釩電池技術在微電網儲能系統(tǒng)中的應用

張聞一，王松楠，張師，張會強

(1.東北電力大學，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)境問題使利用清潔能源、經濟高效、多樣化的分布式發(fā)電技術受到廣泛重視。微電網的概念的提出使得分布式發(fā)電的優(yōu)勢被充分利用，抑制了分布式發(fā)電對電網的不利影響，弱化了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與分布式發(fā)電間的矛盾。典型的微電網是一組多種分布式發(fā)電單元、儲能系統(tǒng)和負荷的集合，由中央能量管理單元負責微電網內的發(fā)電調度。微電網正常情況下運行在聯(lián)網模式，必要時能夠與大電網斷開獨立運行[1]。在這兩種模式下，高性能儲能系統(tǒng)作為微電網系統(tǒng)一個重要單元，具有動態(tài)吸收能量并適時釋放的特點，它可以保證微電網安全穩(wěn)定運行，改善電能質量，優(yōu)化系統(tǒng)配置。此外，儲能系統(tǒng)還有助于微電網實現(xiàn)用戶的個性化要求，提高供電可靠性，降低饋電損耗，或作為不間斷供電源[2]?；阝C電池的微電網儲能系統(tǒng)可以顯著提高微電網的整體性能及風能、光伏等能源利用率[3]。

2 儲能系統(tǒng)的必要性

儲能系統(tǒng)作為一種特殊的微電源由儲能單元和雙向變流器構成，在并網運行時，儲能系統(tǒng)進行儲能;在孤島運行時，儲能系統(tǒng)可以加快切換時間，平衡多種電源間響應時間不一致的弊端，改善電能質量[4]。儲能系統(tǒng)對于實現(xiàn)微電網的基本功能起著至關重要的作用。將儲能技術應用于微電網中從而提高各種新能源的并網性能及電能的綜合利用效率、保障供電系統(tǒng)的可靠性、提高電能質量。所以，充分發(fā)揮微電網自身功能離不開高性能的儲能系統(tǒng)。

2.1 儲能系統(tǒng)的種類

儲能技術發(fā)展迅速，形式也多種多樣，物理、化學和電磁儲能為當前主要的3類儲能按技術。物理儲能方式主要有飛輪儲能、抽水儲能、壓縮空氣儲能。主要的化學儲能方式有，鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、釩電池等。電磁儲能方式包括超級電容儲能、超導儲能[5]。抽水儲能一般適用于100MW以上的電力系統(tǒng)，而在總容量通常為數(shù)MW級的微電網中抽水儲能前景黯淡。類似抽水儲能，壓縮空氣儲能同樣只適用于大功率調節(jié)，難以適應微電網的需求。飛輪儲能適合短時儲能釋放，主要用來平抑波動，但目前飛輪儲能成熟產品較少、超級電容儲能功率密度高，循環(huán)壽命長，用以提供瞬時大功率供電，但使用成本高，不宜作為主要儲能元件、超導儲能還處于研究階段，而沒有大規(guī)模應用。鉛酸蓄電池對環(huán)境溫度要求苛刻，也就是提高了其使用場合的環(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題。若其生產及廢品處理不當，會造成嚴重的環(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具有特殊的電池結構，其特點有[6]:功率大，通過增加單個電池的數(shù)量和電極面積可增加釩電池的功率;容量大，容量可通過增加電解液的容積任意調整;效率高，釩電池的電極催化活性高，且在正、負極電解槽中分別存儲正、負極活性物質;效應速度快，充、放電切換在運行過程中只需要0.02s，響應速度低于1ms;壽命長，釩電池的正、負極活性物質存在于正、負極電解液中，只發(fā)生液相反應，不存在復雜的固相反應，因此電池壽命長，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、負極電解液混合也只會使電解液溫度小幅提高，不存在危險;運行維護成本低，電池結構簡單，不需要貴金屬做電極催化劑，除離子膜外VRB主要部件工藝簡單，原料價格低廉;清潔環(huán)保，VRB制造、使用及廢棄過程均不產生有害物質，對周邊環(huán)境影響小，是目前發(fā)展勢頭強勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保儲能技術之一。

