磷酸铁锂电池储能系统应用研究

磷酸铁锂电池储能系统应用研究

张婕

国网晋中供电公司 山西 晋中 030600

摘要：本文主要针对磷酸铁锂电池储能系统进行介绍，从系统的组成、架构、特点等方面进行描述。首先结合锂电池自身结构特点和化学性能，分析了影响锂电池安全性能的诸多因素。其次依据储能系统的构成，论述了磷酸铁锂电池技术，最后分析了磷酸铁锂电池储能系统的应用。

关键词：磷酸铁锂电池；储能；充电；系统设计

1 引言

近年来国内外MW级电池储能技术发展迅速，集装箱式电池储能系统具有容量高、可靠性强、灵活性高、环境适应性强等优点，在电网系统具有广泛的应用前景。锂电池储能系统相对其他储能电池较成熟，上下游产业链配套完善，成本下降空间较大；同时,我国电力系统正处于用电高峰期供电紧张、输配电容量利用率低、有功无功储备短缺以及输电效率低的状况中。用户侧也对负荷侧电能质量提出了更高的要求。这些问题都加速了储能技术的快速发展。

2 磷酸铁锂电池技术介绍

锂离子电池的快速发展，依赖于新型能源材料开发及综合技术的进步。目前采用的磷酸铁锂电池经过多年的技术积累，成功掌握了LiFePO4的特性，并采用具有自主知识产权的正极和负极材料，生产到目前为止，无一安全失效事故。

功率型磷酸铁锂电池采用正极磷酸铁锂材料，该材料具有比容量高，循环性能好，性能稳定等优势，材料一致性好，从而从原材料角度保证电池性能的一致性。

电池外壳采用铝材质，与钢壳电池相比更加安全和轻重量，提升了电池能量密度。铝壳电池表面自然生产的致密的氧化物保护膜，使得电池壳使用年限更长，耐腐蚀。

3 磷酸铁锂电池储能系统的应用
3.1储能系统总体设计方案。在电池储能系统中，电池管理系统的主要任务是完成对电池组以及单体电池状态参数的测量，同时根据这些测得的电池参数按照一定的算法估算出电池SOC，除此之外还需将电池参数上传至监控系统，监控系统根据这些参数可以判断当前电池管理系统和能量转换系统是否工作正常。大规模储能系统是由四大模块组成。它们分别是电池组、监控系统、能量转换系统、电池管理系统，直接与电网进行连接并进行能量交换的是能量转换系统，电池组与能量管理系统也能直接进行能量传送。储能系统中的监控系统，负责分析电池管理系统通过通讯总线上传的电池状态参数，然后根据预先已经设置好的算法来控制能量转换系统，进而保证电池组能够运转正常。也就是说监控系统可以同时检测和控制电池管理系统和能量转换系统两者的状态，并可对异常情况作出相应处理。电池管理系统直接负责对电池组的状态检测和状态控制。
3.2增加预充电电阻。在进行电池组电力连接的过程中，可以采用预充功率电阻的工作方式，在电力的回路中应用并联方式，连接两个直流预充电接触器，并将预充功率电阻与其中一个接触器进行串联。将一组电池应用维护模式，其他电池组之间便会产生较为明显的电压差现象，首先将预充电接触器闭合，因为其对于电阻产生的影响作用，能够实现减少其他电流进入到电池组中的目的，进而实现减小环路电流的产生。而当各电池组之间的电压能够维持平衡时，则可以将主接触器闭合，并将预充电接触器断开闭合状态，切除其有效的功率电阻作用，实现电路中的电流平衡。应用此种方式虽然能够实现抑制环流电流的作用，但是在实践应用中也体现出诸多弊端：其一，电池组接入到电路中之后，必须进行其他组的放电，电池组的能量未能得到有效应用，使电池组的有效能源利用率提升受到抑制作用；其二，何时进行电池组的接入，是其应用技术最为复杂的控制要点，只有电池组内各部分电池的电压相近时才能够进行电路的接入连接，由于电池组本身的内阻作用较小，两个电池之间会产生无法控制的环流作用，对电池的安全使用和使用寿命都造成重要影响，因此决定电池组的接入工作之前，需要尽可能协调组内电池的电量和电压，使其能够尽量保持一致性或者相似性；其三，预充电接触器的控制技术较为复杂，接入到电力中的两个接触器不能够同时参与工作，必须当其中一个接触器闭合后，经过一段时间才能够尝试闭合另一接触器，两个接触器的负载动作指令工作会严重缩短接触器的应用价值和使用寿命。
3.3双级模块型PCS。双级模块型PCS拓扑结构中，包含双级的系统结构应用方案，变换器是一级系统结构，而双向并网变流器则是第二级的系统结构。此种系统结构模式利用双向变流器在电路中产生的电压调节作用，将原有系统间存在结构和特性差异的线路连接到同一条直流母线上，以实现电流以及能量的双向流动。当磷酸铁锂电池处于充电状态时，变换器结构处于整流工作状态中，同时能够将电网中存在的侧交流电压整流成为直流电压，此直流电压经过变换器降压工作作用使电池组能够得到充电电压；而当电池组处于放电状态时，变换器工作则处于逆变工作状态，变换器系统结构在升压之后，经逆变器输出合适的交流电压。双级模块型PCS拓扑结构的主要应用优点为：此种结构特征在社会生产生活中具有广泛的应用空间和较强的适用性，能够实现对多串并联的电池模块进行充放电管理，同时由于其能够在短时间内进行直流电压的升降，电池组的容量配置也更加灵活，非常适于风力发电蓄电、光伏蓄电等波动性较强的分布式电源进行电路接入的电压控制，避免分布式电源直接接入电网时产生影响电压的巨大波动。该种模式应用弊端在于：此种结构特征除了能够造成并网变流器的损耗之外，其变换器工作环节也存在损耗作用，此环节的损耗作用与并网变流器结构的损耗作用相当。同时由于半导体器件的非线性特征，处于相同工作条件和应用状态下时，此种结构系统的效率会大幅降低。

