基于釩電池儲能系統(tǒng)用控制管理系統(tǒng)的模塊化開發(fā)探索與研究

黃婕

在當(dāng)前，釩液流儲能電池得到了廣泛的應(yīng)用，在太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中，能夠保障規(guī)?；男铍妰δ芄δ堋１疚姆治隽蒜C電池工作原理和特點、其運行中的一些問題、模塊化開發(fā)狀況以及應(yīng)用前景。本研究旨在不斷提高釩液流電池的穩(wěn)定性，保證其高效的控制。

一、釩電池工作原理

釩液流儲能電池系統(tǒng)主要是把太陽能和風(fēng)能以及化學(xué)能等等儲存起來，并且實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。在其儲能系統(tǒng)中，釩電池是基本的工作單元。在鉛酸電池以及鎳鎘電池在工作模式和內(nèi)部構(gòu)造中存在著很大的不同，在使用的性能上，更加適合應(yīng)用在一些太陽能和風(fēng)能等等大規(guī)模儲能電站中。其組成包含了電解液、電堆系統(tǒng)以及電解液儲存運送體系，同時還包含能量轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)，參考圖1。電池電堆主要是按照需要的電功率，采用不同數(shù)量的電池根據(jù)一定的序列安裝形成。在兩個儲存桶內(nèi)，分別裝著正、負極的電解溶液，利用化工泵對電解液流過電池電堆的正負極進行驅(qū)動，并且在電池電堆中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而將電能和化學(xué)能進行有效的轉(zhuǎn)換。在電池電堆工作中，電池電極總面積決定了其輸出功率，并且電解質(zhì)溶液的總?cè)萘繘Q定了電池容量。

二、釩電池技術(shù)系統(tǒng)特點及現(xiàn)狀

（一）釩電池技術(shù)系統(tǒng)特點

輸出獨立。儲能容量與輸出功率之間屬于獨立的關(guān)系，但是電堆電極的決定面積主要是依靠功率大小。而且，電解液容量的多少，主要取決于容量的大小。在對系統(tǒng)進行維護及擴容的時候，相對較為便捷；能量效率高。系統(tǒng)能量具有非常高的效率，可以實現(xiàn)深度放電，有可靠的放電性能；儲能量大。系統(tǒng)儲能量非常大，能夠在大規(guī)模的儲能電站中高效應(yīng)用，比如，太陽能或是風(fēng)能等，有長達20年的使用期限，而且成本相對較低；較高的安全性。系統(tǒng)相對來說更加可靠、安全，電池不會出現(xiàn)無緣無故的起火或是爆炸的問題。就算是正負極電解液混合產(chǎn)生的危害也比較小。而且，能夠循環(huán)利用電解液，實際在運行的過程中不會污染到環(huán)境，因為沒有產(chǎn)生有害氣體；全自動控制?？刂乒芾硐到y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動化控制，能夠自動的對釩電池輸出和儲能進行有效的管理、控制、保護以及運行。

（二）釩電池技術(shù)現(xiàn)狀

在當(dāng)前，很多國家都開展了液流電池的相關(guān)研究，并且重點都是釩液流電池，在國外，多數(shù)都開展了釩液流電池商用化的研究。美國在2015年建設(shè)了變電站儲能項目，并且形成了2MW/6MW·h的規(guī)模。在我國，關(guān)于釩液流電池的研究起步晚，然而卻獲得了顯著的成果，并且在國內(nèi)液流電池的研發(fā)也獲得了快速發(fā)展，然而因為在實際中，電極材料、電解液以及電極極板等的應(yīng)用存在著很大的制約，這就使得液流電池儲能的應(yīng)用成本顯著提高，限制了其使用的范圍。

三、儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計

釩液流電池儲能系統(tǒng)涉及新能源發(fā)電、電池堆及電解液輸送管理、電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、用電負荷或電力系統(tǒng)等多個組成部分，是電化學(xué)、化工、電氣和網(wǎng)絡(luò)信息等相互耦合的復(fù)雜動態(tài)體系，其運行特性與液流儲能電池系統(tǒng)的組合方式、容量大小以及電力變換器、用電負荷、控制方式等多種因素相關(guān)。如何在保證系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提升整個系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟性和可靠性是大規(guī)模液流電池儲能系統(tǒng)實用化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。因此，將高效電力變換技術(shù)、電池充放電控制及管理、先進傳感與通訊技術(shù)及現(xiàn)代優(yōu)化控制理論相結(jié)合，建立性能高效的釩電池儲能管理控制系統(tǒng)，對全釩液流儲能系統(tǒng)的高性能發(fā)揮及正常運行起著非常重要的作用。儲能管理控制系統(tǒng)由中心控制模塊、電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊、電解液流量及運送控制模塊、電池充放電管理模塊、系統(tǒng)安全保護監(jiān)控管理模塊等組成。

