全釩電池系統(tǒng)部分失效運(yùn)行模式

李 蓓，陳繼忠

（中國電力科學(xué)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(guī)?；潭雀?、循環(huán)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(dú)立設(shè)計(jì)，充放電切換靈活，響應(yīng)速度靈敏等特點(diǎn)而滿足多種電力系統(tǒng)應(yīng)用工況，近年來備受關(guān)注[1-9]。全釩電池獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)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(jī)械故障）等失效情況下，有不同于其它化學(xué)電池類型的緊急應(yīng)對(duì)模式。

國外關(guān)于全釩電池研究范疇多涉及電池儲(chǔ)能在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面的研究[10-19]，包括抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的應(yīng)用、改善電能質(zhì)量等；還涉及調(diào)峰填谷、緊急電源（emergency power source，EPS）以及用于風(fēng)電或光伏的頻率控制等方面。國內(nèi)現(xiàn)階段全釩電池研究偏重于電池技術(shù)本身，側(cè)重于應(yīng)用層面的科技論文屈指可數(shù)，并尚未涉及其實(shí)用性分析研究，包括沒有針對(duì)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電池儲(chǔ)能裝置的典型功能設(shè)計(jì)及相關(guān)研究等。本文針對(duì)全釩電池系統(tǒng)在部分失效條件下的正常運(yùn)行展開理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M電池部分失效條件，結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析研究全釩電池系統(tǒng)部分失效運(yùn)行特性，從而提出采用降額定功率與倍額定功率兩種運(yùn)行模式分別應(yīng)對(duì)不同失效情況。該方向研究有助于實(shí)現(xiàn)全釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中應(yīng)用從理論分析到工程示范的過渡。

1 全釩電池物理架構(gòu)

全釩電池單體平均電壓約1.45 V，為符合應(yīng)用電壓需求，通常由若干單體電池串聯(lián)組成電堆，進(jìn)而通過電堆的串并聯(lián)組成電池系統(tǒng)以便應(yīng)用。全釩電池電堆內(nèi)部的電池單體由內(nèi)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(zhì)量與全釩電池的使用壽命密切相關(guān)。

全釩電池的活性物質(zhì)以液態(tài)形式儲(chǔ)存于電堆外部的儲(chǔ)液罐內(nèi)，如圖1所示，其特有的液路管道結(jié)構(gòu)決定各電堆之間無論采用串聯(lián)或并聯(lián)方式液路一致采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。全釩電池的物理構(gòu)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(dú)特的備用運(yùn)行模式。

圖1 全釩電池系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)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(xiàn)象包括由于電極腐蝕、離子交換膜損壞或負(fù)極液體未及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)獾仍蛞鸬碾姵責(zé)o法正常充放電、電池容量顯著退化、化學(xué)反應(yīng)不可逆等，還包括因電解液結(jié)晶或析氫現(xiàn)象造成液路管道堵塞而阻礙氧化還原反應(yīng)發(fā)生等。從電路學(xué)角度講，即表現(xiàn)為斷路與短路。例如，離子交換膜因破損導(dǎo)致正負(fù)極活性物質(zhì)混液而造成電堆內(nèi)部短路；電堆電極因被腐蝕而造成該部分?jǐn)嗦返?。然而，由多個(gè)電堆單元經(jīng)過串并聯(lián)組合構(gòu)成的全釩電池系統(tǒng)，往往不會(huì)出現(xiàn)所有個(gè)體同時(shí)失效的情況，較為常見的只是其中一個(gè)或部分失效，若能采取適當(dāng)措施，可以實(shí)現(xiàn)全釩電池系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。本文基于理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，歸納出全釩電池系統(tǒng)部分失效的兩種情況。

（1）系統(tǒng)中部分單元出現(xiàn)故障，系統(tǒng)若繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞；若降低運(yùn)行功率，系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行而不致導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇惡化。

（2）系統(tǒng)中部分單元損壞嚴(yán)重，無法繼續(xù)運(yùn)行，但如果隔離問題部分，系統(tǒng)其它部分可以在正常狀態(tài)維持運(yùn)行。

可見，根據(jù)全釩電池不同的失效機(jī)理，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，可以采取的兩種應(yīng)對(duì)方式即整體系統(tǒng)降功率等級(jí)運(yùn)行和無故障部分正常運(yùn)行或倍功率等級(jí)運(yùn)行。其中，降功率等級(jí)運(yùn)行模式就是未隔離全釩電池系統(tǒng)的故障單元而降低系統(tǒng)的額定功率輸出，從而降低故障率，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行；倍功率等級(jí)運(yùn)行模式就是隔離全釩電池系統(tǒng)的故障單元，同時(shí)提升正常單元的功率輸出能力，從而實(shí)現(xiàn)維持系統(tǒng)整體功率能力，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3 全釩電池功率響應(yīng)能力

在開展部分失效運(yùn)行模式實(shí)驗(yàn)研究之前，首先需要了解全釩電池系統(tǒng)的功率響應(yīng)能力。為此，本文基于5 kW級(jí)系統(tǒng)模塊開展了全釩電池在不同SOC（state of charge，電池荷電狀態(tài)）狀態(tài)下輸入輸出功率的響應(yīng)能力測試，以便為失效運(yùn)行模式的制定與選擇提供數(shù)據(jù)支持。

