釩電池儲能系統(tǒng)管理控制技術(shù)

李虹云1，劉理2，李云燕2

（1.湖南維邦新能源有限公司，湖南長沙410013；2.湖南大學(xué)，湖南長沙410082）

　　摘要：釩液流儲能電池是一種廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)之中的大規(guī)模蓄電儲能設(shè)備。文章介紹了釩液流電池的工作原理，并針對其運行特性和實用化過程中的能量效率、經(jīng)濟性、可靠性等關(guān)鍵問題，設(shè)計了一種儲能管理控制系統(tǒng)，包括中心控制模塊、電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊、流量及輸送控制模塊、電池充放電管理模塊、安全保護監(jiān)控模塊等，并總結(jié)了該系統(tǒng)的技術(shù)特點和應(yīng)用前景。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對釩液流電池穩(wěn)定、高效和安全的管理控制。

　　對新能源及低碳經(jīng)濟的追求使得世界各國都在大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等綠色能源，但風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電過程不穩(wěn)定和不連續(xù)，導(dǎo)致電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，造成電能浪費和設(shè)備故障。因此，在風(fēng)能、太陽能輸入電網(wǎng)前，增加新型環(huán)保釩液流電池(VRB)儲能系統(tǒng)進行能量平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，就顯得極為重要。

　　1釩電池工作原理

　　釩液流儲能電池系統(tǒng)是一種將風(fēng)能、太陽能等能源與化學(xué)能進行能量轉(zhuǎn)換和儲存的系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的主要單元是釩電池。與鉛酸電池、鎳鎘電池等傳統(tǒng)電池相比，在電池的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和工作運行模式上有其獨特性，在性能上更適用于風(fēng)能、太陽能等大規(guī)模儲能電站及智能電網(wǎng)調(diào)峰等應(yīng)用場合。它的主要組成部分為：電堆系統(tǒng)、電解液和電解液儲存運送體系以及能量轉(zhuǎn)換及其控制系統(tǒng)，如圖1所示。

　　電池電堆是根據(jù)所需電功率大小，由數(shù)量不一的單電池按順序排列組裝而成。正、負(fù)極電解溶液分別裝在兩個儲存桶中，分別通過化工泵驅(qū)動電解液流過電池電堆的正負(fù)極，在電池電堆內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。電池電堆的輸出功率由電池電極的總面積決定；電池的容量由電解質(zhì)溶液的總?cè)萘繘Q定。

　　2儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各模塊功能

　　釩液流電池儲能系統(tǒng)涉及新能源發(fā)電、電池堆及電解液輸送管理、電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、用電負(fù)荷或電力系統(tǒng)等多個組成部分，是電化學(xué)、化工、電氣和網(wǎng)絡(luò)信息等相互耦合的復(fù)雜動態(tài)體系，其運行特性與液流儲能電池系統(tǒng)的組合方式、容量大小以及電力變換器、用電負(fù)荷、控制方式等多種因素相關(guān)。如何在保證系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提升整個系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟性和可靠性是大規(guī)模液流電池儲能系統(tǒng)實用化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。因此，將高效電力變換技術(shù)、電池充放電控制及管理、先進傳感與通訊技術(shù)及現(xiàn)代優(yōu)化控制理論相結(jié)合，建立性能高效的釩電池儲能管理控制系統(tǒng)，對全釩液流儲能系統(tǒng)的高性能發(fā)揮及正常運行起著非常重要的作用。

　　儲能管理控制系統(tǒng)由中心控制模塊、電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊、電解液流量及運送控制模塊、電池充放電管理模塊、系統(tǒng)安全保護監(jiān)控管理模塊等組成。

　　2.1管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　儲能系統(tǒng)將風(fēng)能和太陽能等能源經(jīng)過充電控制模塊輸入到釩電池，通過在電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，將風(fēng)能太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，完成第一步能量轉(zhuǎn)換。儲存在電解液里的化學(xué)能再通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為直流電能并通過逆變電源將交流電輸送到電網(wǎng)及客戶端，完成第二步的能量轉(zhuǎn)換。這個充放電過程需要中心控制模塊、電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊、電解液流量及輸送控制模塊、電池充放電控制管理模塊、安全保護監(jiān)控管理模塊之間對能量優(yōu)化和管理控制進行有序配合，才能有效發(fā)揮儲能系統(tǒng)的各項性能，確保儲能系統(tǒng)高效率的發(fā)揮作用。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

　　2.2系統(tǒng)中心控制模塊

　　系統(tǒng)使用高性能CPU，對儲能系統(tǒng)正在運行的各模塊工作狀況發(fā)生變化的控制信息點的數(shù)據(jù)變量進行信號采集并進行監(jiān)控，是系統(tǒng)進行信息數(shù)據(jù)交換和控制的中心。

　　2.3電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊

　　為了避免風(fēng)能、太陽能直接并網(wǎng)對電網(wǎng)的電壓及頻率造成較大波動，進一步提升電力品質(zhì)和安全性，系統(tǒng)采用了先進的多象限電流控制技術(shù)，允許輸出電力相位控制、電壓漂移補償、低諧波失真、反應(yīng)電流補償（PFC）、瞬時高負(fù)載容量，以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.4電解液流量及運送控制模塊

