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【摘 要】随着新一代智能变电站的发展，对站用电源提出更高的要求，一体化是变电站交直流电源的发展方向。蓄电池在整个站用一体化电源系统中起着重要作用，是变电站直流系统中关键组成设备。因此本专题详细论述了蓄电池的种类，以及新型蓄电池的应用情况。然后对研究比较多的磷酸铁锂蓄电池在站用一体化直流系统中的应用作了详细的分析，提出了磷酸铁锂电池在电力工程直流电源系统应用中需要解决的若干问题。
【关键词】电池；磷酸铁锂；智能电网；一体化电源
前言
目前，常规变电站电源系统存在着自动化程度不高、经济性较差、安装/服务协调较难、运行维护不方便等诸多问题。随着变电站综合自动化程度越来越高以及大量无人值班站投运，相应提高站用电源整体的运行管理水平具有非常重要的意义。
1 站用一体化电源系统配置方案
1.1 系统组成及功能
站用交直流一体化电源系统由站用交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、直流变换电源（DC/DC）等装置组成，并统一监视控制，共享直流电源的蓄电池组。
各电源一体化设计、一体化配置、一体化监控，其运行工况和信息数据上传至远方控制中心，实现就地和远方控制功能，实现站用电源设备的系统联动。
1.2 一体化电源系统总监控装置
总监控装置作为一体化电源系统的集中监控管理单元，应同时监控站用交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、逆变电源（INV）和直流变换电源（DC/DC）等设备。通过DL/T 860与变电站站控层设备连接及各子电源监控单元通信，实现对一体化电源系统的远程监控维护管理。
2新型蓄电池技术介绍
2.1蓄电池的分类
蓄电池一般可分为铅酸电池、铅酸免维护电池、镍锅电池、稀土锂钇蓄电池和磷酸铁锂电池等，它们各自的特点如下：
铅酸电池是一般型电池，也称为汽车用电池。需加水维护，期望寿命1～3年，充放电时会产生氢气，安置地点须设置排风管以免造成危险电解液呈酸性，会腐蚀金属。
铅酸免维护电池，无需加水，期望寿命一般为5～7年，密封式充电，不会产生任何有害气体，摆设容易，不需考虑安置地点通风问题，免保养，免维护放电率高，特性稳定，价格较高。
镍锡电池是高级电池。用于特殊场合及特殊设备上。需加水维护，期望寿命20～40年，水为介质，充放电不会产生有害气体，失水率低，但需要固定时间加水及保养，放电特性最佳，可放置于任何恶劣环境，但价格极高。
稀土锂钇蓄电池能够存储更多的能量，能量比大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染。延续原有电力高频开关直流电源的安全性高、可靠性高、模块化设计及智能化等诸多优点。
锂离子电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，它的优点是能够存储更多的能量，能量比大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染。锂离子电池的正极材料是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等，负极是碳素材料。因为原材料钴、镍价格高和污染较重，性能活泼易爆炸，目前电池业界的投入集中在成本低廉的磷酸铁锂电池上。
2.2蓄电池新技术的应用研究
日本汽车和机电行业的各大企业相继研发出可大幅提升蓄电池性能的新技术：丰田汽车研发了行驶里程可等同于汽油汽车，甚至可超过1000公里的新一代电动汽车用蓄电池；马自达开发了可以使电池容量增加近两倍的电极材料；NEC研发了具有20年使用寿命的住宅用蓄电池技术。
（1）燃料电池
丰田与东京工业大学、日本高级能源加速器研究机构联合生产出一款采用新化合物的新一代蓄电池。该电池性能与锂离子电池相当，可以在汽车加速时提供必要的高电流，相当于以往同类蓄电池的4～5倍。由于该电池是非采用易燃液体的“全固体电池”，因此电池中无需配备防燃材料，从而实现结构的简化，降低了成本。
（2）碳素电池
马自达与广岛大学开发了可以将容量增加1.8倍的电极材料。该材料采用了直径几百纳米的球状碳素分子，在同等容量下，重量降低一半。
（3）锂离子电池
NEC开发的锂离子电池在电极中采用了成本仅为传统使用的“钴”的1/20左右的“锰”，并调整了电解液的成分，不易发热，实现了可反复充放电2万多次。在电费较低的深夜时段储存电力，供白天利用。
（4）水电池
传统的二氧化锰电池废弃后，其中的重金属物质就会逐渐渗入水体和土壤，造成环境污染。最近，日本专家研发了一种新型环保水电池。把碳粉等物质装进一个普通电池管内用力压紧，再注入清水，一枚水电池就诞生了。水电池的主要原料是碳粉和清水，不会对环境造成污染，而且可以多次回收利用。它的生产成本也只有普通电池的十分之一。
3 磷酸铁锂电池在变电站一体化电源系统中的应用
3.1磷酸铁锂电池特性
1）磷酸铁锂电池的结构
