釩電池技術(shù)在微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

張聞一，王松楠，張師，張會(huì)強(qiáng)

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.珠海供電公司，廣東 珠海 519003)

1 引言

全球范圍的能源與環(huán)境問(wèn)題使利用清潔能源、經(jīng)濟(jì)高效、多樣化的分布式發(fā)電技術(shù)受到廣泛重視。微電網(wǎng)的概念的提出使得分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)被充分利用，抑制了分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的不利影響，弱化了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與分布式發(fā)電間的矛盾。典型的微電網(wǎng)是一組多種分布式發(fā)電單元、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷的集合，由中央能量管理單元負(fù)責(zé)微電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電調(diào)度。微電網(wǎng)正常情況下運(yùn)行在聯(lián)網(wǎng)模式，必要時(shí)能夠與大電網(wǎng)斷開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行[1]。在這兩種模式下，高性能儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)系統(tǒng)一個(gè)重要單元，具有動(dòng)態(tài)吸收能量并適時(shí)釋放的特點(diǎn)，它可以保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，改善電能質(zhì)量，優(yōu)化系統(tǒng)配置。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)還有助于微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶的個(gè)性化要求，提高供電可靠性，降低饋電損耗，或作為不間斷供電源[2]。基于釩電池的微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以顯著提高微電網(wǎng)的整體性能及風(fēng)能、光伏等能源利用率[3]。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的必要性

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種特殊的微電源由儲(chǔ)能單元和雙向變流器構(gòu)成，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能;在孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以加快切換時(shí)間，平衡多種電源間響應(yīng)時(shí)間不一致的弊端，改善電能質(zhì)量[4]。儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的基本功能起著至關(guān)重要的作用。將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)中從而提高各種新能源的并網(wǎng)性能及電能的綜合利用效率、保障供電系統(tǒng)的可靠性、提高電能質(zhì)量。所以，充分發(fā)揮微電網(wǎng)自身功能離不開(kāi)高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的種類

儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，形式也多種多樣，物理、化學(xué)和電磁儲(chǔ)能為當(dāng)前主要的3類儲(chǔ)能按技術(shù)。物理儲(chǔ)能方式主要有飛輪儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能。主要的化學(xué)儲(chǔ)能方式有，鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、釩電池等。電磁儲(chǔ)能方式包括超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能[5]。抽水儲(chǔ)能一般適用于100MW以上的電力系統(tǒng)，而在總?cè)萘客ǔ閿?shù)MW級(jí)的微電網(wǎng)中抽水儲(chǔ)能前景黯淡。類似抽水儲(chǔ)能，壓縮空氣儲(chǔ)能同樣只適用于大功率調(diào)節(jié)，難以適應(yīng)微電網(wǎng)的需求。飛輪儲(chǔ)能適合短時(shí)儲(chǔ)能釋放，主要用來(lái)平抑波動(dòng)，但目前飛輪儲(chǔ)能成熟產(chǎn)品較少、超級(jí)電容儲(chǔ)能功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，用以提供瞬時(shí)大功率供電，但使用成本高，不宜作為主要儲(chǔ)能元件、超導(dǎo)儲(chǔ)能還處于研究階段，而沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。鉛酸蓄電池對(duì)環(huán)境溫度要求苛刻，也就是提高了其使用場(chǎng)合的環(huán)境要求，且鉛酸蓄使用壽命較短，且存在廢棄電池的處理回收問(wèn)題。若其生產(chǎn)及廢品處理不當(dāng)，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

