釩電池儲能系統在城市微電網中的優化應用

莫 青，馬 軍，郭錦龍，王 偉，李愛魁

(1.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430074；2.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001)

釩電池儲能系統在城市微電網中的優化應用

莫 青1，馬 軍1，郭錦龍2，王 偉1，李愛魁1

(1.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430074；2.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001)

為改善城區配電網的供電可靠性和電能質量，提高可再生能源在綠色節能建筑總能耗中所占比例，依托實際城市智能微電網工程開展風光儲微電網的研究，重點分析全釩液流電池儲能系統的關鍵部件設計、系統結構布局優化及運行模式控制等問題。通過實際運行分析，證明釩電池儲能系統在城市微電網應用中的可靠性和有效性。

釩電池儲能系統；城市微電網；結構優化；運行模式

智能微電網是智能電網的重要組成部分，能實現內部電源和負荷的一體化運行，并通過和主電網的協調控制，平滑接入主網或獨立自治運行，充分滿足用戶對電能質量、供電可靠性和安全性的要求[1]。在城市園區供電中，智能微電網可以在與大電網脫離后實現從并網到離網的無縫切換，由分布式發電或儲能系統維持區域內所有或部分重要負荷的供電，發揮出智能微電網在提高供電可靠性方面的作用。儲能系統作為智能微電網中的核心組成部分，發揮重要作用。特別是隨著風力發電、光伏發電等可再生能源的普及應用，其出力間歇性愈加嚴重，通過采用儲能系統能夠有效平滑可再生能源的輸出波動性，提高可再生能源的利用率，保證用戶用電的可靠、低碳和經濟性[2-5]。因此，開展釩電池儲能系統在城市智能微電網中的優化應用研究具有必要性。

本文以某城市風光儲微電網工程設計、建設和運行為例，以提高園區配電網的供電可靠性和電能質量為目標，兼顧釩電池儲能系統運行特性，探討釩電池儲能系統在園區智能微電網中的關鍵部件設計、系統結構布局優化和運行模式控制等問題，為未來釩電池儲能系統在城市園區智能微電網中的規?；瘧锰峁├碚撝魏图夹g參考。

1 某城區微電網項目概述

某科技新城，占地面積66.8 km2，是一個城市功能完備的衛星城，將容納30萬人口?？萍汲菍⒅攸c發展光電子信息、生物醫藥、能源環保、現代裝備制造和高科技農業等五大產業。

本文選取該科技城新能源研究院主樓開展釩電池儲能系統在微電網中的優化應用研究，為了充分發揮分布式發電接入對電網的積極作用，提高可再生能源在建筑總能耗中所占比例，科技城新能源研究院主樓建設一套含380 kW光伏發電系統、12 kW垂直軸風力發電機組、100 kW/2 h釩電池儲能系統、微網能量管理系統等部件的智能微電網系統，提供主樓重要負荷所需電能，提高配電網的供電可靠性，改善電能質量。科技城智能微電網系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 微電網系統拓撲結構

2 釩電池儲能系統關鍵部件優化設計

依據科技城新能源研究院主樓重要負荷功率大小(80 kW)和供電時間要求(2～3 h)，主樓微電網配置100 kW/2 h全釩液流電池儲能系統，包括由4個25 kW電堆串聯組成的電堆串、管路系統(含傳感器)、冷卻系統、釩電池電解液、100 kW儲能變流器(PCS)、儲能就地監控系統、配電柜等部分。在關鍵部件設計方面，重點對電堆結構和儲能就地監控系統進行了優化設計。

2.1 電堆結構模塊化設計

電堆作為釩電池儲能系統的核心組件，其能量效率的高低直接影響到儲能系統的運行效率[6]。在電堆材料性能暫時無突破性進展的情況下，電堆結構優化是提高系統能量效率的一個突破口。針對電堆支路電流對系統電流效率和能量效率的負面影響，基于前期工作基礎[7]，對25 kW電堆進行模塊化結構設計。25 kW電堆由52節單電池組成，其中26節單電池組成一個模塊，兩個模塊之間通過隔板串聯。25 kW電堆性能參數如表1所示。

2.2 儲能就地監控系統優化設計

儲能就地監控系統主要提供微電網管理系統和儲能系統之間信息的“上傳下達”作用，其一方面需要接收上級微電網管理系統的調度指令，把電網調度指令分配至各個儲能支路，另一方面需要實時采集釩電池儲能系統運行數據，監控整個儲能系統的運行狀態，把相關數據上傳至上級微電網管理系統。在主網發生故障時，微電網系統必須快速、穩定、可靠地由并網狀態切換到離網狀態(并離網切換時間≤20 ms)，此過程必然對儲能就地監控系統信息“上傳下達”的實時性提出更高要求。為滿足上述要求，在微網系統設計過程中除考慮硬接點的優化設計外，儲能就地監控系統開發平臺的調整也具有必要性。

