一、引言 

隨著變電站系統自動化和智能化的發展，對站用備用電源系統提出更高的要求，鉛酸電池由于其自身不耐高溫、不耐過充、不耐過放、以及維護工作量大等缺陷，阻礙著變電站現代化的進程。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、無記憶效應等優點，成為二次電池產業發展極具潛力的儲能電池。近年來，將磷酸鐵鋰電池應用于變電站直流系統的研究逐漸深入，其優良的特性和可觀的經濟效益在電力系統中具有廣泛的應用前景。 

二、工作原理 

磷酸鐵鋰電池在變電站直流系統應用中的技術難點是電池均衡性問題。根據電池組單體電池的狀態，對不均衡現象進行電池間動態能量轉移均衡，使整個電池組中每節電池荷電狀態都達到更加接近程度，以提高整組電池的一致性。能量轉移均衡技術是一項電池非能量消耗型均衡技術，轉移電流可達到1A以上，可解決因電池自放電、容量、內阻等差異造成電池地較長時間誤差積累帶來的狀態失衡。與耗能均衡方式相比，能量轉移均衡能夠根據電池的使用情況，科學、有效的進行平衡，且不浪費鋰離子電池組的電能。 

能量轉移均衡工作原理如圖1所示。主動能量轉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、保護電路1―n和開關矩陣1―n相串聯構成，該開關矩陣K1―Kn連接下位機，各個下位機分別連接上位機。其主動能量轉移式均衡電路如圖1所示。 

圖1 能量轉移均衡工作原理圖 

在具體實施例中，整組大功率DC電源TPS由分組小功率DC電源PS1―PSn構成；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；每節多個并聯小功率DC電源PS1―PSn的輸出端分別接保護電路PC的輸入端，輸出電壓Voa，Voa為4V―5 V；開關矩陣的輸入端與保護電路的輸出端相連接，輸出電壓為Voa，開關矩陣的輸入端為單個均衡系統的公共端。其中保護電路PC由一個保護IC連接控制一個開關器件構成，所述開關器件包括摩絲管MOSFET、三極管、繼電器、光繼電器或光耦；所述保護電路PC由單組保護電路PC或多個保護電路PC1―PCn連接對應的多個分組小功率電源PS1―PSn輸出端構成。保護IC的輸入端連接輸入電壓Voa端，輸入電壓Voa為4―5 V，保護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。保護電路在開關矩陣或電池端出現短路或電流逆向是保護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，起到保護作用。在電路正常的狀態下保護電路斷開。開關矩陣K由若干個開關K1―Kn并聯連接構成，是通過閉合高電壓的單節電池，在能量轉移的狀態下將低電壓與高電壓同時向同一電壓逼近，減少在均衡中的功耗，提高均衡效率。保護IC是接收開關矩陣電池端短路或有反向電流的信號，并發送信號給MOSFET二極管或繼電器，使得DC電源與后端開關矩陣切斷，從而達到保護均衡電路的功能。開關矩陣通過閉合高電壓的單節電池，在能量轉移的狀態下將低電壓與高電壓同時向同一電壓逼近，減少在均衡中的功耗，提高均衡效率。 

三、經濟及社會效益 

（一）單顆磷酸鐵鋰電池價格約為鉛酸蓄電池的3倍左右。假設1個變電站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，即因配置數量因素，實際磷酸鐵鋰電池投資金額變為24W*0.6*0.7=10.08W。 

（二）由于不用擔心磷酸鐵鋰電池發生燃燒爆炸事故，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6000元計算，則每變電站可節約基建投資6萬元。而蓄電池室配套空調等設施按5000元計算，總計因磷酸鐵鋰電池高可靠特性每變電站可節約6.5萬元。 

（三）磷酸鐵鋰電池由于其免維護特性，不需進行全容量核對性放電，只需在正常運行情況下，不定期暫停充電機，臨時由磷酸鐵鋰電池組帶載運行，進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行1次核容實驗計算，1組鉛酸蓄電池需要2名專業人員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驗費2000元計算，則使用磷酸鐵鋰電池組1個110KV變電站每年可節約2000元實驗費。 

四、結論 

變電站數字化進程的發展趨勢為磷酸鐵鋰電池的深入研究和開發提供了巨大的市場前景和發展機遇，隨著制造技術的日益成熟，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壽命、使用安全性能和材料成本等方面的優異特性，在變電站直流系統具有廣泛的應用前景和推廣價值。