磷酸铁锂电池，其正极材料结构为橄榄石型，磷氧元素之间的键长短键角大，材料本身的热焓小（230J/g，相对安全性能较好的锰酸锂材料热焓为843J/g）。国家权威检测机构“863”动力电池检测基地—北京201所对锂电池进行过安全性检测，依据国标QC/T743，电池进行过充、过放、短路、跌落、加热、挤压、针刺安全破坏测试，磷酸铁锂电池无漏液、冒烟、着火、燃烧现象，所有试验中电池表面温度最高不超过100℃，而钴酸锂电池表面温度则达到700℃以上，碱性电池，如镍镉镍氢电池在热失控状态时电池表面温度也会超过200℃，充分说明了磷酸铁锂电池的安全性是非常好的。
2、磷酸铁锂电池的性能
磷酸铁锂电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有些差异。同样容量的单节电池，磷酸铁锂电池铅酸电池重量比铅酸电池轻一半以上，所占体积只有铅酸电池的1/3，如果用磷酸铁锂电池替代铅酸电池用于变电站中，不但减小了电池的占地面积，而且减轻了维护人员工作量。
3.2磷酸铁锂电池的优点
锂离子电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，它的优点是能量比大，自放电率小，循环寿命长，无记忆效应和环境污染。锂离子电池的正极材料是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等，负极是碳素材料。
磷酸铁锂电池相对于其他电池有如下优点：寿命长、安全性好、绿色环保、允许大电流充放电、耐高温、自放电率小、无记忆效应、体积小、重量轻。
3.3磷酸铁锂电池的缺点
磷酸铁锂电池的一致性问题：由于锂电池有保护电路，电池组的容量会出现木桶的短板效应，而每次的充放电会加剧这个短板越来越差。
低温性能差，0℃时的容量保持率约60～70%，-10℃时为40～55%，-20℃时的容量保持率约20～40%，显然不能满足动力电源的使用要求。
3.4 磷酸铁锂电池应用分析
随着智能电网发展，磷酸铁锂电池发展前景广阔。磷酸铁锂电池在电力工程直流电源系统应用，需解决以下问题：
1）联合蓄电池生产厂家人员确定合适的单体蓄电池容量。
2）确定事故末期蓄电池能保持的电压
3）磷酸铁锂电池长期浮充安全性研究
4）磷酸铁锂单体电池一致性研究
5）找出磷酸铁锂电池最佳维护方法
4 总结
如何将适用于频繁充放电的起动型蓄电池，转化成正常以浮充电方式运行的直流电源，还需要进行大量的试验和资料整理工作。在试验的基础上，可在110kV及以下变电站正常以浮充电方式进行试运行，逐步总结经验推广应用。
参考文献：
[1] 赵淑红，吴锋，王子冬.磷酸铁锂动力电池工况循环性能研究.电子元件与材料，2009；
[2]錢良国，郝永超，肖亚玲.锂离子等新型动力蓄电池成组应用技术和设备研究最新进展.机械工程学报，2009；
【关键词】电池；磷酸铁锂；智能电网；一体化电源
前言
目前，常规变电站电源系统存在着自动化程度不高、经济性较差、安装/服务协调较难、运行维护不方便等诸多问题。随着变电站综合自动化程度越来越高以及大量无人值班站投运，相应提高站用电源整体的运行管理水平具有非常重要的意义。
1 站用一体化电源系统配置方案
1.1 系统组成及功能
站用交直流一体化电源系统由站用交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、直流变换电源（DC/DC）等装置组成，并统一监视控制，共享直流电源的蓄电池组。
各电源一体化设计、一体化配置、一体化监控，其运行工况和信息数据上传至远方控制中心，实现就地和远方控制功能，实现站用电源设备的系统联动。
1.2 一体化电源系统总监控装置
总监控装置作为一体化电源系统的集中监控管理单元，应同时监控站用交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、逆变电源（INV）和直流变换电源（DC/DC）等设备。通过DL/T 860与变电站站控层设备连接及各子电源监控单元通信，实现对一体化电源系统的远程监控维护管理。
2新型蓄电池技术介绍
2.1蓄电池的分类
蓄电池一般可分为铅酸电池、铅酸免维护电池、镍锅电池、稀土锂钇蓄电池和磷酸铁锂电池等，它们各自的特点如下：
铅酸电池是一般型电池，也称为汽车用电池。需加水维护，期望寿命1～3年，充放电时会产生氢气，安置地点须设置排风管以免造成危险电解液呈酸性，会腐蚀金属。
铅酸免维护电池，无需加水，期望寿命一般为5～7年，密封式充电，不会产生任何有害气体，摆设容易，不需考虑安置地点通风问题，免保养，免维护放电率高，特性稳定，价格较高。
镍锡电池是高级电池。用于特殊场合及特殊设备上。需加水维护，期望寿命20～40年，水为介质，充放电不会产生有害气体，失水率低，但需要固定时间加水及保养，放电特性最佳，可放置于任何恶劣环境，但价格极高。
稀土锂钇蓄电池能够存储更多的能量，能量比大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染。延续原有电力高频开关直流电源的安全性高、可靠性高、模块化设计及智能化等诸多优点。