3 釩電池的特性及工作原理

3.1 釩電池的特性

釩電池的全稱是全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Battery，縮寫為VRB)，VRB具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)有[6]:功率大，通過(guò)增加單個(gè)電池的數(shù)量和電極面積可增加釩電池的功率;容量大，容量可通過(guò)增加電解液的容積任意調(diào)整;效率高，釩電池的電極催化活性高，且在正、負(fù)極電解槽中分別存儲(chǔ)正、負(fù)極活性物質(zhì);效應(yīng)速度快，充、放電切換在運(yùn)行過(guò)程中只需要0.02s，響應(yīng)速度低于1ms;壽命長(zhǎng)，釩電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)存在于正、負(fù)極電解液中，只發(fā)生液相反應(yīng)，不存在復(fù)雜的固相反應(yīng)，因此電池壽命長(zhǎng)，可承受大電流放電;安全性高，VRB發(fā)生爆炸或著火的可能性極低，即使發(fā)生正、負(fù)極電解液混合也只會(huì)使電解液溫度小幅提高，不存在危險(xiǎn);運(yùn)行維護(hù)成本低，電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要貴金屬做電極催化劑，除離子膜外VRB主要部件工藝簡(jiǎn)單，原料價(jià)格低廉;清潔環(huán)保，VRB制造、使用及廢棄過(guò)程均不產(chǎn)生有害物質(zhì)，對(duì)周邊環(huán)境影響小，是目前發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保儲(chǔ)能技術(shù)之一。

釩電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有鋰離子電池、鎳鎘電池、鎳氫電池?zé)o法企及的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。釩電池不僅被廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)力發(fā)電的配套儲(chǔ)能設(shè)備，還可服務(wù)于電網(wǎng)調(diào)峰，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，保障電網(wǎng)安全等，是未來(lái)電池發(fā)展的重要方向。

3.2 釩電池的工作原理

釩電池工作原理如圖1所示[7]。VRB電池正負(fù)極之間用離子膜分開(kāi)，由電極活性物質(zhì)和集流板構(gòu)成電極，正負(fù)極電解液分別存儲(chǔ)在兩個(gè)儲(chǔ)罐中，工作時(shí)用外接泵將電解液注入電池堆以完成電化學(xué)反應(yīng)，之后電解液回到儲(chǔ)罐中，使儲(chǔ)罐內(nèi)活性物質(zhì)不斷循環(huán)流動(dòng)[8]。在充放電過(guò)程中，電池中的反應(yīng)可以表示為:

圖1 釩電池的工作原理

4 釩電池等效電路模型

釩電池的等效電路如圖2所示。其中:VRB中的活性化學(xué)物質(zhì)含量通過(guò)等效動(dòng)態(tài)變量SOC(充電狀態(tài))體現(xiàn);電池堆的電勢(shì)等效成受控電壓源，主要受SOC變化影響;泵升損耗被等效成受控電流源，受泵損電流控制，由SOC和電流共同決定。釩電池功率損耗主要由等效內(nèi)阻損耗和外部寄生電阻損耗構(gòu)成。其中等效內(nèi)阻損耗分為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的電阻()損耗和溶液、膜、雙極板、電極引起的電阻()損耗。外部寄生電阻損耗分為固定電阻損耗和泵損[9]。

圖2 釩電池等效電路模型

當(dāng)VRB放電至20%SOC，估計(jì)損耗為21%，其中內(nèi)阻損耗為15%，為6%時(shí)，可以計(jì)算出VRB等效電路參數(shù)值。當(dāng)其電池堆的輸出功率為:

可由能斯特方程可得到和SOC的關(guān)系如下:

其中，表示單體電池電壓，k=(RT/F)ln10=0.059，R=8.314J/K·mol;T=298K;F=96500C/mol;=1.25V(單體VRB電勢(shì)差)。

寄生損耗可以表示為:

其中，k'=708.5，是一個(gè)與有關(guān)的常數(shù);Vb表示VRB端電壓。

單體VRB電容為6F，由于單體VRB電壓較低，所以假設(shè)由n個(gè)單體VRB串聯(lián)在一起，電池堆電勢(shì)和等效電容分別為:

釩電池的荷電狀態(tài)SOC定義為如下所示:

其中，SOCt、SOCt－1分別代表時(shí)間為 t、t－1 時(shí)的充電狀態(tài);ΔSOC代表單位時(shí)間步長(zhǎng)的SOC變化量。

