（1.上海前威新能源發(fā)展有限公司,上海 202177;2.上海林洋儲(chǔ)能科技有限公司,上海 201201）
摘要：本文以流體釩電池為核心，探討了流體釩電池關(guān)鍵材料、電堆及系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化要求，分析電池管理系統(tǒng)和雙向逆變器應(yīng)具備的監(jiān)控功能，提出電網(wǎng)接入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，籍此介紹了上海前威新能源發(fā)展有限公司、上海林洋儲(chǔ)能科技有限公司在流體釩電池系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面充分合作所作的細(xì)致工作。
關(guān)鍵詞：流體釩電池；關(guān)鍵材料；電池管理；雙向逆變器；接入標(biāo)準(zhǔn)
作者簡(jiǎn)介：戴成鴻（1955-），男，工程師，從事太陽能、風(fēng)能儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)管理工作
Study on the Application of Vanadium Flow Battery Energy Storage System
DAI Cheng-hong1, ZHOU han-tao2
(1. Shanghai Qianwei New Energy Development Co., Ltd., Shanghai 202177, China
2. Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 201201, China)
Abstract: Based on careful and thorough cooperation works of battery management system, power conditioning system as well as system standard for interconnecting distributed resources with electric power systems by Shanghai Qianwei New Energy Development Co., Ltd. and Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., this article discuss the technology requirements on the its key materials, stack and system of vanadium flow battery from application point of view.
Key words: vanadium Flow Battery；key materials；battery management；power conditioning system；connection standard
引言
眾所周知，發(fā)電必須與用電時(shí)時(shí)匹配。發(fā)電場(chǎng)裝機(jī)容量通常是固定不變的，但是每天用電高峰一般在白天至傍晚，后半夜則是低谷，而每年的用電高峰時(shí)期在夏季伏天，時(shí)間很短，因此發(fā)電公司為解決峰值用電問題，裝機(jī)容量遠(yuǎn)高于平均用電量，一次性投入大資產(chǎn)利用率低，即便如此在緊張時(shí)期還需要大范圍拉閘限電保證民用，給工業(yè)生產(chǎn)造成很大影響。另外太陽能發(fā)電輸出不穩(wěn)定，風(fēng)力發(fā)電與用電需求時(shí)差矛盾突出，影響并網(wǎng)推廣?；诹黧w釩電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有儲(chǔ)能功率大、功率與容量獨(dú)立設(shè)計(jì)、充放電響應(yīng)時(shí)間短、儲(chǔ)能效率高、使用壽命長(zhǎng)、充放電性能穩(wěn)定、易于監(jiān)控、工作條件溫和、無起火爆炸危險(xiǎn)、環(huán)境友好、回收再利用方便等優(yōu)點(diǎn)，能有效配合電網(wǎng)削峰填谷降低發(fā)電機(jī)組損耗，達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)、提高電網(wǎng)效率的目的，加快風(fēng)力、太陽能等間歇式新能源發(fā)電的并網(wǎng)推廣，促進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，解決海島、基站、哨所等離網(wǎng)場(chǎng)合的電力供應(yīng)等等。
本文從應(yīng)用角度針對(duì)流體釩電池的關(guān)鍵材料、電堆及系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、雙向逆變系統(tǒng)展開論述。
一、流體釩電池關(guān)鍵材料