锂离子电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，它的优点是能够存储更多的能量，能量比大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染。锂离子电池的正极材料是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等，负极是碳素材料。因为原材料钴、镍价格高和污染较重，性能活泼易爆炸，目前电池业界的投入集中在成本低廉的磷酸铁锂电池上。
2.2蓄电池新技术的应用研究
日本汽车和机电行业的各大企业相继研发出可大幅提升蓄电池性能的新技术：丰田汽车研发了行驶里程可等同于汽油汽车，甚至可超过1000公里的新一代电动汽车用蓄电池；马自达开发了可以使电池容量增加近两倍的电极材料；NEC研发了具有20年使用寿命的住宅用蓄电池技术。
（1）燃料电池
丰田与东京工业大学、日本高级能源加速器研究机构联合生产出一款采用新化合物的新一代蓄电池。该电池性能与锂离子电池相当，可以在汽车加速时提供必要的高电流，相当于以往同类蓄电池的4～5倍。由于该电池是非采用易燃液体的“全固体电池”，因此电池中无需配备防燃材料，从而实现结构的简化，降低了成本。
（2）碳素电池
马自达与广岛大学开发了可以将容量增加1.8倍的电极材料。该材料采用了直径几百纳米的球状碳素分子，在同等容量下，重量降低一半。
（3）锂离子电池
NEC开发的锂离子电池在电极中采用了成本仅为传统使用的“钴”的1/20左右的“锰”，并调整了电解液的成分，不易发热，实现了可反复充放电2万多次。在电费较低的深夜时段储存电力，供白天利用。
（4）水电池
传统的二氧化锰电池废弃后，其中的重金属物质就会逐渐渗入水体和土壤，造成环境污染。最近，日本专家研发了一种新型环保水电池。把碳粉等物质装进一个普通电池管内用力压紧，再注入清水，一枚水电池就诞生了。水电池的主要原料是碳粉和清水，不会对环境造成污染，而且可以多次回收利用。它的生产成本也只有普通电池的十分之一。
3 磷酸铁锂电池在变电站一体化电源系统中的应用
3.1磷酸铁锂电池特性
1）磷酸铁锂电池的结构
磷酸铁锂电池，其正极材料结构为橄榄石型，磷氧元素之间的键长短键角大，材料本身的热焓小（230J/g，相对安全性能较好的锰酸锂材料热焓为843J/g）。国家权威检测机构“863”动力电池检测基地—北京201所对锂电池进行过安全性检测，依据国标QC/T743，电池进行过充、过放、短路、跌落、加热、挤压、针刺安全破坏测试，磷酸铁锂电池无漏液、冒烟、着火、燃烧现象，所有试验中电池表面温度最高不超过100℃，而钴酸锂电池表面温度则达到700℃以上，碱性电池，如镍镉镍氢电池在热失控状态时电池表面温度也会超过200℃，充分说明了磷酸铁锂电池的安全性是非常好的。
2、磷酸铁锂电池的性能
磷酸铁锂电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有些差异。同样容量的单节电池，磷酸铁锂电池铅酸电池重量比铅酸电池轻一半以上，所占体积只有铅酸电池的1/3，如果用磷酸铁锂电池替代铅酸电池用于变电站中，不但减小了电池的占地面积，而且减轻了维护人员工作量。
3.2磷酸铁锂电池的优点
锂离子电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，它的优点是能量比大，自放电率小，循环寿命长，无记忆效应和环境污染。锂离子电池的正极材料是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等，负极是碳素材料。
磷酸铁锂电池相对于其他电池有如下优点：寿命长、安全性好、绿色环保、允许大电流充放电、耐高温、自放电率小、无记忆效应、体积小、重量轻。
3.3磷酸铁锂电池的缺点
磷酸铁锂电池的一致性问题：由于锂电池有保护电路，电池组的容量会出现木桶的短板效应，而每次的充放电会加剧这个短板越来越差。
低温性能差，0℃时的容量保持率约60～70%，-10℃时为40～55%，-20℃时的容量保持率约20～40%，显然不能满足动力电源的使用要求。
3.4 磷酸铁锂电池应用分析
随着智能电网发展，磷酸铁锂电池发展前景广阔。磷酸铁锂电池在电力工程直流电源系统应用，需解决以下问题：
1）联合蓄电池生产厂家人员确定合适的单体蓄电池容量。
2）确定事故末期蓄电池能保持的电压
3）磷酸铁锂电池长期浮充安全性研究
4）磷酸铁锂单体电池一致性研究
5）找出磷酸铁锂电池最佳维护方法
4 总结
如何将适用于频繁充放电的起动型蓄电池，转化成正常以浮充电方式运行的直流电源，还需要进行大量的试验和资料整理工作。在试验的基础上，可在110kV及以下变电站正常以浮充电方式进行试运行，逐步总结经验推广应用。
参考文献：
[1] 赵淑红，吴锋，王子冬.磷酸铁锂动力电池工况循环性能研究.电子元件与材料，2009；
[2]錢良国，郝永超，肖亚玲.锂离子等新型动力蓄电池成组应用技术和设备研究最新进展.机械工程学报，2009；