基于此考慮，為了保證微電網系統運行的實時性和可靠性，摒棄了傳統的PLC工作系統，改為采用基于VxWorks操作系統的嵌入式平臺[8-9]?；赩xWorks操作系統的嵌入式平臺的儲能就地監控系統總體設計框圖如圖2所示。儲能就地監控系統主要上傳下達的信息如表2所示。

圖2 儲能就地監控系統設計

表2 儲能就地監控系統上傳下達的信息

3 釩電池儲能系統結構布局優化

根據科技城新能源研究院主樓微電網系統整體建設方案，100 kW/2 h釩電池儲能系統布置于地下環形停車場內，占據4個扇形停車位，層高2 m，共計面積78 m2?？紤]到占地為非規則性布局，為合理、充分地利用空間面積，針對釩電池儲能系統結構布局進行了優化設計。

100 kW/2 h釩電池儲能系統包括由4個25 kW電堆串聯而成的電堆串、管路系統(含傳感器)、冷卻系統、電解液、儲能就地監控系統及配電柜等部分。每個電堆布置于一個電堆支架中，電堆支架為模塊化結構。電堆機架采用框架式結構，4個電堆依次水平擱置于噴涂有耐腐蝕油漆的電堆機架中部，總正、總負電解液進出管路(DN100)均布置于電堆后部，并通過連接于電堆機架上的支架進行支撐，防止總進出液管路由于重力引起彎曲變形造成的電解液泄露。電堆進出液管(DN25)通過電堆上方和下方布線與總進出液管路連接。

通常情況下，釩電池電解液適宜的工作溫度為5～35℃，過高或過低都會引起電解液結晶析出，影響系統的正常運行。為控制正負極電解液運行溫度在合理范圍內，在電堆正負極出液管路和儲液罐正負極回液管路之間各安裝有一套通過循環水進行冷卻的臥式換熱器，外接的循環泵驅動循環水流過臥式換熱器，帶走電解液散發的熱量，從而降低電解液溫度。循環水流量和流速由儲能就地監控系統基于電解液溫度進行合理控制。

為實時準確了解釩電池儲能系統運行狀態，管路系統上布置有耐腐蝕帶信號輸出的傳感器，包括溫度傳感器、電位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器及變頻器等。傳感器監測的運行狀態信息均上傳至儲能就地監控系統。基于負荷功率變化和對應的控制策略，儲能就地監控系統下傳信號給變頻器控制循環泵流量在合理范圍內，達到電解液流量隨著負荷功率變化而智能調整的目的。

考慮高度限制以及電解液容量需求，電解液儲液罐采用臥式結構。儲液罐頂部和側面分別配置有檢修口、回液口以及U形液位管。通過U形液位管能夠實時觀察電解液液位變化情況，在正負極電解液明顯失衡情況下，需要對其進行再平衡。

電堆正負極耳引出的電纜采用電堆上方的橋架敷設至PCS接線端子，實現強電和弱電(信號線)有效隔離。儲能系統防雷和接地設計按照現行國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057和《交流電氣裝置的接地設計規范》GB 50065的規定執行。

4 釩電池儲能系統運行模式

4.1 并網運行模式

在主網正常的情況下，分布式發電并網運行，其所發電能全部送上主樓380 V配電系統。其中，光伏發電和儲能系統的協調運行模式可為：

(1)平滑功率輸出模式。當白天日照強度高，發電超過額定功率的80%(上限可調)時，對儲能系統進行充電；當日照強度低，發電低于額定功率的50%(下限可調)時，儲能系統運行在放電模式，達到最大放電深度(可調)時，停止放電。

(2)削峰填谷模式。晚上負荷低時電網對儲能系統進行充電，白天負荷高時由儲能系統放電以增加出力，改善電力的供需矛盾，提高發電設備的利用率。

4.2 微電網(孤網)運行模式

當主網發生故障或處于檢修狀態時，分布式發電采用微網孤島運行方式，選取機房、照明電源等大樓重要負荷作為微網的負荷。斷開與主網的連接開關，根據發電能力、儲能容量及負荷情況構成微電網系統，通過微電網運行控制，實現風光儲協調運行、儲能優化運行、離網削峰填谷等不同運行方式，滿足微網負荷的可靠供電，實現無縫切換。通過微電網孤島運行最大限度提高能源的利用率節能減排，同時提高供電可靠性。

5 釩電池儲能系統在微電網中的實際運行分析

100 kW/2 h釩電池儲能系統從2013年12月投運至2014年1月，完成充放電循環次數25次，累計發電量5 030 kWh，充電量6 770 kWh，綜合能量效率為74.3%。現場實測數據顯示，釩電池儲能系統各設備運轉正常，接入電網公共連接點電能質量符合現行國家標準，其余性能指標達到設計要求。