對(duì)于所有利用標(biāo)準(zhǔn)模塊串并組合成儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)，關(guān)鍵材料性能一致性是非常關(guān)鍵的也是最根本的。目前鈉硫電池、鋰電池、流體釩電池被認(rèn)為是能構(gòu)建規(guī)?；瘍?chǔ)能系統(tǒng)的主要電池技術(shù)。從目前情況來看，這些技術(shù)首先要解決關(guān)鍵材料的一致性問題，如果沒有從材料這一基礎(chǔ)上解決，僅從后續(xù)的管理系統(tǒng)上著手是達(dá)不到大系統(tǒng)高效、安全、長(zhǎng)壽命需求的，這已是全球儲(chǔ)能行業(yè)眾多商家在深入發(fā)展各自的儲(chǔ)能技術(shù)特別是規(guī)模化應(yīng)用之后所達(dá)成的共識(shí)。我們?cè)陉P(guān)鍵材料上制定了嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建要求。流體釩電池的關(guān)鍵材料主要有四種：電解液、電極、雙極板、隔膜。
1．電解液
電解液是流體釩電池的儲(chǔ)能介質(zhì)，對(duì)原材料質(zhì)量控制、制備工藝控制、濃度選擇及后處理都有嚴(yán)格要求。其原材料有五氧化二釩、硫酸、二氧化硫，五氧化二釩純度需控制在99.8%以上，硫酸用分析純。電解液的生產(chǎn)工藝是先將五氧化二釩同硫酸、二氧化硫反應(yīng)生成四價(jià)釩，然后進(jìn)入下一步工序電解成三價(jià)釩。電解液生產(chǎn)必須考慮二氧化硫氣體的回收及五氧化二釩、硫酸等原材料的采購、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用等問題，涉及相關(guān)的環(huán)評(píng)、安評(píng)。我們建立了原材料采購標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，搭建了2噸/批電解液中試生產(chǎn)成套設(shè)備，并制定相關(guān)工藝流程及操作細(xì)則，將二氧化硫回收轉(zhuǎn)為其它化工產(chǎn)品生產(chǎn)原料，通過了電解液生產(chǎn)的環(huán)評(píng)、安評(píng)審批，既保證了電解液質(zhì)量，也杜絕了整個(gè)工藝流程任何廢棄物排放。另外電解液的濃度選擇（釩濃度，硫酸濃度，關(guān)鍵雜質(zhì)離子控制）對(duì)電池系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要在電解液失衡、溫度穩(wěn)定性、電性能三個(gè)方面平衡。
2．電極
作者認(rèn)為，目前流體釩電池一致性最大的瓶頸在于如何保證電極材料的物理結(jié)構(gòu)一致性。電極物理特性特別是不同區(qū)域的孔隙率、平面厚度保持一致性非常重要。其原因是電解液流過電極不同區(qū)域時(shí)的阻力不一致，因此流量不一致，導(dǎo)致傳質(zhì)極化不一樣，甚至有可能形成死區(qū)，對(duì)電池的壽命損害極大。另外電極和雙極板材料匹配時(shí)，厚度的差異過大會(huì)導(dǎo)致雙極板在裝配或使用過程破損，造成電堆內(nèi)漏，電堆失效。針對(duì)這些問題，我們與電極生產(chǎn)廠家制定了嚴(yán)格的原材料生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)，特別涉及保證孔隙率一致性以及平整性。初級(jí)原料還需要進(jìn)一步精加工，控制厚度均勻性，為此我們專門設(shè)計(jì)了厚度處理機(jī)械設(shè)備，保證電極厚度控制在±10絲以內(nèi)，然后再需要經(jīng)過嚴(yán)格的程序清除殘留在電極中的碎纖維。
3．雙極板
雙極板是分隔兩個(gè)單電池的關(guān)鍵部件，需要在機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、導(dǎo)電性、與電極框材料的兼容性四個(gè)方面平衡，主要分為三種：硬質(zhì)石墨板、柔性石墨板、塑性導(dǎo)電板。硬質(zhì)石墨板成本太高質(zhì)地太脆，與電極框材料沒有兼容性，密封問題突出，影響后續(xù)的裝配、運(yùn)輸，完全不能適應(yīng)流體釩電池產(chǎn)業(yè)化要求，特別是單節(jié)面積很大的流體釩電池，目前還有沒廠家能夠提供相對(duì)應(yīng)的板材。柔性石墨板采用天然石墨層壓制造，其最大的問題在于長(zhǎng)期置于電解液中容易溶脹，邊角易破損，機(jī)械強(qiáng)度不夠，與電極框材料完全不兼容，密封困難。所以我們采用塑性導(dǎo)電板方案，它的優(yōu)點(diǎn)能很好地平衡機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、導(dǎo)電性以及與電極框材料的兼容性，涉及配方、厚度的選擇，為保證板材的一致性，需要仔細(xì)選擇連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備混煉造粒機(jī)及連續(xù)成型機(jī)。
4．隔膜
