中國儲能網訊：高效儲能系統(tǒng)構建是各個國家電網高效且靈活運行的關鍵，由于目前全球現有的電網系統(tǒng)無法處理大規(guī)模間歇性能源整合，間歇性可再生能源的滲透率超過20%會極大地破壞電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電網將遭受嚴重破壞，目前的共識是大規(guī)模電能存儲系統(tǒng)可以有效緩解電網系統(tǒng)中許多固有的低效率和缺陷，并有助于提高電網可靠性，促進間歇性可再生能源的全面整合，有效管理發(fā)電[1]。用于電網儲能應用的液流電池儲能系統(tǒng)的成本效益一直都受到廣泛關注。Avista Turner EES是美國全釩液流電池實際落地項目的一個典型代表，本文將以該示范項目為案例，對液流電池的落地項目的實際運行情況進行介紹和分析。
Avista Turner EES系統(tǒng)概述
Avista Turner EES系統(tǒng)為1MW/3.2MWh的釩液流電池系統(tǒng)，位于華盛頓州普爾曼的特納變電站，用于支持華盛頓州立大學的智能校園運營，該系統(tǒng)采購于聯合能源技術公司（UET）[2]。該系統(tǒng)由兩個實際輸出0.5MW/1.6MWh的子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)又由4個電池模塊（圖2中前4個模塊）和帶有電池管理系統(tǒng)(BMS)的電源轉換系統(tǒng)（圖2中第5個獨立模塊）構成，并且每個子系統(tǒng)都獨立運作，互不干擾，并分別配備了儲存電解液的外接罐體，單系統(tǒng)額定放電功率為500kW，額定充電功率為400kW，峰值功率600kW。每個電池模塊由3個50kW的電池堆棧串聯而成，模塊中包含50個串聯的單電池。單電池對應的開路電壓極限為1.25V/單電池（0%SOC）-1.49 V/單電池（100%SOC）。根據華盛頓州立大學的數據，該VRB-EES系統(tǒng)的成本為700美元/千瓦時[3]。
Avista Turner EES系統(tǒng)技術參數[4]
對于用于Avista Turner EES系統(tǒng)的主要技術參數如下表2.1所示。對UET全系統(tǒng)，其標識功率及峰值功率分別為1MW和1.2MW，最大輸出能量為3.2MWh，系統(tǒng)效率為65-70%，設計使用壽命為20年，直流電壓范圍為465V-1000V，交流輸出范圍為4160V—34.5kV，適宜使用溫度區(qū)間為-40℃—50℃。
而對下一代用于MESA 2的EES系統(tǒng)，其主要技術參數如下表2.2所示：其交流充放電效率為70%，輸出交流電壓為12.47kV，響應時間小于100ms，占地78m2，尺寸為12.5m×6.1m×2.9m，總體積為221.125m3，重量為170000kg，體積能量密度為9.9Wh/L，體積功率密度為2.7W/L，質量能量密度為12.9Wh/kg，質量功率密度為3.5W/kg，設計使用壽命超過20年，使用溫度區(qū)間為-40℃—50℃，自放電率小于儲存能量的2%。
Avista Turner EES系統(tǒng)的放電容量及RTE
對于放電容量，在不同的放電速率下（固定600kW充電功率），放電能量隨SOC非線性變化，放電能量容量范圍在2020-3600kWh。以1000kW的功率放電所提供的能量約為額定能量3200kWh的三分之二，而以520kW的功率放電所提供的能量為額定值的94%，在400kW時放電傳遞的能量比額定能量高出4%。在PCS DC側，不包括輔助負載，液流電池ESS系統(tǒng)在520kW的放電功率下提供了全部額定能量，而在400kW的功率下提供了比額定能量高出11%的能量。
對于RTE，在實際運行中，其子系統(tǒng)1在78次完整放電后的累計能量輸出為125MWh，子系統(tǒng)2在103次完整放電后的累計能量輸出為165MWh（如圖2.3所示），兩個子系統(tǒng)在不計算輔助負載的情況下的累計RTE（充放電效率）有一定差異，分別為52%和60%，具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性（如圖2.4所示）。
圖2.5顯示了子系統(tǒng)2的累計充放電容量以及庫侖效率。庫侖效率最初接近100%，隨著時間的推移逐漸降低，最終在測試結束時達到95%，這表明系統(tǒng)中存在電解質交叉滲透。電解質交叉滲透是釩液流電池中的一個不可避免的問題，由于質子交換膜和兩側離子濃度差的存在，正負極電解液會發(fā)生一定程度上的交叉。在科研界也只能盡可能通過優(yōu)化離子交換膜的組成降低離子滲透，這使得具有良好性能的全氟磺酸質子交換膜成為高性能液流電池的剛需，極大地提高了全釩液流電池的整體成本。雖然目前也提出了一些非氟離子交換膜，但整體性能并不盡如人意，還有待進一步探索研究。在Avista Turner EES系統(tǒng)實際運行的結果上來看，其庫倫效率整體保持率較高，表明目前離子交叉對系統(tǒng)整體運行的影響較小，離子交換膜對離子交叉的控制效果較好，并且這個現象也可以通過定期維護得到進一步改善。