功率響應(yīng)能力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yùn)行狀態(tài)下的功率能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到各輸入、輸出功率與相應(yīng)工作時(shí)間和輸入、輸出電量的變化關(guān)系見圖2～圖5。

圖2 輸入功率與工作時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Input power vs working duration time

圖3 輸入功率與輸入容量的關(guān)系Fig.3 Input power vs stored energy

圖4 輸出功率與工作時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Output power vs working duration time

圖5 輸出功率與輸出容量的關(guān)系Fig.5 Output power vs released energy

經(jīng)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(shí)間縮短，能夠存儲(chǔ)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(shí)間縮短，存儲(chǔ)的能量也減少。由圖3得知在SOC=60%、P=8 kW時(shí)，該系統(tǒng)工作時(shí)間僅持續(xù)2 s。因此，本文認(rèn)為實(shí)驗(yàn)全釩電池系統(tǒng)的最大輸入功率應(yīng)不超過額定功率的1.5倍。同理，全釩電池在相同SOC狀態(tài)下，隨著輸出功率增加，其工作時(shí)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(shí)間縮短，釋放的能量也減少。由圖5可知當(dāng)SOC=80%、P=15 kW時(shí)，工作時(shí)間已僅為0.1 s，可見，實(shí)驗(yàn)全釩電池系統(tǒng)的最大功率輸出能力小于3倍額定功率。

基于上述實(shí)驗(yàn)了解全釩電池系統(tǒng)的功率響應(yīng)能力之后，便可以為全釩電池系統(tǒng)在部分失效運(yùn)行工況下制定合理可行的運(yùn)行方案。

4 部分失效工況模式實(shí)驗(yàn)與分析

模擬部分失效運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的全釩電池系統(tǒng)規(guī)模為10×10 kW/250 kW·h，其中10 kW模塊由兩個(gè)5 kW 模塊串聯(lián)并封裝組成。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過變換電堆數(shù)量及其連接方式，模擬實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)部分失效的運(yùn)行工況。實(shí)驗(yàn)所采用的各種連接方式及參數(shù)見表1。

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

根據(jù)本文第2部分的描述，分別開展兩種運(yùn)行模式的工況模擬實(shí)驗(yàn)。

4.1 降功率等級(jí)運(yùn)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(tǒng)在降功率等級(jí)運(yùn)行模式中，對(duì)故障模塊采取保守態(tài)度。如圖6所示，由于充放電的功率降低，極化效應(yīng)影響減弱，電壓效率得到提升。該運(yùn)行模式的能量效率隨功率降低，呈先升后降變化，同時(shí)，圖7顯示，當(dāng)充放電的功率降低至60%時(shí)，系統(tǒng)有效容量增長了37%?？梢?，降功率等級(jí)運(yùn)行模式在犧牲系統(tǒng)功率能力的情況下，提升了系統(tǒng)有效容量，而系統(tǒng)效率并未因降功率等級(jí)運(yùn)行而顯著變化。

圖6 降功率等級(jí)運(yùn)行模式的效率Fig.6 The efficiency of lower rated power mode

圖7 降功率等級(jí)運(yùn)行模式的容量Fig.7 The capacity of lower rated power mode

4.2 倍功率等級(jí)運(yùn)行模式

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

當(dāng)全釩電池系統(tǒng)中部分單元故障或劣化時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)整體功率等級(jí)有所降低，而系統(tǒng)容量規(guī)模卻不受影響，若仍需滿足額定功率運(yùn)行需求，則需要啟動(dòng)倍功率工作模式。該模式是通過對(duì)故障模塊采取果斷物理隔離措施，并為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行而放大正常工作單元的功率吞吐能力，讓電池系統(tǒng)工作在倍功率模式。圖8顯示，系統(tǒng)輸出的總功率恒定，隨正常工作電堆的數(shù)量減少40%，剩余正常電池堆工作功率增大40%，極化效應(yīng)影響增強(qiáng)，導(dǎo)致電壓效率降低 7%，但由于系統(tǒng)庫侖效率的增幅大于電壓效率的降低，所以總體表現(xiàn)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(tǒng)容量減少約35%?？梢姡豆β实燃?jí)運(yùn)行模式以系統(tǒng)容量為代價(jià)，保證電池系統(tǒng)功率等級(jí)恒定，同時(shí)系統(tǒng)能量效率略有改善。

圖8 倍功率等級(jí)運(yùn)行模式的效率Fig.8 The efficiency of times rated power mode

圖9 倍功率等級(jí)運(yùn)行模式的容量Fig.9 The capacity of times rated power mode

5 結(jié) 論

文章基于實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，了解了全釩電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功率響應(yīng)能力，并明確該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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?；谌C電池功率響應(yīng)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(jí)運(yùn)行與倍功率等級(jí)運(yùn)行等緊急運(yùn)行模式，能夠滿足其在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的可靠性。降功率等級(jí)運(yùn)行模式以功率換容量，適用于削峰填谷應(yīng)用；倍功率等級(jí)運(yùn)行模式以容量換功率，適用于間歇電源輸出功率平滑應(yīng)用。

針對(duì)全釩電池部分失效時(shí)的運(yùn)行特性分析，有助于在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中挖掘和確定隱患和薄弱環(huán)節(jié)，從而預(yù)制失效安全應(yīng)對(duì)策略，相比其它化學(xué)電池種類而言，其操作較為簡便，這有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，具有一定工程指導(dǎo)意義。

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