目前，隔膜是流體釩電池成本結(jié)構(gòu)中最大的一塊，分為陽離子膜和陰離子膜兩種。美國杜邦生產(chǎn)的Nafion陽離子膜物理和化學(xué)一致性都非常好，但Nafion膜也有其缺點(diǎn)，如對(duì)水非常敏感，尺寸變化較大，給電堆裝配造成很大影響，甚至影響電堆中單電池的流體分配均勻性，另外Nafion膜的電流效率在97%左右，對(duì)電解液失衡及容量衰減的影響較大。目前陽離子膜還需要大幅降低價(jià)格，解決溶脹性問題，提高電流效率。陰離子交換膜正好彌補(bǔ)陽離子膜性能上的缺陷，成本及價(jià)格也要低。德國FuMA公司生產(chǎn)的陰離子膜的采用連續(xù)成型工藝，電流效率在99.5%以上，對(duì)水不敏感，有非常好的市場(chǎng)潛力，目前唯一需要確認(rèn)的是其連續(xù)使用壽命，正在測(cè)試之中。中科院大連化學(xué)物理研究所已經(jīng)研究出實(shí)驗(yàn)室級(jí)別高性能陰離子交換膜，假以時(shí)日在批量連續(xù)成型工藝上再取得突破，對(duì)流體釩電池的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)幫助極大。作者認(rèn)為，隔膜的樹脂技術(shù)已經(jīng)不是問題，成本也不是問題，關(guān)鍵是國產(chǎn)膜必須在連續(xù)成型工藝上取得突破，能生產(chǎn)出性能一致的工業(yè)化膜產(chǎn)品，才能打破國外產(chǎn)品的銷售價(jià)格堅(jiān)冰，將流體釩電池系統(tǒng)成本控制在每千瓦時(shí)五千以內(nèi)。
二、流體釩電池電堆及系統(tǒng)
1．電堆設(shè)計(jì)
流體釩電池電堆需要解決以下幾個(gè)問題：電堆外形；組裝結(jié)構(gòu)；電極框結(jié)構(gòu)。
電堆外形首先要考慮其視覺效果，這是所有工業(yè)化產(chǎn)品都非常注重的，尤其是發(fā)達(dá)國家對(duì)商品的美學(xué)考慮十分到位，也是國內(nèi)比較欠缺的。另外電堆的外形還要考慮方便運(yùn)輸、安裝、維修，在電堆外形成型時(shí)，其運(yùn)輸、安裝、維修的方案也應(yīng)該同時(shí)完成。
電堆的組裝結(jié)構(gòu)第一關(guān)系到組裝是否順暢，如果組裝結(jié)構(gòu)不合理，會(huì)極大影響裝堆的質(zhì)量及時(shí)間，組裝過程越簡(jiǎn)單越可行越可靠，為此要需要制定專門的組裝工藝流程。第二，電堆運(yùn)行過程由于溫度波動(dòng)熱脹冷縮，內(nèi)部受力和部件尺寸會(huì)有相應(yīng)變化，電堆的力學(xué)設(shè)計(jì)就顯得非常重要，首先需要測(cè)試組裝的力有多大，其次組裝螺桿的數(shù)量、粗細(xì)、位置都要精確計(jì)算，再次，螺桿的壓力彈簧墊是維持電堆運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵元件之一，壓力彈簧墊的正常工作區(qū)間需要與電堆的力學(xué)變化區(qū)間相匹配，最后，電堆端板的材質(zhì)、厚度、強(qiáng)度、重量需要仔細(xì)衡量。第三，維修拆堆是否方便，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，電堆拆卸后很多并沒有損壞的元器件都需要更換，會(huì)造成非常高的更換成本，實(shí)用性差。
電極框結(jié)構(gòu)涉及效率結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、注塑結(jié)構(gòu)以及注塑材料。電極框結(jié)構(gòu)首先考慮電堆性能需要，解決傳質(zhì)和漏電電流之間的矛盾，選取合適和流道尺寸，其次是密封結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)、外密封結(jié)構(gòu)，軟密封與硬密封的結(jié)合，密封防線的多重設(shè)置。設(shè)計(jì)工作的第一步是采用機(jī)械加工的方式制造電極框，通過裝堆、測(cè)試運(yùn)行證明是可行的，第二步增加合理的注塑成型結(jié)構(gòu)，方可開模注塑，從設(shè)計(jì)到完成整個(gè)過程至少需要六個(gè)月的時(shí)間。流體釩電池電堆是由幾十片電極框組成，對(duì)其精度要求很高，而電極框是塑料的，精度控制很難，大批量生產(chǎn)必須采用注塑的工藝。電極框的注塑材料需要與雙極板的塑性材料匹配，在組裝電堆之前雙極板與電極框已經(jīng)焊接，因此單片電池之間不需要其它的密封方式。
2．電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及泵、管路、儲(chǔ)罐以及冷卻系統(tǒng)。
泵選型與電極框的流道設(shè)計(jì)有很大相關(guān)性，其流量應(yīng)該能滿足電堆工作需要，太低了電池性能差，電解液利用率低；流量太高電堆內(nèi)部壓力太大，對(duì)電池的密封、外部管路的密封和雙極板的機(jī)械性能要求越高。因此泵的選型也是需要平衡的，需要考慮電池效率、密封、穩(wěn)定性等等多重因素。
管路主要涉及尺寸、密封方式、傳感器位置及連接等等。儲(chǔ)罐主要涉及尺寸、密封性、正負(fù)互通、排液、進(jìn)液方式、冷卻系統(tǒng)等等。由于流體釩電池電解液對(duì)高溫敏感，因此需要溫控系統(tǒng)控制電解液溫度在合適的范圍內(nèi)。電解液溫度采取儲(chǔ)罐內(nèi)控制，而不是在管路中控制（散熱面積小，流體阻力大，損耗較大）。儲(chǔ)罐進(jìn)液方式采用偏離中心的低處水平進(jìn)液，讓電解液在儲(chǔ)罐內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，既可以保證冷卻器的冷卻效果，又不形成死角。