子系統(tǒng)2的DC-DC RTE作為SOC的函數如圖2.9所示，總體上，DC RTE曲線的彎曲段出現在低SOC部分，在高SOC區(qū)域變化較小。RTE隨SOC的降低而降低，而隨功率的降低而升高，并且在520kW時最高。例如，在SOC為90%時，520kW時的RTE為84%，而在SOC為32%時，RTE為76%。1000kW放電時，90%荷電狀態(tài)下的RTE為73%，而50%荷電狀態(tài)下的RTE為61%。
Avista Turner EES系統(tǒng)響應時間及內阻
Aviasta Turner EES系統(tǒng)的響應時間在測試周期內，響應時間范圍為3—10s。對于充電過程，隨著SOC從20%增加到60%，響應時間從4s增加到10s，并達到最大功率800kW，隨后線性下降到400kW，直至SOC達到100%。響應時間范圍在90%SOC的340kW/s至30%SOC下的315kW/s之間，在90~40%SOC范圍內最大功率約為1000kW，而在30%SOC下響應時間略有下降至950kW。
對于系統(tǒng)內阻，數據顯示隨著SOC從90%變化到40%，內阻從0.100Ω增加到0.110Ω。在30% SOC時達到0.125Ω的內阻峰值。經過標準轉換后，電阻范圍為0.05Ω到0.055Ω，這與Snohomish的MESA 2系統(tǒng)的研究結果一致。而在SOC范圍內，充電期間的內電阻略低于放電時的電阻，從20%SOC時的0.11Ω下降到100%SOC時的0.095Ω。
Avista Turner EES系統(tǒng)可用性
在測試期間，液流電池ESS的總可用性為56%?？傇囼灣掷m(xù)時間為365天，其中162天，或44%，因各種原因而損失，不同類別的損失天數分布如圖ES3所示。其中，由于與電堆相關的問題，包括電堆SOC不匹配和電堆泄漏，損失了16%的測試時間（58天）；由于與PCS相關的問題，損失了11%的測試時間（40天），包括在高SOC充電期間長期使用PCS和暴露于泄漏電解質導致的電子元件腐蝕；與PCS軟件相關的問題導致了9天的損失；泵相關問題和泵缸外殼泄漏分別造成了9天和8天的損失；熱管理失敗導致7天損失，而交流斷路器不能遠程重啟導致7天損失；人為失誤和天氣分別導致了6天和7天的損失；維護、通信故障和雜項導致11天損失。
主要運行狀態(tài)結論
通過對公開已有資料的查閱，我們發(fā)現全釩液流電池EES系統(tǒng)運行特性和性能可以滿足要求。主要運行狀態(tài)結論如下：
（1）Avista Turner 全釩液流電池ESS系統(tǒng)在不同功率水平下的能量不同，最大能量為420kW功率下的3395kWh，放電深度為81%。
（2）可用于放電的能量高度依賴于測試周期中的功率（千瓦）水平。例如，在滿額定1MW功率下的可用能量約為在50%額定功率下可釋放的能量的三分之二。
（3）響應時間取決于功率水平、模式和SOC。
（4）全釩液流電池ESS系統(tǒng)的可用性系數低于預期。
我們有理由相信，在全釩液流電池技術的不斷發(fā)展下，全釩液流電池的實用化運行是可以實現并大規(guī)模推廣的，并在可再生能源與電網的協(xié)同運行中發(fā)揮巨大作用。
參考文獻：
[1] Gür, T. M. (2018). Review of electrical energy storage technologies, materials and systems: challenges and prospects for large-scale grid storage. Energy & Environmental Science. doi:10.1039/c8ee01419a
[2] Vincent S. Office of Electricity Grid-Scale Energy Storage[EB/OL]. (2018-10-18)[2024-10-14].
[3] Chris Q. Case Study: Avista Turner Flow Battery Energy Storage System[EB/OL]. (2023-10-12)[2024-10-14].
[4] A Crawford, P Balducci, V Viswanathan et al. Avista Turner Energy Storage System: Assessment of Battery Technical Performance[EB/OL].(2019-7)[2024-10-14]