3.4单级模块型PCS。单级模块型PCS仅含有变流器的拓扑结构，直接将并网的电池储能系统接入并网到拓扑结构中，变换器的电压输出部分应用升压变压器进行连接，以便能够使其输出电压与所并联的交流网络中的电压相一致，同时能够实现电池储能系统和外部系统之间的隔离作用。当磷酸铁锂电池处于充电状态时，变换器工作在整流器的工作状态下，系统侧交流电被转变为直流电流通模式，并将电能储存在电池组中；而当电池组处于放电状态时，变换器工作则处于逆变器的应用和状态，将电池组释放的能量转换为交流电模式回路到外部能量流通系统中。此种拓扑结构的优点是：适用于对电网中分布式独立电源进行并网作业，其应用结构较为简单，工作能耗也相对较低。通过大量的实践工作经验，也体现出其应用缺点：其一，整个系统的体积过大，生产成本造价过高，电池组储能系统的容量没有多元性的选择空间；其二，在电网系统发生短路故障时，系统结构会在短时间内产生巨大的电流流通，对于电池的整体工作系统能够产生巨大的冲击影响作用；其三，多个变流器工作模块同时进行工作时，会造成各结构模块之间产生较为严重的共模电压干扰问题，使直流端电压的稳定性受到严重影响，进而对电池的应用状态和使用寿命都会造成损害作用。

4 结语

磷酸铁锂电池是各种先进二次电池中产业发展最成熟也是最具潜力的一种先进的储能电池。随着制造技术的日益成熟,成本不断降低,性能不断提高,磷酸铁锂电池将大大推动我国新能源发展。随着磷酸铁锂电池储能系统规模化,其自身具有的工况转换快,运行方式灵活,循环寿命长,低维护成本低等特性,在实现电网削峰,提高系统运行稳定性和提高电能质量等方面有着广泛的应用前景。

参考文献：
[1] 贾治安,赵星星,彭波等.基于复合锂盐的宽温度磷酸铁锂电池的性能[J].中国有色金属学报(英文版),2016,25(7):2260-2265.
[2] 金一丁，宋强，刘文华．电池储能系统的非线性控制器[J].电力系统自动化，2019，33（7）：75-80.