5 VRB SOC仿真分析

本文對(duì)VRB建模并進(jìn)行仿真[10]，VRB仿真參數(shù)如表1所示。

表1 釩電池仿真參數(shù)

圖3為在額定輸出功率5kW時(shí)充電電池VRB(SOC=80%)的放電過(guò)程如。根據(jù)輸出電壓設(shè)置直流電源的輸出電流從而使其功率保持在5kW。

圖3 VRB SOC

圖4為通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)VRB采用100的步長(zhǎng)仿真3h的結(jié)果。理論上釩電池的端電壓在充放電過(guò)程中80% ～100%SOC和0～20%SOC區(qū)間內(nèi)變化時(shí)呈非線性變化而在20%～80%SOC之間呈線性變化，故由圖4可知，電池的模型符合放電電壓和SOC的配置要求。

6 應(yīng)用前景

VRB容量大，功率高可用于微電網(wǎng)調(diào)峰;同時(shí)，利用充放電速度快、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)可以起提高電能質(zhì)量的作用;此外，其容量大、響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)還可以保證微電網(wǎng)中間歇式能源發(fā)電輸出穩(wěn)定。

圖4 VRB端電壓和電流

自1984年澳大利亞新南威爾士大學(xué)(UNSW)發(fā)明釩電池至今，VRB已經(jīng)在美國(guó)、加拿大、歐洲、日本、澳大利亞有數(shù)套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，我國(guó)在民用釩電池自助化的技術(shù)上也獲得了相當(dāng)重要的突破，目前已經(jīng)在其中的多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)上擁有了完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這為釩電池商業(yè)化推廣提供了重要的技術(shù)支持，如大連化學(xué)物理研究所研發(fā)的能量效率為81%的10kW電池模塊和能量效率為75%的100kW級(jí)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng);山東東岳集團(tuán)國(guó)產(chǎn)化的全氟離子膜研制成功，打破了美國(guó)、日本長(zhǎng)期對(duì)該項(xiàng)釩電池核心技術(shù)的壟斷。

我國(guó)釩資源豐富，是世界三大產(chǎn)釩國(guó)之一，為大規(guī)模應(yīng)用VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了有力保障，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用VRB，還有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，如自主開(kāi)發(fā)高性能離子交換膜以降低陳本，電機(jī)性能優(yōu)化和電解液的配方。隨著我國(guó)可再生能源法的正式實(shí)施以及國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的大力支持，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)將具有更好的發(fā)展前景。

7 結(jié)論

本文對(duì)當(dāng)前的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了比較和分析，相對(duì)于其他幾種儲(chǔ)能方式，釩電池更適合應(yīng)用于微電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能。

介紹了VRB的工作原理，建立了其等效電路模型，通過(guò)MATLAB/Simulink仿真分析了VRB的充放電特性。通過(guò)在微電網(wǎng)中加入VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以為電網(wǎng)提供無(wú)功功率的支持，又可以平抑風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等不可控DG的輸出有功功率波動(dòng)，提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

[1]魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，19:100 －107.

[2]陳深，毛曉明，房敏，等.微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].廣東電力，2014，02:11 －16.報(bào)，2014，01:57 －70.

[3]解東光，楊巍巍，李鵬飛，等.釩電池的工作特性及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用前景[J].廣東電力，2013，25(3):81 －83.

[4]楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué).

[5]陳深，毛曉明，房敏，等.微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].廣東電力，2014，2:11 －16.

[6]趙波，王成山，張雪松.海島獨(dú)立型微電網(wǎng)儲(chǔ)能類型選擇與商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，4:21 －27.

[7]陳棟陽(yáng)，王拴緊，肖敏，等.全釩液流電池離子交換膜的研究進(jìn)展[J].高分子材料科學(xué)與工程，2009，4:167 －169+174.

[8]崔艷華，孟凡明.釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].電源技術(shù)，2005，11:77 －81.

[9]畢大強(qiáng)，葛寶明，王文亮，等.基于釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，13:72 －78

[10]任先文，楊巍巍，李鵬飛，等.獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中VRB的控制設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2012，6:61 －65.