適用于液流電池儲能系統的電池管理系統

李 峰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 儲能系統對比

電能是信息社會重要的、必不可缺的二次能源,是經濟可持續發展的保障。風能、太陽能、潮汐能等可再生能源被認為是未來電能的有效來源,在世界范圍內被大量使用。為保證可再生能源發電系統的穩定供電,應以蓄電儲能的方式進行調節[1]。目前,主流的儲能方式有電磁儲能、物理儲能、化學儲能,化學儲能包括鋰電池儲能、液流電池儲能、鈉硫電池儲能、鉛酸電池儲能等[2]。鋰電池儲能近幾年得到了廣泛的推廣和應用,初具規模[3]。液流電池作為一種化學儲能電池,在世界范圍內得到了關注,目前還處于應用前期[4]。

無論是鋰電池儲能系統還是液流電池儲能系統,主要構成基本相同,包括電池組、電池管理系統、能量轉換系統、電網、監控系統、其它輔助設備等[5]。不同類型電池的化學儲能系統,主要差異體現在電池管理系統上。

鋰電池儲能系統原理如圖1所示,液流電池儲能系統原理如圖2所示。

圖1 鋰電池儲能系統原理

鋰電池儲能系統在運行過程中,不需要外部參與電池自身化學反應過程的控制。液流電池儲能系統在運行過程中,需要外部參與電池自身化學反應過程的控制,由此液流電池儲能系統對電池管理系統提出了更高的要求。

液流電池管理系統與鋰電池管理系統有很大的不同。鋰電池管理系統主要實現對鋰電池的監測、均衡管理,以及荷電狀態與健康狀態等的估算,液流電池管理系統除了實現對電池的監測、荷電狀態與健康狀態等的估算外,更側重于對電池電化學反應過程的調節和控制,在保證液流電池正常化學反應的前提下,進一步提升電池性能,延長壽命。由此,液流電池管理系統更準確地應稱為液流電池控制系統。具體而言,液流電池管理系統需要對電解液管道、氣路閥、流量、壓力等進行控制,對電池堆進出口溫度進行控制,實現電堆、管道、電解液罐等的報警和保護等[6]。

2 液流電池管理系統要求

由上述分析可知,適用于液流電池儲能系統的電池管理系統需要滿足以下要求:

(1) 具有模塊化結構,可以根據容量進行靈活配置,滿足大規模儲能系統對電池管理系統的性能要求[7];

(2) 具有安全冗余功能[8];

(3) 軟件、硬件按照功能進行劃分,具備獨立的功能模塊[9];

(4) 除具備常規的電池狀態監控功能外,還需要參與電池化學反應的控制,對電堆溫度、管道閥門、電解液流量和壓力等進行控制。

3 系統總體方案

筆者以250 kW液流電池儲能系統為例,設計適用于兆瓦級以上液流電池儲能系統的電池管理系統。250 kW液流電池儲能系統有八個電堆,包括正負極電解液罐、管道、泵、閥門、傳感器等部件。

針對前述要求,液流電池管理系統硬件按功能進行劃分,具體硬件構架如圖3所示。電池管理系統硬件板卡安裝在金屬箱體內,方便維護、搬運,同時具有屏蔽電磁干擾的功能。

圖3 液流電池管理系統硬件架構

正、負極控制卡用于采集正、負極電解液罐體狀態信息,以及正、負極管道閥門位置、壓力、流量等狀態信息,通過數據分析處理,控制閥門開閉,下發正、負極管道泵的變頻控制信號,同時具有報警保護功能。溫度采集卡用于采集電解液罐、管道、電堆等部件的實時溫度,通過數據計算,控制相應閥門開閉,以及冷卻系統輸出的冷卻液流量、溫度等,并且具有溫度監測報警保護功能。電堆采集卡采集電堆電壓、電流等信息,并計算電池荷電狀態。通信卡通過內部RS 485或串行外設接口總線方式,實現控制卡、采集卡之間的信息交互。外部通信采用控制器局域網或傳輸控制協議/網際協議,實現通信卡與終端監控臺的數據交互。背卡為所有板卡提供直流24 V電源,同時實現電池管理系統不同板卡通信地址的硬件設置,并實現程序的統一。

上述硬件方案可以根據實際液流電池儲能系統的電池數量進行板卡的增減,并可以應用于兆瓦級以上液流電池儲能系統,能夠根據儲能系統容量對電池管理系統進行靈活配置。

液流電池更適用于兆瓦級以上儲能系統,充放電次數可達10 000次以上。通過更換正負極的電解液,可以實現瞬間再充電。液流電池支持過充過放而不損壞電池,壽命長[10]。

兆瓦級以上液流電池儲能系統通常是由小儲能單元通過并聯方式組成的大容量儲能系統,每個儲能單元是相對獨立的一個系統。兆瓦級以上液流電池管理系統解決方案如圖4所示。

圖4 兆瓦級以上液流電池管理系統解決方案

兆瓦級以上液流電池管理系統解決方案是電池管理系統在兆瓦級以上液流電池儲能系統中的具體應用。由于電池管理系統采用了模塊化結構,可以根據儲能系統容量進行靈活配置,因此降低了儲能系統中電池管理系統設計方案的復雜性,減少了電池管理系統的成本。由于電池管理系統內部已互相解耦,因此當某一個電池管理系統單元出現故障時,不會影響系統的整體運行和穩定性。從運營角度看,這一系統具備本地監控和遠程監控能力,實現了本地無人值守和遠程監控。

4 實際驗證

上海某機械加工企業產線擴容,但變壓器容量未變,根據客戶實際運行情況,配置了額定功率為250 kW、容量為1 MWh的液流電池儲能系統。該儲能系統主要由八個電堆串并聯組成,有一套電池管理系統,一臺額定功率為250 kW的直流/直流變換器、一臺額定功率為250 kW的儲能變流器。

由于液流電池儲能系統容量相對較小,并且由八個電堆組成,因此采用筆者設計的液流電池管理系統解決方案。出于維護方便和冗余考慮,控制卡冗余兩塊。硬件板卡共15塊,其中控制卡五塊、通信卡一塊、采集卡八塊、背卡一塊。用戶現場的電池管理系統控制箱如圖5所示。

圖5 電池管理系統控制箱

這一儲能項目最終交付使用后,現場實際運行驗證了電池管理系統的可行性和有效性,滿足液流電池儲能系統的需求。

5 結束語

筆者通過對鋰電池儲能系統和液流電池儲能系統進行對比分析,設計了一種適用于不同容量液流電池儲能系統的電池管理系統,并驗證了電池管理系統的可行性和有效性。這一電池管理系統具有模塊化結構,可以根據液流電池儲能系統的容量進行靈活配置,滿足不同容量液流電池儲能系統的應用要求。