如下為10kW電堆測(cè)試性能表以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的框架圖，在10kW額定功率下工作時(shí)，能量效率在80%以上。
表1 10kW電堆測(cè)試性能
|
電流 |
150A |
175A |
||||||
|
循環(huán) |
輸出功率 /kW |
電壓效率 /% |
電流效率 /% |
能量效率 /% |
輸出功率 /kW |
電壓效率 /% |
電流效率 /% |
能量效率 /% |
|
1 |
9.46 |
86.8 |
95.2 |
82.7 |
11.02 |
85.1 |
95.7 |
81.4 |
|
2 |
9.48 |
86.9 |
95.5 |
83.0 |
11.03 |
84.8 |
95.8 |
81.2 |
|
3 |
9.39 |
87.1 |
94.6 |
82.5 |
11.04 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
4 |
9.48 |
86.9 |
95.5 |
82.9 |
11.02 |
84.9 |
95.7 |
81.2 |
|
5 |
9.49 |
86.9 |
95.6 |
83.1 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
6 |
9.47 |
87.1 |
95.3 |
83.0 |
11.01 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
7 |
9.48 |
86.9 |
95.4 |
82.9 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
8 |
9.49 |
86.9 |
95.5 |
83.0 |
11.01 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
9 |
9.47 |
87.1 |
95.4 |
83.0 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
10 |
9.48 |
86.8 |
95.4 |
82.9 |
11.00 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
平均值 |
9.47 |
86.9 |
95.4 |
82.9 |
11.02 |
84.9 |
95.8 |
81.3 |
三、電池管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
流體釩電池要具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，其本身必須有一套電池管理系統(tǒng)（BMS），用以實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行監(jiān)控。我們的管理系統(tǒng)包括傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換、控制器、執(zhí)行單元和人機(jī)界面，通過其實(shí)現(xiàn)：對(duì)電池的啟動(dòng)、停止和保護(hù)；控制電池的運(yùn)行邏輯；監(jiān)測(cè)和控制電池運(yùn)行參數(shù)；充當(dāng)中間站，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)部分的連接。BMS主控制器為可編程邏輯控制器（PLC），所有過程控制和保護(hù)系統(tǒng)都由PLC提供，有本地硬盤數(shù)據(jù)記錄，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。
1． BMS功能設(shè)計(jì)
BMS通過設(shè)定，提供所有的過程控制需求，包括電解液供應(yīng)系統(tǒng)、電堆的控制。細(xì)分如下：操作方式選擇；設(shè)備的開啟和關(guān)閉；安全報(bào)警和跳閘；流入電堆的電解液溫度和流量控制；開/關(guān)所有電動(dòng)閥門；充放電狀態(tài)的確定；和雙向逆變器（PCS）的通信；與后臺(tái)的通訊，向遠(yuǎn)程終端提供數(shù)據(jù)及報(bào)警信息。
2． 設(shè)計(jì)指標(biāo)