示范運行階段，重點對釩電池儲能系統并離網運行模式的無縫切換進行了測試。測試表明，系統并離網切換時間小于100 ms，并離網切換過程中主樓重要負荷無斷電發生，保障了園區的供電可靠性，測試數據如圖3所示。在儲能系統網側失電后，PCS可迅速改變狀態，系統在空載或者帶載情況下均能轉入離網狀態，并正常運行；而當網側恢復供電后，儲能系統會恢復到網側供電模式，離網運行結束。

圖3 并離網無縫切換

基于釩電池儲能系統工程前期的示范運行，針對儲能系統工程應用在如下方面可實現進一步的優化。

(1)為實現釩電池儲能系統的無人值守和實時監測，在系統設計中，可考慮增加系統工作狀態信號的無線傳輸功能，如釩電池儲能系統實時運行數據通過無線等方式傳輸至業主或設計人員手機相應的APP程序中，通過手機APP程序能夠實時監控儲能系統運行狀態。

(2)為保證所有電堆進液流量的均一性，降低濃差極化效應，改善傳質過程，進而提高電堆效率，可在電堆進液管處安裝電動閥門(帶比例調節閥)，配合電磁流量計，在儲能就地監控系統的統一協調控制下實現所有電堆進液流量的均一。

(3)電解液在經過長期化學反應后有可能產生或引入雜質，包括副反應產生的雜質如高低溫下的釩結晶體、材料腐蝕產生的雜質如石墨氈纖維、維護過程帶入的雜質等。因此，電解液在經過長期運行后，需要對其進行過濾除雜。設計中可在儲液罐出液管處并聯備用出液管，其中過濾裝置設置于備用出液管上，通過球閥能夠實現電解液快速在線過濾。

(4)為降低支路電流對儲能系統效率的負面影響，除了在電堆結構方面進行改進外，還可以通過增加支路管路的電阻實現，如加長支管長度、縮小管徑以及破壞電解液連續流動等方式。

(5)正常情況下(并離網無縫切換需要)，釩電池儲能系統一直處于運行狀態(充電、放電或待機)，即電解液循環泵一直處于開啟狀態，其作為機械部件，長期運行必然會引起壽命縮短。鑒于此，在系統設計中，可考慮加入循環泵雙備份設計，即正負極循環泵各兩個，備份循環泵在主循環泵出現故障的情況下可快速啟動。

6 結論

本文立足于科技城風光儲微電網工程設計、建設和運行，從關鍵部件設計、系統結構布局優化及運行模式控制等方面對釩電池儲能系統在城市微電網中的應用進行了分析，重點對電堆結構設計、儲能就地監控系統優化設計、釩電池儲能系統結構布局優化及運行模式分析開展了相關研究。實際運行表明，釩電池儲能系統在微網能量管理系統的合理調度和儲能就地監控系統的協調控制下，實現并網運行和微電網(孤網)運行兩種工作模式的智能切換，能夠有效提高城市園區可再生能源發電利用率，改善城市園區配網供電可靠性和電能質量，可安全、可靠、有序運行。

[1]魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化, 2007,31(19):100-108.

[2]周林,黃勇,郭珂,等.微電網儲能技術研究綜述[J].電力系統保護與控制,2011,39(7):147-152.

[3]王文星,路進升.微電網儲能電源的選擇及混合應用[J].電源技術,2011,35(9):1697-1699.

[4]薛金花,葉季蕾,楊波,等.儲能在分布式發電/微電網中的容量優化配置[J].電源技術,2013,37(12):2258-2268.

[5]梁亮,李建林,惠東.大型風電場用儲能裝置容量的優化配置[J].高電壓技術,2011,37(4):930-936.

[6]馬軍,李愛魁,董波,等.提高全釩液流電池能量效率的研究進展[J].電源技術,2013,37(8):1485-1488.

[7]馬軍,李愛魁,楊祥軍,等.全釩液流電池支路電流的理論計算及實驗分析[J].電源技術,2012,36(12):1808-1811.

[8]竇曉波,周旭峰,胡敏強,等.IEC61850快速報文傳輸服務在VxWorks中的實現[J].電力系統自動化,2008,32(12):41-46.

[9]楊曉靜,胡敏強,吳在軍,等.基于VxWorks的通信服務器實時多任務軟件設計[J].電力自動化設備,2007,27(3):81-85.

Optimal application of VRB energy storage system for urban microgrid

To solve the power supply reliability and power quality,a research on wind-solar-storage microgrid was made based on the engineering practice on the urban microgrid.The design of key components, structure optimization and operation modes of the VRB energy storage system were analyzed.The actual operation analysis demonstrates the practicability and effectiveness of the application of VRB energy storage system in microgrid.

VRB energy storage system;urban microgrid;structure optimization;operation modes

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1233-04

2015-12-08

山西省電力公司科技項目(WNJ131-0071)；中科院-湖北省2013年院地合作項目(WNZ141-0030)

莫青(1964—)，女，湖南省人，高級工程師，主要研究方向為節能技術及電力儲能系統。

馬軍，E-mail：majun@sgepri.sgcc.com.cn