武汉电力职业技术学院 黄 澍 谢 新 俞 玲 叶海军

相较于通信等其他商业领域，在发电厂中UPS系统（即交流不停电电源）的升级改造还比较滞后，但事实上电力生产中由于现场存在大量粉尘、高温高压、设备震动、电磁干扰等特殊环境情况使得其对UPS的储能性能，以及稳定性等标准要比其他商业领域更高。因此，作为发电厂集控运行、控制、调节、安保、供电网络自动调节、应急照明等系统稳定、安全运行的关键保障设备，UPS本身设备必须具有不间断、安全稳定、高质量输出工作的能力，且其容量应该要能随着机组容量改变而进行有效的调节[1]。整个火电厂机组的高效、稳定的运营与UPS系统的稳定运行直接相关联。

1 UPS的基本功能和原理

UPS的基本工作原理：UPS系统之所以受到发电厂的广泛应用主要原因在于，其建立了两条双链路的系统对发电厂各部分的负荷进行供电，这种方式的优点就是实现了两条电路在分别独自运行、分开的情况下，其又能一起承担电路的负载，有效降低整个电路的电压，在提高电路使用的安全性的同时，又保障了电源系统供电通畅，其将交流电源和储能电池进行相互配合使用，从而保障发电厂供电负荷电能的持续供应。

其中，UPS的电源功率和容量由其主要储能元件-蓄电池的电化学性能决定。目前，UPS系统的蓄电池广泛采用阀控式铅酸蓄电池，正极材料多采用铅—锑—钙合金，氧化铅作为活性物质；负极材料为铅—锑—钙合金栏板，海绵状纤维作为活性物质；硫酸作为电解液。阀控式铅酸蓄电池改良了老式铅酸蓄电池在充放电过程中会出现的漏酸现象，并且消除了运行过程中酸雾的产生，从而不会腐蚀设备，但依然具有铅酸电池材料含有毒性以及环境污染的特点，对环境危害较大，且受其功率密度及自身重量的影响，导致电厂需要为采用阀控式铅酸蓄电池的UPS系统建设专用大面积、高承重性能的厂房，该问题随着大功率UPS对蓄电池储能性能要求的不断提高显得尤为突出。

此外，铅酸电池具有记忆效应的特点导致其需要定期维护，整体更换时间一般为4～6年，且在正常工作的时候，有可能发生备用电源在突然断电的情况下无法立即切换致使DCS系统失效，并且严重损坏油泵、机轴等机械设施的故障问题，使发电厂设备的维护成本大大提升[2]。近年来，国内锂电池商业化步伐逐渐加快，容量、寿命以及充放电速率均有跨越式发展，因此锂电池凭借其大功率、高容量、长寿命、对环境污染小等优点在光伏发电、风力发电、电网分布式储能、数据中心、UPS等领域得到大量应用，从目前发展趋势可以看出，锂电池将取代老式的铅酸电池的位置，根据目前发电厂的储能需求，锂电池的应用重点应放在不间断电源UPS的电池置换、应急安全照明的电池置换和高压柜直流屏的电池置换等方面[3]。

2 锂电池和阀控式铅酸蓄电池的原理以及技术参数对比

2.1 两种电池的区别

这两种电池储能原理均是将化学能转变为电能储存起来，两种电池主要区别在于阳极材料、阴极材料以及电解质的成分不同。锂电池使用金属氧化物作为阴极，碳基材料作为阳极，锂盐溶液作为电解质；铅酸电池则使用二氧化铅作为阴极、金属铅作为阳极，采用硫酸溶液作为电解质[4]。

2.2 两种电池技术参数对比

2.2.1 使用寿命

相较于普通铅酸电池仅有500次左右的循环寿命，锂电池的循环寿命能高达5000次。通过对比可以发现，锂电池具有更长的工作寿命，可以有效降低UPS系统中电池更换与维护的成本，并且可以大大降低电池更换过程中出现宕机事故的概率。

2.2.2 空间体积

同等储能容量下的阀控式铅酸蓄电池重量与占用空间将达到锂电池的3～4倍。在UPS中使用锂电池代替阀控式铅酸蓄电池可减少70%的占地面积，从而减少UPS系统所要占用的厂房空间；在部署空间问题上也会因为蓄电池的重量减轻从而具有更好的灵活性，对厂区建筑的承重以及改造需求大大减少。

2.2.3 充电速度

在电厂断电后恢复供电的情况下，锂电池能在半小时内迅速将容量从80%充至100%，而阀控式铅酸蓄电池系统同样情况下，需要4h左右才能将容量从80%充电到100%，可以看出锂电池在充电速度方面比老式铅酸电池有着较大优势。同时，发电厂中逐步开始探索应用“电池快充”技术，以应对发电厂运行中的可能遇到的两种场景：第一种是供电线路稳定性较差，蓄电池在一次停电过程恢复供电后未来得及充满的情况下遇上二次停电，造成系统宕机的场景；二是响应国家“削峰填谷”的政策，电力需求低谷时段电价低的时候用UPS锂电池存储电量，用电需求高峰时用UPS锂电池提供部分电能，通过电网峰谷的电价差来削减用电开支，为企业有效减少电费。而阀控式铅酸蓄电池充电周期过长的缺点制约了其实现这两种场景的可能。

