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(zhǎng)沙410013；2.湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410082）

摘要：釩液流儲(chǔ)能電池是一種廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)之中的大規(guī)模蓄電儲(chǔ)能設(shè)備。文章介紹了釩液流電池的工作原理，并針對(duì)其運(yùn)行特性和實(shí)用化過(guò)程中的能量效率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)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(hù)監(jiān)控模塊等，并總結(jié)了該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)釩液流電池穩(wěn)定、高效和安全的管理控制。

對(duì)新能源及低碳經(jīng)濟(jì)的追求使得世界各國(guó)都在大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色能源，但風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電過(guò)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(fèi)和設(shè)備故障。因此，在風(fēng)能、太陽(yáng)能輸入電網(wǎng)前，增加新型環(huán)保釩液流電池(VRB)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)能電池系統(tǒng)是一種將風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源與化學(xué)能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的系統(tǒng)。儲(chǔ)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(yùn)行模式上有其獨(dú)特性，在性能上更適用于風(fēng)能、太陽(yáng)能等大規(guī)模儲(chǔ)能電站及智能電網(wǎng)調(diào)峰等應(yīng)用場(chǎng)合。它的主要組成部分為：電堆系統(tǒng)、電解液和電解液儲(chǔ)存運(yùn)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(gè)儲(chǔ)存桶中，分別通過(guò)化工泵驅(qū)動(dòng)電解液流過(guò)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各模塊功能

釩液流電池儲(chǔ)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(gè)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(dòng)態(tài)體系，其運(yùn)行特性與液流儲(chǔ)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(yùn)行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提升整個(gè)系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟(jì)性和可靠性是大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)用化過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)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(jìn)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(chǔ)能管理控制系統(tǒng)，對(duì)全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的高性能發(fā)揮及正常運(yùn)行起著非常重要的作用。

儲(chǔ)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(yùn)送控制模塊、電池充放電管理模塊、系統(tǒng)安全保護(hù)監(jiān)控管理模塊等組成。

2.1管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)將風(fēng)能和太陽(yáng)能等能源經(jīng)過(guò)充電控制模塊輸入到釩電池，通過(guò)在電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，將風(fēng)能太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，完成第一步能量轉(zhuǎn)換。儲(chǔ)存在電解液里的化學(xué)能再通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為直流電能并通過(guò)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(gè)充放電過(guò)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(hù)監(jiān)控管理模塊之間對(duì)能量?jī)?yōu)化和管理控制進(jìn)行有序配合，才能有效發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)高效率的發(fā)揮作用?？刂葡到y(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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)正在運(yùn)行的各模塊工作狀況發(fā)生變化的控制信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行信號(hào)采集并進(jìn)行監(jiān)控，是系統(tǒng)進(jìn)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(yáng)能直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的電壓及頻率造成較大波動(dòng)，進(jìn)一步提升電力品質(zhì)和安全性，系統(tǒng)采用了先進(jìn)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(bǔ)償、低諧波失真、反應(yīng)電流補(bǔ)償（PFC）、瞬時(shí)高負(fù)載容量，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4電解液流量及運(yùn)送控制模塊

系統(tǒng)運(yùn)用高性能的檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)高精密化工泵和控制閥等進(jìn)行測(cè)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(yùn)行電流密度等因素有關(guān)，其大小對(duì)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(shí)間，計(jì)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(duì)穩(wěn)定，不會(huì)受到電解液儲(chǔ)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(guò)程性能穩(wěn)定可靠，同時(shí)，電池運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到系統(tǒng)安全監(jiān)控模塊中去，可以實(shí)現(xiàn)電堆充放電過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，使電堆充放電按照設(shè)定的最佳曲線進(jìn)行。

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

2.6安全保護(hù)監(jiān)控模塊

系統(tǒng)采用安全數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)巡檢提醒報(bào)警控制技術(shù)，對(duì)儲(chǔ)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(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，對(duì)電池的過(guò)流、過(guò)壓、短路、超溫保護(hù)、漏液、電解液液面高度等工作性能、安全性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)保存，同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)超標(biāo)情況進(jìn)行提示、警告和控制。還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及各控制柜的工作狀態(tài)，防止儲(chǔ)能系統(tǒng)提前損壞。

3系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

①輸出獨(dú)立。輸出功率和儲(chǔ)能容量彼此獨(dú)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(kuò)容和維護(hù)起來(lái)十分便利。

②可密度充電。系統(tǒng)可以大電流密度充電，同時(shí)，快速響應(yīng)和超負(fù)荷工作能力強(qiáng)。

③能量效率高。系統(tǒng)能量效率高，放電性能穩(wěn)定可靠，能深度放電。

④儲(chǔ)能量大。系統(tǒng)儲(chǔ)能量大，適合風(fēng)能太陽(yáng)能等大規(guī)模儲(chǔ)能電站等，系統(tǒng)壽命長(zhǎng)達(dá)20a，成本低。

⑤安全性高。系統(tǒng)安全可靠，電池?zé)o潛在爆炸和起火危險(xiǎn)，即使正負(fù)極電解液混合也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。電解液可循環(huán)使用，運(yùn)行過(guò)程無(wú)有害氣體產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

⑥全自動(dòng)控制。系統(tǒng)可以進(jìn)行全自動(dòng)控制，可以自動(dòng)運(yùn)行、保護(hù)、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(yáng)能發(fā)電站儲(chǔ)能

平滑風(fēng)能、太陽(yáng)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(duì)電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，實(shí)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(chǔ)能供電

對(duì)分布式能源進(jìn)行儲(chǔ)能，有效解決海洋孤島、偏遠(yuǎn)山區(qū)、草原和沙漠地帶等環(huán)境、場(chǎng)地受限地區(qū)儲(chǔ)能供電，促進(jìn)邊遠(yuǎn)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(yǔ)

釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)管理控制技術(shù)具對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電管理、流量及輸送控制、電力變換及控制以及自動(dòng)檢測(cè)安全保護(hù)等功能，對(duì)提升整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟(jì)性和可靠性起到關(guān)鍵作用，確保全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的高性能穩(wěn)定發(fā)揮及正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華民，趙平，周漢濤，等.釩氧化還原儲(chǔ)能電池[J].電源技術(shù)，2005，26（1）:23-26.

[2]劉素琴，黃可龍，劉又年，等.儲(chǔ)能釩液流電池研發(fā)熱點(diǎn)及前景[J].電池，2005，（5）.

[3]許茜，喬永蓮.釩電池電極材料和復(fù)合電極的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2008，（12）