釩電池在大規(guī)模儲能領域具有鋰離子電池、鎳鎘電池、鎳氫電池無法企及的性價比優(yōu)勢。釩電池不僅被廣泛應用于光伏、風力發(fā)電的配套儲能設備，還可服務于電網調峰，提高電網穩(wěn)定性，保障電網安全等，是未來電池發(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電池正負極之間用離子膜分開，由電極活性物質和集流板構成電極，正負極電解液分別存儲在兩個儲罐中，工作時用外接泵將電解液注入電池堆以完成電化學反應，之后電解液回到儲罐中，使儲罐內活性物質不斷循環(huán)流動[8]。在充放電過程中，電池中的反應可以表示為:

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中的活性化學物質含量通過等效動態(tài)變量SOC(充電狀態(tài))體現(xiàn);電池堆的電勢等效成受控電壓源，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阻損耗和外部寄生電阻損耗構成。其中等效內阻損耗分為反應動力學的電阻()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VRB放電至20%SOC，估計損耗為21%，其中內阻損耗為15%，為6%時，可以計算出VRB等效電路參數(shù)值。當其電池堆的輸出功率為:

可由能斯特方程可得到和SOC的關系如下:

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電勢差)。

寄生損耗可以表示為:

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

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

釩電池的荷電狀態(tài)SOC定義為如下所示:

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

5 VRB SOC仿真分析

本文對VRB建模并進行仿真[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時充電電池VRB(SOC=80%)的放電過程如。根據(jù)輸出電壓設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MATLAB/Simulink對VRB采用100的步長仿真3h的結果。理論上釩電池的端電壓在充放電過程中80% ～100%SOC和0～20%SOC區(qū)間內變化時呈非線性變化而在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 應用前景

VRB容量大，功率高可用于微電網調峰;同時，利用充放電速度快、響應迅速的優(yōu)點可以起提高電能質量的作用;此外，其容量大、響應迅速的優(yōu)點還可以保證微電網中間歇式能源發(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(UNSW)發(fā)明釩電池至今，VRB已經在美國、加拿大、歐洲、日本、澳大利亞有數(shù)套系統(tǒng)實現(xiàn)商業(yè)化，我國在民用釩電池自助化的技術上也獲得了相當重要的突破，目前已經在其中的多項關鍵核心技術上擁有了完全的自主知識產權，這為釩電池商業(yè)化推廣提供了重要的技術支持，如大連化學物理研究所研發(fā)的能量效率為81%的10kW電池模塊和能量效率為75%的100kW級釩電池儲能系統(tǒng);山東東岳集團國產化的全氟離子膜研制成功，打破了美國、日本長期對該項釩電池核心技術的壟斷。

我國釩資源豐富，是世界三大產釩國之一，為大規(guī)模應用VRB儲能系統(tǒng)提供了有力保障，但要實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應用VRB，還有許多關鍵問題需要解決，如自主開發(fā)高性能離子交換膜以降低陳本，電機性能優(yōu)化和電解液的配方。隨著我國可再生能源法的正式實施以及國家對太陽能、風能等可再生能源的大力支持，大規(guī)模儲能系統(tǒng)將具有更好的發(fā)展前景。

7 結論

本文對當前的儲能技術進行了比較和分析，相對于其他幾種儲能方式，釩電池更適合應用于微電網大規(guī)模儲能。

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

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

[2]陳深，毛曉明，房敏，等.微電網中儲能技術研究進展與展望[J].廣東電力，2014，02:11 －16.報，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中的應用前景[J].廣東電力，2013，25(3):81 －83.

[4]楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學.

[5]陳深，毛曉明，房敏，等.微電網中儲能技術研究進展與展望[J].廣東電力，2014，2:11 －16.

[6]趙波，王成山，張雪松.海島獨立型微電網儲能類型選擇與商業(yè)運營模式探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，4:21 －27.

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

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

[9]畢大強，葛寶明，王文亮，等.基于釩電池儲能系統(tǒng)的風電場并網功率控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，13:72 －78

[10]任先文，楊巍巍，李鵬飛，等.獨立風力發(fā)電系統(tǒng)中VRB的控制設計[J].電測與儀表，2012，6:61 －65.