BMS系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器，關(guān)聯(lián)相關(guān)輸入?yún)?shù)，判斷電池的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)超出正常值和關(guān)聯(lián)關(guān)系異常的參數(shù)啟動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行單元（高低電平的硬接點(diǎn)輸出及接觸器控制），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟停和保護(hù)。BMS采用閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池各個(gè)參數(shù)，通過繼電器、接觸器、冷水機(jī)、變頻器、泵，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電池參數(shù)控制在最佳狀態(tài)。BMS與PCS連接的通訊接口為RS485，使用MODBUS規(guī)約，BMS與PCS為高低電平的硬接點(diǎn)控制，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供定制的報(bào)告和報(bào)警功能。
如下表所示為流體釩電池BMS待測(cè)量及性能指標(biāo)：
待測(cè)量名稱
待測(cè)量被測(cè)點(diǎn)
測(cè)量范圍
采集分辨率
精度等級(jí)
電解液溫度
管路2處罐內(nèi)2處
0～100 ℃
0.03 ℃
1%
壓力
管路2處
0～300 kPa
0.09 kPa
1%
流量
管路2處
0～25 m3/h
0.006 m3/h
1%
液位
罐頂2處
0～2 m
0.0005m
1%
電流
動(dòng)力線正極接線端1處
-300～+300A
0.3A
1%
電壓
單電堆電壓
0～80V
0.03V
0.5%
3． 操作方式
BMS 管理系統(tǒng)采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，電池調(diào)試、檢修時(shí)用手動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，電池運(yùn)行正常，采用自動(dòng)控制，無需人工干預(yù)。管理系統(tǒng)支持就地和遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制通過將數(shù)據(jù)傳給后臺(tái)，再由后臺(tái)為客戶或現(xiàn)有的控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交換信息。遠(yuǎn)程模式下，命令和設(shè)置點(diǎn)會(huì)被下載到PLC上，PLC再向客戶提供運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括所有過程參數(shù)值、狀態(tài)信息、報(bào)警信息。
4． 緊急停機(jī)開關(guān)
系統(tǒng)提供緊急停機(jī)開關(guān)，不管BMS處于何種狀態(tài)，啟動(dòng)急停開關(guān)后，BMS將導(dǎo)致下列動(dòng)作發(fā)生：雙向逆變器（PCS）快速關(guān)閉；所有泵迅速減速；所有電動(dòng)閥門隨后關(guān)閉。一旦啟動(dòng)緊急停止開關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)只有在錯(cuò)誤清除后才能夠重啟。重啟需要手動(dòng)操作。
5． 抗干擾措施
由于BMS屬于弱電范疇，容易受到PCS的強(qiáng)電干擾，若控制信號(hào)失真，勢(shì)必影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至系統(tǒng)崩潰。因此我們?cè)谌缦聨讉€(gè)方面保護(hù)BMS的正常運(yùn)行：并聯(lián)單點(diǎn)接地；屏蔽信號(hào)線；通信采用屏蔽雙絞線；傳感器，信號(hào)轉(zhuǎn)換，執(zhí)行單元EMC均遵照國標(biāo)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
圖一張：BMS控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)
四、電網(wǎng)接入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)
1.流體釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS設(shè)計(jì)
PCS用于儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)系統(tǒng)之間的雙向能量傳輸，充電時(shí)PCS將系統(tǒng)交流整流為直流給電池充電，放電時(shí)PCS將電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟娚纤碗娋W(wǎng)。根據(jù)流體釩電池充放電特性和并網(wǎng)要求，以往單向PWM整流器和單向PWM逆變器將不再適用。而傳統(tǒng)的DC/AC也影響輸出的電壓等級(jí)，加大控制難度，造成更大的功耗。雙向DC/DC是大多數(shù)二次能源發(fā)電時(shí)需要添加的模塊，以解決其特性較軟的特點(diǎn)。我們的PCS采用雙向DC/AC逆變器，在雙向DC/AC與釩電池系統(tǒng)中間添加一級(jí)雙向DC/DC電路。
