孔德全，黄小龙，薛少华，王超，狄恒敬

（国网银川供电公司，银川 750000）

1 引言

三元锂离子电池（以下简称“三元电池”）对应的能量密度，是指其单位存储空间的电能放出量。电池能量密度参数较高时，单位存储空间内电池具有较强的电量存储能力。预计到2025年，三元电池的单个能量比值将会达到500 W·h/kg。为此，将三元电池添加在直流应急电源程序中，借助其优异的能量密度、较强的电能放出能力，可保证直流应急电源的供应质量。

2 三元电池概述

三元电池是一种以镍钴锰酸锂为原材料制成正级材料的锂电池，电池生产期间主要使用锰盐、钴盐等用料，据实分配“镍钴锰”的用料比例。三元电池的使用优势如下。

1）三元电池表现出较高的电压平台特点。电压平台是判断电池储能密度的关键因素，直接关联于电池使用效果。为此，电池原材料的选择，是保证电池性能的关键流程。如果三元电池的电压平台参数较高，电池就能表现出较大的供电续航里程。三元电池与铅酸电池相比，其电压平台较高，参数最大值达到4.2 V，放电平台参数约为3.6 V。

2）能量密度较高。三元电池表现出较强的电量存储能力，储电能力最大值为460 W·h/kg，等同于铅酸电池的5倍。

3）三元电池的供电时间较长，电池使用时间的平均值为3 a，电池寿命最大值会超过6 a。铅酸电池具有循环使用特点，循环供电次数最大值为300次。而三元电池的循环供电次数不小于5000次。

4）三元电池的自主放电率（每月）＜1%。较低的放电能力是三元电池的供电优势。

5）质量轻便。相同容量大小的电池，三元电池的质量m，远小于铅酸电池的质量n，大小关系为：n=（4~5）m。

6）三元电池表现出较强的环保性。电池使用、电池废弃各环节，不会生成有害物质。

7）环境干扰作用小。三元电池在-20~60℃均可正常供电。对三元电池进行工艺优化后，三元电池可用于-45℃环境中。

3 三元电池与其他电池的性能比较

3.1 三元电池的使用特点

36 V三元电池的充电特点如表1所示。

表1 36 V三元电池的充电特点

当充电温度为55℃时，电量补充后，铅酸电池的使用时间为2.5 a，远小于三元电池的可用时间。

100 A·h三元电池的电量放出特点如表2所示。

表2 100 A·h三元电池的放电电压V

多数情况下，电量放出的电流参数可使用放电倍率进行表达，存在的倍率关系如式（1）：

如果电池的标准容量为100 A·h，电池放出电量的电流为20 A，则放电倍率=20×100-1=0.2C。由表2发现：当三元电源处于0.2C、0.5C两个放电倍率时，放电时间为20~80 h的用电时间内，放电的电压不小于3.20 V，整体放电能力平稳，并未发生较大的电压变化。三元电池持续放电达到100 h时，会出现电压逐渐降低现象，放电至110 h会降至电压最小值，约为2.5 V。

3.2 使用时间对比

在室内温度环境中，铅酸电池使用时，标准电量选择100 A·h，充电与放电倍率设为0.1C，电池可循环使用170次，电池内未放出的电量占比电池储电容量的75%。标准电量相同的三元电池，设定充电与放电倍率参数为0.4C，可进行1 370次循环用电，电池内未放出电量占比初期100%电量的84.5%。两种电池的剩余储电量均高于70%，三元电池可进行不少于1 000次的循环用电。由此发现：三元电池相比铅酸电池，循环用电次数多于1 370×170-1=8.05倍，电池循环使用能力较为优异[2]。

3.3 温度属性对比

55℃温度条件下，铅酸电池的标准电量选择100 A·h，充电与放电倍率设计为0.1C，可进行循环供电130次，未放出电量等同于初期电量的65%。三元电池用于55℃环境温度中，标准电量选择100 A·h，充电与放电倍率设计为0.4C，可循环使用1 060次，剩余电量占比75%。由此发现：在55℃高温条件下，三元电池的循环使用次数，相当于铅酸电池的1 060×130-1=8.15倍，三元电池表现出优异的耐高温性能。

