全釩電池系統部分失效運行模式

李 蓓，陳繼忠

（中國電力科學研究院，北京 100192）

全釩氧化還原液流電池（vanadium redox flow battery，簡稱全釩電池或VRB）規模化程度高、循環壽命長、成本降幅空間大。雖然其單體電池電勢低，能量密度不高，但因其功率與容量可獨立設計，充放電切換靈活，響應速度靈敏等特點而滿足多種電力系統應用工況，近年來備受關注[1-9]。全釩電池獨特的物理結構決定其組成部分在性能退化或故障（不考慮電泵損壞、電解液罐損壞等機械故障）等失效情況下，有不同于其它化學電池類型的緊急應對模式。

國外關于全釩電池研究范疇多涉及電池儲能在提高電力系統運行穩定性方面的研究[10-19]，包括抑制電力系統低頻振蕩的應用、改善電能質量等；還涉及調峰填谷、緊急電源（emergency power source，EPS）以及用于風電或光伏的頻率控制等方面。國內現階段全釩電池研究偏重于電池技術本身，側重于應用層面的科技論文屈指可數，并尚未涉及其實用性分析研究，包括沒有針對應用于電力系統的電池儲能裝置的典型功能設計及相關研究等。本文針對全釩電池系統在部分失效條件下的正常運行展開理論分析與實驗研究。通過實驗模擬電池部分失效條件，結合對實驗數據的統計與分析研究全釩電池系統部分失效運行特性，從而提出采用降額定功率與倍額定功率兩種運行模式分別應對不同失效情況。該方向研究有助于實現全釩電池儲能系統在電網中應用從理論分析到工程示范的過渡。

1 全釩電池物理架構

全釩電池單體平均電壓約1.45 V，為符合應用電壓需求，通常由若干單體電池串聯組成電堆，進而通過電堆的串并聯組成電池系統以便應用。全釩電池電堆內部的電池單體由內至外依次為離子交換膜、石墨電極和雙極板，其材料性能及質量與全釩電池的使用壽命密切相關。

全釩電池的活性物質以液態形式儲存于電堆外部的儲液罐內，如圖1所示，其特有的液路管道結構決定各電堆之間無論采用串聯或并聯方式液路一致采用并聯結構。全釩電池的物理構成有利于電堆中各單體電池保持一致性，也使得全釩電池在部分模塊失效情況下有條件采取獨特的備用運行模式。

圖1 全釩電池系統物理結構示意Fig.1 VRB structure and principle diagram

2 全釩電池失效工況

全釩電池失效現象包括由于電極腐蝕、離子交換膜損壞或負極液體未及時補充氮氣等原因引起的電池無法正常充放電、電池容量顯著退化、化學反應不可逆等，還包括因電解液結晶或析氫現象造成液路管道堵塞而阻礙氧化還原反應發生等。從電路學角度講，即表現為斷路與短路。例如，離子交換膜因破損導致正負極活性物質混液而造成電堆內部短路；電堆電極因被腐蝕而造成該部分斷路等。然而，由多個電堆單元經過串并聯組合構成的全釩電池系統，往往不會出現所有個體同時失效的情況，較為常見的只是其中一個或部分失效，若能采取適當措施，可以實現全釩電池系統繼續運行。本文基于理論分析及實驗數據統計，歸納出全釩電池系統部分失效的兩種情況。

（1）系統中部分單元出現故障，系統若繼續滿負荷運行，導致系統損壞；若降低運行功率，系統能繼續運行而不致導致系統性能急劇惡化。

（2）系統中部分單元損壞嚴重，無法繼續運行，但如果隔離問題部分，系統其它部分可以在正常狀態維持運行。

可見，根據全釩電池不同的失效機理，結合系統運行結構，可以采取的兩種應對方式即整體系統降功率等級運行和無故障部分正常運行或倍功率等級運行。其中，降功率等級運行模式就是未隔離全釩電池系統的故障單元而降低系統的額定功率輸出，從而降低故障率，保證系統可靠運行；倍功率等級運行模式就是隔離全釩電池系統的故障單元，同時提升正常單元的功率輸出能力，從而實現維持系統整體功率能力，保證系統可靠運行。

3 全釩電池功率響應能力

在開展部分失效運行模式實驗研究之前，首先需要了解全釩電池系統的功率響應能力。為此，本文基于5 kW級系統模塊開展了全釩電池在不同SOC（state of charge，電池荷電狀態）狀態下輸入輸出功率的響應能力測試，以便為失效運行模式的制定與選擇提供數據支持。

功率響應能力實驗設計為依次在SOC為20%、40%、60%的條件下，分別采用0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.6倍額定功率充電，并依次在SOC為40%、60%、80%的條件下，分別采用0.6、0.8、1、2和3倍額定功率放電，從而獲得全釩電池在充電和放電兩種運行狀態下的功率能力。根據實驗數據統計得到各輸入、輸出功率與相應工作時間和輸入、輸出電量的變化關系見圖2～圖5。

