，則不需專建蓄電池室。以蓄電池室建筑面積10平米，每平米建筑造價(jià)6000元計(jì)算，則每變電站可節(jié)約基建投資6萬元。而蓄電池室配套空調(diào)等設(shè)施按5000元計(jì)算，總計(jì)因磷酸鐵鋰電池高可靠特性每變電站可節(jié)約6.5萬元。 

（三）磷酸鐵鋰電池由于其免維護(hù)特性，不需進(jìn)行全容量核對性放電，只需在正常運(yùn)行情況下，不定期暫停充電機(jī)，臨時(shí)由磷酸鐵鋰電池組帶載運(yùn)行，進(jìn)行簡單測試即可保證其安全性。變電站鉛酸蓄電池以一年進(jìn)行1次核容實(shí)驗(yàn)計(jì)算，1組鉛酸蓄電池需要2名專業(yè)人員1天不間斷工作才能完成。以1組鉛酸蓄電池全容量核對性放電實(shí)驗(yàn)費(fèi)2000元計(jì)算，則使用磷酸鐵鋰電池組1個(gè)110KV變電站每年可節(jié)約2000元實(shí)驗(yàn)費(fèi)。 

四、結(jié)論 

變電站數(shù)字化進(jìn)程的發(fā)展趨勢為磷酸鐵鋰電池的深入研究和開發(fā)提供了巨大的市場前景和發(fā)展機(jī)遇，隨著制造技術(shù)的日益成熟，成本不斷降低，性能不斷提高，磷酸鐵鋰電池以其充放電循環(huán)壽命、使用安全性能和材料成本等方面的優(yōu)異特性，在變電站直流系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。