（一）管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在儲能系統(tǒng)中，把太陽能和風(fēng)能等等不同的能源，使用充電控制模塊將其輸至釩電池中，產(chǎn)生電解液的電化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)風(fēng)能太陽能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，這是首先第一步的能量轉(zhuǎn)換。然后，在電解液中儲存的化學(xué)能夠在電化學(xué)反應(yīng)的效果下，直接成為直流電能，利用逆變電源將這些交流電輸給客戶端和電網(wǎng)用戶等等，這是第二步轉(zhuǎn)換能量的過程。在這個充放電環(huán)節(jié)中，需要電解液流量、中心控制模塊、輸送控制模塊、電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊和電池充放電控制管理模塊以及安全保護監(jiān)控管理模塊之間進行有效的控制和配合完成，這樣才能夠促使不同部位能夠發(fā)揮其作用，保證高效的系統(tǒng)儲能。

（二）系統(tǒng)中心控制模塊系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)在運行中，高性能CPU的工作能夠有效地控制不同模塊產(chǎn)生的工作狀況的改變，并且能夠有效地實現(xiàn)信號的采集，監(jiān)控各個數(shù)據(jù)變量，因此是系統(tǒng)能夠進行數(shù)據(jù)控制和交換的中心。

（三）電力轉(zhuǎn)換調(diào)控模塊

風(fēng)能和太陽能的直接并網(wǎng)能夠促使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生很大的波動，為了避免波動的產(chǎn)生，不斷提高電力的穩(wěn)定性和安全性，使用多象限電流控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電力的相位控制，同時加強電壓漂移補償，保證低諧波失真，顯著提高系統(tǒng)運行的有效性。

（四）電解液流量及運送控制模塊系統(tǒng)

檢測和自動控制技術(shù)的應(yīng)用主要是利用高精密化工泵以及控制閥，實現(xiàn)有效的控制和測量，并且保證電解液輸送量的準(zhǔn)確性。在選擇電解質(zhì)溶液流量時，常常和其流速、濃度以及溫度和運行電流密度有著很大的相關(guān)性，并且大小也能夠直接影響到電池電堆的性能。按照系統(tǒng)帶來的電量情況，能夠?qū)α髁繑?shù)據(jù)和電流密度進行嚴(yán)格計算，在完成流量數(shù)據(jù)設(shè)定之后，保證穩(wěn)定的輸送量，不會造成電解液儲存量的影響。

（五）電池充放電管理控制模塊

利用高速、低功耗、多功能微控制器與電池智能充放電控制流程相結(jié)合，使電堆充放電過程性能穩(wěn)定可靠，同時，電池運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及時傳送到系統(tǒng)安全監(jiān)控模塊中去，可以實現(xiàn)電堆充放電過程實時監(jiān)控，使電堆充放電按照設(shè)定的最佳曲線進行。針對太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電的隨機性和間歇性的特點，可通過系統(tǒng)的自動控制與能量調(diào)節(jié)能力來平抑可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的擾動，維持輸出電壓的平衡與穩(wěn)定。

（六）安全保護監(jiān)控模塊系統(tǒng)

采用安全數(shù)據(jù)快速實時巡檢提醒報警控制技術(shù)，對儲能系統(tǒng)的電壓、電流、流量、容量、溫度和內(nèi)阻等電池正常運行參數(shù)進行監(jiān)測。在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，對電池的過流、過壓、短路、超溫保護、漏液、電解液液面高度等工作性能、安全性能參數(shù)進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)保存，同時，根據(jù)數(shù)據(jù)超標(biāo)情況進行提示、警告和控制。還可以實時監(jiān)測電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及各控制柜的工作狀態(tài)，防止儲能系統(tǒng)提前損壞。

四、系統(tǒng)的應(yīng)用和作用

太陽能發(fā)電站、新能源風(fēng)能以及平滑風(fēng)能等新能源的應(yīng)用，可以調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，提高了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

智能電網(wǎng)削峰填谷，保障電網(wǎng)安全對電網(wǎng)進行削峰填谷，實現(xiàn)電網(wǎng)智能化；減少調(diào)峰電廠數(shù)量，減少投資，減少環(huán)境污染等；提高供電品質(zhì)，減少電網(wǎng)線損；提升現(xiàn)有電網(wǎng)供電能力，延緩城市電網(wǎng)改造需求。

分布式能源儲能供電對分布式能源進行儲能，有效解決海洋孤島、偏遠山區(qū)、草原和沙漠地帶等環(huán)境、場地受限地區(qū)儲能供電，促進邊遠貧困地區(qū)發(fā)展。

備用電源和UPS電源充分利用低谷電或電網(wǎng)剩余電量，調(diào)節(jié)用電節(jié)奏和合理安排用電，即可節(jié)約用電，又可以滿足備用需求。

五、結(jié)束語

綜上所述，在釩電池儲能系統(tǒng)中，其控制管理系統(tǒng)應(yīng)用能夠加強儲能系統(tǒng)的放電管理，加強流量和輸送控制，并且實現(xiàn)電力變換等等，顯著提高儲能系統(tǒng)的效率，提高其能量儲存，具有很強的穩(wěn)定性，能夠保證全釩液流儲能系統(tǒng)的有效工作。

作者單位：長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基金項目：湖南省自然科學(xué)基金科教聯(lián)合項目（2018JJ5064）