2.2.4 工作温度

电池组在进行充放电过程中会产生大量热量，从而使放置UPS系统的区域温度出现波动，而阀控式铅酸电池需要将环境温度控制在20～25℃才能达到最佳工作状态，要求比较苛刻，而锂电池可以在0～60℃的环境温度下良好运行，因此可有效降低UPS系统日常运行和维护的成本，UPS系统的工作状态也更为稳定。并且阀控式铅酸电池在较高温度环境下工作会加速老化，性能衰减加剧，而锂电池对温度变化的适应性使其寿命以及储能性能受环境温度的影响很小，对制冷系统的需求远低于阀控式铅酸电池。尤其随着发电厂逐渐需要更大容量、更高电压的UPS系统，电池组需要承受更高的工作温度，阀控式铅酸电池的温控成本将大大提高，锂电池将具有更好的应用前景。

2.2.5 绿色环保

相较于阀控式铅酸蓄电池含有的铅、镍、铬等多种重金属有害物质。锂电池的组成材料无毒无污染，对环境没有严重危害，是绿色环保生产的更优选择。同时，因为锂电池的循环寿命能达到阀控式铅酸蓄电池的十倍甚至数十倍，所以锂电池需要进行更换新电池的间隔时间要远远长于阀控式铅酸蓄电池，可以大量降低对电池组成材料的需求，从而更加环保。

通过以上五个方面分析阀控式铅酸蓄电池和锂电池的原理和特性，可以看出锂电池比阀控式铅酸蓄电池有着更好的应用体验（见表1）。并且，相较于锂电池初期投资成本（CAPEX）较高的缺点，阀控式铅酸蓄电池设备后期所需要进行维护与换新的成本花费更加高昂，其总体拥有成本（TCO）更高。

表1 阀控式铅酸蓄电池与锂电池技术参数对比

3 UPS电源系统升级

UPS电源系统的升级改造选用磷酸铁锂电池替代传统的阀控式铅酸蓄电池，其属于锂电池的一种，目前在新能源汽车以及大规模储能领域得到广泛应用，该电池在高温环境或过充情况下不会发生结构崩塌，具有优秀的稳定性，磷酸铁锂的实际容量可达160mAh/g，循环次数能达到5000次以上，并且在发生火烧或者被穿刺的情况下依然不会发生爆炸，是一种优秀的UPS系统储能电池。可以根据发电厂UPS电源系统的具体需求调整磷酸铁锂电池组的容量，在后期升级改造中不需要改变整体架构，只需要将新的磷酸铁锂电池单体并联到现有电源系统中从而达到储能容量的提升，或者将新的磷酸铁锂电池单体串联到现有电源系统从而提高电压平台，实现UPS电源系统紧随发电厂升级的动态调整。

升级电源包括密闭的防爆外壳、电池组、BMS、均衡模块、充电器、逆变器与静态转换开关组成。

该系统采用多个磷酸铁锂电池串联组成，选用电池管理系统（以下简称“BMS系统”）（图1）对磷酸铁锂电池组的充放电进行管理。BMS系统由主控单元（CMU）、数据采集单元（BMU）及界面通信单元（ICU）等组成。其中，主控单元（CMU）负责对电池组充放电过程中的电流进行实时监测，实时显示电池组的各种信息（如电压、电流、温度和充放电状态等）等功能。数据采集单元（BMU）负责电芯的数据采集、电压均衡以及充放电保护，以保持并联电芯充电电源的一致性，从而保护所有电芯在充电过程中的安全稳定。界面通信单元（ICU）是电池管理系统的人机交互界面，可以显示系统的各种运行参数及故障情况。

因此，相对于传统的阀控式铅酸蓄电池，使用BMS系统的UPS电池系统可以实时采集电池组中每个电芯的电压、电流以及温度等运行数据，根据电池组的运行状况进行报警和控制，并及时对电芯进行均衡管理、充电保护、过放电保护、短路保护以及过温保护[5]。如在电流遇到突发情况超过短路设定值触发关断保护，BMS系统将在100ms内实现控制保护动作。BMS系统另一个优势在于其是一个开放系统，后期研究中可以根据UPS系统需求选取置换多种锂电池组。并且，原有的UPS系统的辅助设备和整流设施在升级改造后可以正常投入使用，能够有效减少升级改造对辅助设备的适配和安装需求，在技术处理上也比较简单，在改造后整个系统可以顺利运行。

4 运行实际效果

UPS电源系统的升级改造后投入正常运行，对电池组运行状况进行监测，发现使用磷酸铁锂电池替代传统的阀控式铅酸蓄电池后，其性能稳定，在火电厂工作环境温度较高的情况下，以两倍放电速率运行实际容量仍能维持在150mAh/g，远高于老式的阀控式铅酸蓄电池的40mAh/g。且运行150圈无明显衰减，能有效替代老式阀控式铅酸蓄电池。

5 结论

综合各种指标比较后，可发现发电厂UPS使用磷酸铁锂电池时，在物理和化学性能各方面均具备较强的优势。采用磷酸铁锂电池作为UPS系统中的电源，替代阀控式铅酸蓄电池将对传统的电源设计与使用理念进行改良，不仅会有效提高UPS系统的安全与稳定性，而且能够降低“总体拥有成本”（TCO），包括后期UPS系统电能的损耗，以及在设备运行维护过程中人力物力的支出，从而使电力设施生产运营过程的安全、稳定和节能。从未来UPS电源系统发展方向来看，锂电池UPS与发电厂智能化发展趋势具备很高的契合度。随着近年来锂电池价格持续走低，本文通过研究发电厂UPS系统中蓄电池的应用现状，对发电厂UPS系统升级改造探索一种高效、低费的锂电池置换方案，为发电厂电池储能的应用范围的拓展、智能化控制、企业的节能降耗的发展提供一种新的思路。