3.4 放电能力对比

表3是三元、铅酸两种电池在各温度工况下的放电能力。

表3 三元、铅酸两种电池在各温度工况下的放电能力%

由表3对比发现：零上温度条件下，等同的放电温度，三元电池的放出电量较多。

4 将三元电池用于变电站备电体系的积极作用

4.1 保证供电质量

应急电源可用于短时供电平稳电源，保证系统检修、应急问题处理的供电质量。蓄电池组如果存在异常问题，或者蓄电池需进行100%容量核实，可连接临时供电程序，开启备用电源，将其连接于直流系统，关闭蓄电池，进行脱线检修处理。改动变电站的供电程序，会引起直流电源程序发生供电不畅问题。以平稳供电为出发点，创建备用电源体系，引入应急电源，增加直流电源的持续性。在备用电源体系中，蓄电池占据关键位置，应具备较强的高温耐受性、电量传输平稳性、较长的电池使用时间、较高的放电深度等特点，以此保障应急供电质量。移动式电池应增设保护功能，防止电池放置形成的储电能力丧失问题。以节能用电为方向，加强电池养护。三元电池的引入，可有效降低蓄电池使用次数。三元电池可用于运维半径较高、站点数量较多的变电站，以其较小的规格、平稳的供电能力，切实提升电网运行质量，增加供电效率。

4.2 改善电池功能

变电站使用电池时，电池会表现出“过充”“过放”的电量充放异常问题。铅酸电池的持续充电、持续放电，会缩短电池的使用时间。三元电池表现出优异的循环用电能力，较强的高温耐受性，相比铅酸电池性能更优异，适用于变电站备电体系。移动电源车的项目设计，可选择直流电源的供电形式，利用三元电池较强的电能密度、携带便捷等优势，有效降低电流冲击作用，提升电池运维便利性。

4.3 给予供电保障

三元电池增设了3项电力输出的保护机制，增强应急供电的有效性，以此保障三元电池供电质量。（1）依据用电数据的采集结果，进行电池储电分析，针对蓄电池供电的不利问题，给予声光预警反馈。（2）采取总线开关设计，参照定值设计结果，参数超出界限后，需关闭蓄电池组。（3）蓄电池保护机制无效时，三元电池正面加装保护板，应对短路、过压等问题，直接切断供电程序，保证供电安全[3]。

5 直流应急电源系统的设计方案

5.1 直流应急电源系统的设计理念

移动发电车表现出较强的供电优势，使用直流电源的供电形式，借助三元电池的较强电能密度特征，提升变电站直流程序的优化质量，保证蓄电池替换顺畅，是一种优异的小直流供电工具。如果蓄电池电量放出的时间不充足，可采取电站充电措施。直流应急电源系统的投入资金较少，需进行直流应急电源系统的合理设计。直流应急电源系统的产品用途：可用于重要会议的供电防护；蓄电池替换、容量核定期间，将蓄电池连接至直流程序，用作备用电源；直流系统优化设计、供电单元故障检测期间，可接入此供电产品。此款直流应急电源系统产品，蓄电容量介于20~80 A·h，输出电流为0~80 A，标准功率分布在2 200~8 800 W。

5.2 供电设计模型

直流应急电源系统的使用，可参照电网负荷点位，给出优化设计方案，旨在控制电网停电带来的损失。应急发电车的设计模型如式（2）所示：

式中，F为直流应急电源系统供电后减少的损失总数；F1为较大的停电事故中，负荷节点减少的损失总数；F2为直流应急电源系统运行产生的成本总数。

较大停电事故引起的各负荷节点供电损失总数，其计算方式如式（3）：

式中，n为节点数量；Ci为i负荷位置产生的节点损失系数；Li为i节点位置的重要性；Xi为i节点位置的直流应急电源系统配置规划，如果i节点位置添加了直流应急电源系统，则参数为1，未添加直流应急电源系统时参数为0；Pi为i节点位置传出的有功功率参数。

直流应急电源系统的投入成本算法如式（4）：

式中，C2为单辆应急发电车的投入成本总数，包括直流应急电源系统的前期投入资金、供电成本、运维成本等，取常数。

应急发电车用于系统中，是为了更好地保持供电平稳性，补救意外停电带来的经济损失。上述方案中，F表示应急供电期间补救的经济收入。F1是停电期间补救的收入总数，F2是应急发电车的运维支出。使用实际应急供电的收入总量，减去应急发电车运行的各项成本，即可获得停电期间应急发电车的实际创造效益。此模型能够反映出应急发电车的使用价值，展现出应急发电车的使用意义。

5.3 直流应急电源系统供电模块

直流应急电源系统的充电模块组成有充电设备，可进行交流电的有效转化，使其转变成直流电；电量转换单元；充电监控单元，可保证充电程序的安全性；直流充电的数据反馈程序。

6 结语

综上所述，变电站中利用应急电源开展各项运维工作，逐渐成为变电站供电优化的主要任务，直流电源系统应尽快完成供电体系的升级。将三元电池用于变电站供电程序中，可增加备用电源的供电能力，展现出供电便捷性、电量智能监控等优势，可保证变电站供电安全，防控电网运行异常，顺应节能用电的规划理念。