钒电池技术在微电网储能系统中的应用

2015-09-22张闻一王松楠张师张会强

电气开关 2015年1期

张闻一，王松楠，张师，张会强

(1.东北电力大学，吉林吉林 132012;2.珠海供电公司，广东珠海 519003)

1 引言

全球范围的能源与环境问题使利用清洁能源、经济高效、多样化的分布式发电技术受到广泛重视。微电网的概念的提出使得分布式发电的优势被充分利用，抑制了分布式发电对电网的不利影响，弱化了传统电力系统与分布式发电间的矛盾。典型的微电网是一组多种分布式发电单元、储能系统和负荷的集合，由中央能量管理单元负责微电网内的发电调度。微电网正常情况下运行在联网模式，必要时能够与大电网断开独立运行[1]。在这两种模式下，高性能储能系统作为微电网系统一个重要单元，具有动态吸收能量并适时释放的特点，它可以保证微电网安全稳定运行，改善电能质量，优化系统配置。此外，储能系统还有助于微电网实现用户的个性化要求，提高供电可靠性，降低馈电损耗，或作为不间断供电源[2]。基于钒电池的微电网储能系统可以显著提高微电网的整体性能及风能、光伏等能源利用率[3]。

2 储能系统的必要性

储能系统作为一种特殊的微电源由储能单元和双向变流器构成，在并网运行时，储能系统进行储能;在孤岛运行时，储能系统可以加快切换时间，平衡多种电源间响应时间不一致的弊端，改善电能质量[4]。储能系统对于实现微电网的基本功能起着至关重要的作用。将储能技术应用于微电网中从而提高各种新能源的并网性能及电能的综合利用效率、保障供电系统的可靠性、提高电能质量。所以，充分发挥微电网自身功能离不开高性能的储能系统。

2.1 储能系统的种类

储能技术发展迅速，形式也多种多样，物理、化学和电磁储能为当前主要的3类储能按技术。物理储能方式主要有飞轮储能、抽水储能、压缩空气储能。主要的化学储能方式有，铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、钒电池等。电磁储能方式包括超级电容储能、超导储能[5]。抽水储能一般适用于100MW以上的电力系统，而在总容量通常为数MW级的微电网中抽水储能前景黯淡。类似抽水储能，压缩空气储能同样只适用于大功率调节，难以适应微电网的需求。飞轮储能适合短时储能释放，主要用来平抑波动，但目前飞轮储能成熟产品较少、超级电容储能功率密度高，循环寿命长，用以提供瞬时大功率供电，但使用成本高，不宜作为主要储能元件、超导储能还处于研究阶段，而没有大规模应用。铅酸蓄电池对环境温度要求苛刻，也就是提高了其使用场合的环境要求，且铅酸蓄使用寿命较短，且存在废弃电池的处理回收问题。若其生产及废品处理不当，会造成严重的环境污染。

3 钒电池的特性及工作原理

3.1 钒电池的特性

钒电池的全称是全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，缩写为VRB)，VRB具有特殊的电池结构，其特点有[6]:功率大，通过增加单个电池的数量和电极面积可增加钒电池的功率;容量大，容量可通过增加电解液的容积任意调整;效率高，钒电池的电极催化活性高，且在正、负极电解槽中分别存储正、负极活性物质;效应速度快，充、放电切换在运行过程中只需要0.02s，响应速度低于1ms;寿命长，钒电池的正、负极活性物质存在于正、负极电解液中，只发生液相反应，不存在复杂的固相反应，因此电池寿命长，可承受大电流放电;安全性高，VRB发生爆炸或着火的可能性极低，即使发生正、负极电解液混合也只会使电解液温度小幅提高，不存在危险;运行维护成本低，电池结构简单，不需要贵金属做电极催化剂，除离子膜外VRB主要部件工艺简单，原料价格低廉;清洁环保，VRB制造、使用及废弃过程均不产生有害物质，对周边环境影响小，是目前发展势头强劲的优秀绿色环保储能技术之一。