1.1雙向DC/DC電路設(shè)計(jì)
雙向DC/DC電路的拓?fù)錇殡p向Buck-Boost電路，如圖2所示，兩個(gè)IGBT為互補(bǔ)PWM工作。調(diào)整PWM占空比大小，控制能量在直流總線和電池之間流動(dòng)。
圖2雙向DC/DC電路部分原理圖
如圖2所示，當(dāng)處于電池放電狀態(tài)時(shí)，上橋臂二極管有電流通過，開關(guān)管關(guān)斷，下橋臂開關(guān)管工作于PWM模式，二極管關(guān)斷，即DC/DC工作于Boost狀態(tài)；當(dāng)電池充電時(shí)，上橋臂開關(guān)管工作于PWM模式，二極管關(guān)斷，下橋臂二極管有電流通過，開關(guān)管關(guān)斷，即DC/DC工作于Buck狀態(tài)。電池側(cè)的電抗起平滑波形作用。
1.2雙向DC/AC電路設(shè)計(jì)
圖3 雙向DC/AC電路以及與電網(wǎng)的連接部分原理圖
雙向DC/AC整流/逆變電路與電網(wǎng)之間的連接如圖3所示，電路主要為三相PWM整流器結(jié)構(gòu)。圖3中所示隔離變壓器T主要起匹配電壓和隔離作用，同時(shí)也充當(dāng)交流濾波器。設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，添加漏感Ld的設(shè)計(jì)，Ld和電容C1,C2,C3構(gòu)成交流濾波單元。當(dāng)PCS以孤島方式工作時(shí)，孤島QF把孤島負(fù)載和電網(wǎng)隔開，以防電網(wǎng)突然恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)有沖擊。
1.3控制策略
采用直流電壓（或電流）外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)的控制方法，以滿足電池充電的要求。外環(huán)采用PID線性控制器，目的是使直流電壓穩(wěn)定于參考值。內(nèi)環(huán)的作用是依照外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。孤島運(yùn)行時(shí)也采用雙環(huán)控制方法，外環(huán)為輸出的交流電壓有效值，內(nèi)環(huán)為輸出交流電壓瞬時(shí)值。
2.系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告
以崇明前衛(wèi)村50kW柔性儲(chǔ)能輸電系統(tǒng)為例，其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定工作電壓380V，額定容量50kW，直流側(cè)電壓35V-400V，直流側(cè)電流10A-100A。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5、6所示。
圖4 恒流60A充電波形
圖5 孤島運(yùn)行輸出功率12kW電壓及電流波形
圖6 并網(wǎng)恒流放電電流THD曲線
試驗(yàn)結(jié)論：由圖4可見PCS輸出紋波系數(shù)?。粓D5為孤島運(yùn)行輸出功率12kW電壓及電流波形，負(fù)載端采用三相較均衡的電阻負(fù)載，輸出電壓無超調(diào)，波形平滑，完全能滿足孤島運(yùn)行的要求；由圖6可見并網(wǎng)恒流放電電流總諧波畸變率THD滿足國際上對(duì)并網(wǎng)逆變器饋入電網(wǎng)的電流規(guī)定。實(shí)驗(yàn)表明，該柔性儲(chǔ)能輸電系統(tǒng)運(yùn)行靈活，可以實(shí)現(xiàn)將多余電力儲(chǔ)存，在用電高峰時(shí)放出的目的，節(jié)約能源。
五、小結(jié)
本文涉及的流體釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，以實(shí)用性為目標(biāo)，前期進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)、模擬計(jì)算、分析，結(jié)合先進(jìn)的規(guī)?；庸ぶ圃煸O(shè)備及技術(shù)，以及詳實(shí)有效的驗(yàn)證手段來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，對(duì)相關(guān)PCS廠家提出與流體釩電池系統(tǒng)配套的電網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)要求，通過示范應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的應(yīng)用性能測(cè)試和系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化推廣的價(jià)值，也希望本文對(duì)從事流體釩電池儲(chǔ)能事業(yè)的同仁有所幫助。
感謝上海市經(jīng)信委對(duì)上海崇明前衛(wèi)村兆瓦級(jí)太陽能光伏電站釩液流儲(chǔ)能試驗(yàn)基地項(xiàng)目的大力支持，感謝上海綠能環(huán)保能源科技有限公司在儲(chǔ)能應(yīng)用項(xiàng)目上的全力支持。