圖2 輸入功率與工作時間的關系Fig.2 Input power vs working duration time

圖3 輸入功率與輸入容量的關系Fig.3 Input power vs stored energy

圖4 輸出功率與工作時間的關系Fig.4 Output power vs working duration time

圖5 輸出功率與輸出容量的關系Fig.5 Output power vs released energy

經分析知，全釩電池在相同 SOC條件下，隨著輸入功率增加，其工作時間縮短，能夠存儲的能量減少；在同一輸入功率條件下，隨著 SOC的增加，全釩電池工作時間縮短，存儲的能量也減少。由圖3得知在SOC=60%、P=8 kW時，該系統工作時間僅持續2 s。因此，本文認為實驗全釩電池系統的最大輸入功率應不超過額定功率的1.5倍。同理，全釩電池在相同SOC狀態下，隨著輸出功率增加，其工作時間縮短，能夠釋放出的能量也降低；在同一輸出功率條件下，隨著 SOC的減少，全釩電池工作時間縮短，釋放的能量也減少。由圖5可知當SOC=80%、P=15 kW時，工作時間已僅為0.1 s，可見，實驗全釩電池系統的最大功率輸出能力小于3倍額定功率。

基于上述實驗了解全釩電池系統的功率響應能力之后，便可以為全釩電池系統在部分失效運行工況下制定合理可行的運行方案。

4 部分失效工況模式實驗與分析

模擬部分失效運行實驗的全釩電池系統規模為10×10 kW/250 kW·h，其中10 kW模塊由兩個5 kW 模塊串聯并封裝組成。在實驗過程中，通過變換電堆數量及其連接方式，模擬實現電池系統部分失效的運行工況。實驗所采用的各種連接方式及參數見表1。

表1 全釩電池成組方式及參數Table 1 The grouping mode and parameters of VRB system

根據本文第2部分的描述，分別開展兩種運行模式的工況模擬實驗。

4.1 降功率等級運行模式

測試方案：采用0.6、0.8和1倍額定功率充放電；充放電電壓范圍：單體電池電壓1～1.55 V。

全釩電池系統在降功率等級運行模式中，對故障模塊采取保守態度。如圖6所示，由于充放電的功率降低，極化效應影響減弱，電壓效率得到提升。該運行模式的能量效率隨功率降低，呈先升后降變化，同時，圖7顯示，當充放電的功率降低至60%時，系統有效容量增長了37%。可見，降功率等級運行模式在犧牲系統功率能力的情況下，提升了系統有效容量，而系統效率并未因降功率等級運行而顯著變化。

圖6 降功率等級運行模式的效率Fig.6 The efficiency of lower rated power mode

圖7 降功率等級運行模式的容量Fig.7 The capacity of lower rated power mode

4.2 倍功率等級運行模式

測試方案：采用60 kW分別對5串2并、4串2并和3串2并連接的全釩電池系統充放電；充放電電壓范圍：單體電池電壓1～1.55 V。

當全釩電池系統中部分單元故障或劣化時，將導致系統整體功率等級有所降低，而系統容量規模卻不受影響，若仍需滿足額定功率運行需求，則需要啟動倍功率工作模式。該模式是通過對故障模塊采取果斷物理隔離措施，并為保證系統可靠運行而放大正常工作單元的功率吞吐能力，讓電池系統工作在倍功率模式。圖8顯示，系統輸出的總功率恒定，隨正常工作電堆的數量減少40%，剩余正常電池堆工作功率增大40%，極化效應影響增強，導致電壓效率降低 7%，但由于系統庫侖效率的增幅大于電壓效率的降低，所以總體表現為能量效率有所改善。而如圖9所示，隨電池堆充放電功率的增大，系統容量減少約35%?？梢?，倍功率等級運行模式以系統容量為代價，保證電池系統功率等級恒定，同時系統能量效率略有改善。

圖8 倍功率等級運行模式的效率Fig.8 The efficiency of times rated power mode

圖9 倍功率等級運行模式的容量Fig.9 The capacity of times rated power mode

5 結 論

文章基于實驗測試和數據統計分析，了解了全釩電池實驗系統的功率響應能力，并明確該實驗系統的最大輸入功率與最大輸出功率分別是1.5倍額定功率與3倍額定功率。基于全釩電池功率響應能力分析，文章提出在全釩電池部分失效情況下，通過采取降功率等級運行與倍功率等級運行等緊急運行模式，能夠滿足其在電力系統應用中的可靠性。降功率等級運行模式以功率換容量，適用于削峰填谷應用；倍功率等級運行模式以容量換功率，適用于間歇電源輸出功率平滑應用。

針對全釩電池部分失效時的運行特性分析，有助于在電池儲能系統設計過程中挖掘和確定隱患和薄弱環節，從而預制失效安全應對策略，相比其它化學電池種類而言，其操作較為簡便，這有利于提高系統運行可靠性，具有一定工程指導意義。

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