　　系統(tǒng)運用高性能的檢測和自動控制技術(shù)，通過高精密化工泵和控制閥等進行測量和控制，確保電解液輸送量的精確度。

　　電解質(zhì)溶液流量選擇與溶液的濃度、流速、溫度、充放電模式、運行電流密度等因素有關(guān)，其大小對電池電堆性能產(chǎn)生較大影響。

　　根據(jù)系統(tǒng)所需提供的電量大小或充電時間，計算出恰當(dāng)?shù)碾娏髅芏群土髁繑?shù)據(jù)。將流量數(shù)據(jù)設(shè)定好后，其輸送量能夠保持相對穩(wěn)定，不會受到電解液儲存量造成的壓差以及外界負(fù)荷改變等的影響。

　　2.5電池充放電管理控制模塊

　　利用高速、低功耗、多功能微控制器與電池智能充放電控制流程相結(jié)合，使電堆充放電過程性能穩(wěn)定可靠，同時，電池運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及時傳送到系統(tǒng)安全監(jiān)控模塊中去，可以實現(xiàn)電堆充放電過程實時監(jiān)控，使電堆充放電按照設(shè)定的最佳曲線進行。

　　針對太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電的隨機性和間歇性的特點，可通過系統(tǒng)的自動控制與能量調(diào)節(jié)能力來平抑可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的擾動，維持輸出電壓的平衡與穩(wěn)定。

　　2.6安全保護監(jiān)控模塊

　　系統(tǒng)采用安全數(shù)據(jù)快速實時巡檢提醒報警控制技術(shù)，對儲能系統(tǒng)的電壓、電流、流量、容量、溫度和內(nèi)阻等電池正常運行參數(shù)進行監(jiān)測。在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，對電池的過流、過壓、短路、超溫保護、漏液、電解液液面高度等工作性能、安全性能參數(shù)進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)保存，同時，根據(jù)數(shù)據(jù)超標(biāo)情況進行提示、警告和控制。還可以實時監(jiān)測電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及各控制柜的工作狀態(tài)，防止儲能系統(tǒng)提前損壞。

　　3系統(tǒng)的技術(shù)特點

　?、佥敵霆毩?。輸出功率和儲能容量彼此獨立，功率大小決定于電堆電極的有效面積，容量大小決定于電解液容量的多少，系統(tǒng)擴容和維護起來十分便利。

　?、诳擅芏瘸潆?。系統(tǒng)可以大電流密度充電，同時，快速響應(yīng)和超負(fù)荷工作能力強。

　?、勰芰啃矢?。系統(tǒng)能量效率高，放電性能穩(wěn)定可靠，能深度放電。

　?、軆δ芰看?。系統(tǒng)儲能量大，適合風(fēng)能太陽能等大規(guī)模儲能電站等，系統(tǒng)壽命長達20a，成本低。

　?、莅踩愿?。系統(tǒng)安全可靠，電池?zé)o潛在爆炸和起火危險，即使正負(fù)極電解液混合也不會產(chǎn)生危險。電解液可循環(huán)使用，運行過程無有害氣體產(chǎn)生，對環(huán)境無污染。

　　⑥全自動控制。系統(tǒng)可以進行全自動控制，可以自動運行、保護、控制和管理。

　　4系統(tǒng)的應(yīng)用和作用

　　4.1新能源風(fēng)能、太陽能發(fā)電站儲能

　　平滑風(fēng)能、太陽能等新能源，有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，提高了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

　　4.2智能電網(wǎng)削峰填谷，保障電網(wǎng)安全

　　對電網(wǎng)進行削峰填谷，實現(xiàn)電網(wǎng)智能化；減少調(diào)峰電廠數(shù)量，減少投資，減少環(huán)境污染等；提高供電品質(zhì)，減少電網(wǎng)線損；提升現(xiàn)有電網(wǎng)供電能力，延緩城市電網(wǎng)改造需求。

　　4.3分布式能源儲能供電

　　對分布式能源進行儲能，有效解決海洋孤島、偏遠山區(qū)、草原和沙漠地帶等環(huán)境、場地受限地區(qū)儲能供電，促進邊遠貧困地區(qū)發(fā)展。

　　4.4備用電源和UPS電源

　　充分利用低谷電或電網(wǎng)剩余電量，調(diào)節(jié)用電節(jié)奏和合理安排用電，即可節(jié)約用電，又可以滿足備用需求。

　　5結(jié)語

　　釩電池儲能系統(tǒng)管理控制技術(shù)具對儲能系統(tǒng)進行充放電管理、流量及輸送控制、電力變換及控制以及自動檢測安全保護等功能，對提升整個儲能系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟性和可靠性起到關(guān)鍵作用，確保全釩液流儲能系統(tǒng)的高性能穩(wěn)定發(fā)揮及正常運行。

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