钒电池在大规模储能领域具有锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池无法企及的性价比优势。钒电池不仅被广泛应用于光伏、风力发电的配套储能设备，还可服务于电网调峰，提高电网稳定性，保障电网安全等，是未来电池发展的重要方向。

3.2 钒电池的工作原理

钒电池工作原理如图1所示[7]。VRB电池正负极之间用离子膜分开，由电极活性物质和集流板构成电极，正负极电解液分别存储在两个储罐中，工作时用外接泵将电解液注入电池堆以完成电化学反应，之后电解液回到储罐中，使储罐内活性物质不断循环流动[8]。在充放电过程中，电池中的反应可以表示为:

图1 钒电池的工作原理

4 钒电池等效电路模型

钒电池的等效电路如图2所示。其中:VRB中的活性化学物质含量通过等效动态变量SOC(充电状态)体现;电池堆的电势等效成受控电压源，主要受SOC变化影响;泵升损耗被等效成受控电流源，受泵损电流控制，由SOC和电流共同决定。钒电池功率损耗主要由等效内阻损耗和外部寄生电阻损耗构成。其中等效内阻损耗分为反应动力学的电阻()损耗和溶液、膜、双极板、电极引起的电阻()损耗。外部寄生电阻损耗分为固定电阻损耗和泵损[9]。

图2 钒电池等效电路模型

当VRB放电至20%SOC，估计损耗为21%，其中内阻损耗为15%，为6%时，可以计算出VRB等效电路参数值。当其电池堆的输出功率为:

可由能斯特方程可得到和SOC的关系如下:

其中，表示单体电池电压，k=(RT/F)ln10=0.059，R=8.314J/K·mol;T=298K;F=96500C/mol;=1.25V(单体VRB电势差)。

寄生损耗可以表示为:

其中，k'=708.5，是一个与有关的常数;Vb表示VRB端电压。

单体VRB电容为6F，由于单体VRB电压较低，所以假设由n个单体VRB串联在一起，电池堆电势和等效电容分别为:

钒电池的荷电状态SOC定义为如下所示:

其中，SOCt、SOCt－1分别代表时间为 t、t－1 时的充电状态;ΔSOC代表单位时间步长的SOC变化量。

5 VRB SOC仿真分析

本文对VRB建模并进行仿真[10]，VRB仿真参数如表1所示。

表1 钒电池仿真参数

图3为在额定输出功率5kW时充电电池VRB(SOC=80%)的放电过程如。根据输出电压设置直流电源的输出电流从而使其功率保持在5kW。

图3 VRB SOC

图4为通过MATLAB/Simulink对VRB采用100的步长仿真3h的结果。理论上钒电池的端电压在充放电过程中80% ～100%SOC和0～20%SOC区间内变化时呈非线性变化而在20%～80%SOC之间呈线性变化，故由图4可知，电池的模型符合放电电压和SOC的配置要求。

6 应用前景

VRB容量大，功率高可用于微电网调峰;同时，利用充放电速度快、响应迅速的优点可以起提高电能质量的作用;此外，其容量大、响应迅速的优点还可以保证微电网中间歇式能源发电输出稳定。

图4 VRB端电压和电流

自1984年澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)发明钒电池至今，VRB已经在美国、加拿大、欧洲、日本、澳大利亚有数套系统实现商业化，我国在民用钒电池自助化的技术上也获得了相当重要的突破，目前已经在其中的多项关键核心技术上拥有了完全的自主知识产权，这为钒电池商业化推广提供了重要的技术支持，如大连化学物理研究所研发的能量效率为81%的10kW电池模块和能量效率为75%的100kW级钒电池储能系统;山东东岳集团国产化的全氟离子膜研制成功，打破了美国、日本长期对该项钒电池核心技术的垄断。

我国钒资源丰富，是世界三大产钒国之一，为大规模应用VRB储能系统提供了有力保障，但要实现大规模工业化应用VRB，还有许多关键问题需要解决，如自主开发高性能离子交换膜以降低陈本，电机性能优化和电解液的配方。随着我国可再生能源法的正式实施以及国家对太阳能、风能等可再生能源的大力支持，大规模储能系统将具有更好的发展前景。