李虹云1，劉理2，李云燕2

（1.湖南維邦新能源有限公司，湖南長沙410013；2.湖南大學，湖南長沙410082）

摘要：釩液流儲能電池是一種廣泛應用于風能、太陽能發電系統之中的大規模蓄電儲能設備。文章介紹了釩液流電池的工作原理，并針對其運行特性和實用化過程中的能量效率、經濟性、可靠性等關鍵問題，設計了一種儲能管理控制系統，包括中心控制模塊、電力轉換調控模塊、流量及輸送控制模塊、電池充放電管理模塊、安全保護監控模塊等，并總結了該系統的技術特點和應用前景。該系統可以實現對釩液流電池穩定、高效和安全的管理控制。

對新能源及低碳經濟的追求使得世界各國都在大力發展風能、太陽能等綠色能源，但風能、太陽能等可再生能源發電過程不穩定和不連續，導致電網的電能質量下降，造成電能浪費和設備故障。因此，在風能、太陽能輸入電網前，增加新型環保釩液流電池(VRB)儲能系統進行能量平穩轉換，就顯得極為重要。

1釩電池工作原理

釩液流儲能電池系統是一種將風能、太陽能等能源與化學能進行能量轉換和儲存的系統。儲能系統的主要單元是釩電池。與鉛酸電池、鎳鎘電池等傳統電池相比，在電池的內外部結構和工作運行模式上有其獨特性，在性能上更適用于風能、太陽能等大規模儲能電站及智能電網調峰等應用場合。它的主要組成部分為：電堆系統、電解液和電解液儲存運送體系以及能量轉換及其控制系統，如圖1所示。

電池電堆是根據所需電功率大小，由數量不一的單電池按順序排列組裝而成。正、負極電解溶液分別裝在兩個儲存桶中，分別通過化工泵驅動電解液流過電池電堆的正負極，在電池電堆內發生電化學反應，實現電能和化學能的轉換。電池電堆的輸出功率由電池電極的總面積決定；電池的容量由電解質溶液的總容量決定。

2儲能系統結構及各模塊功能

釩液流電池儲能系統涉及新能源發電、電池堆及電解液輸送管理、電力電子轉換系統、用電負荷或電力系統等多個組成部分，是電化學、化工、電氣和網絡信息等相互耦合的復雜動態體系，其運行特性與液流儲能電池系統的組合方式、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。如何在保證系統運行安全穩定的基礎上，提升整個系統的能量效率、經濟性和可靠性是大規模液流電池儲能系統實用化過程中必須解決的關鍵問題。因此，將高效電力變換技術、電池充放電控制及管理、先進傳感與通訊技術及現代優化控制理論相結合，建立性能高效的釩電池儲能管理控制系統，對全釩液流儲能系統的高性能發揮及正常運行起著非常重要的作用。

儲能管理控制系統由中心控制模塊、電力轉換調控模塊、電解液流量及運送控制模塊、電池充放電管理模塊、系統安全保護監控管理模塊等組成。

2.1管理控制系統結構

儲能系統將風能和太陽能等能源經過充電控制模塊輸入到釩電池，通過在電解液發生電化學反應，將風能太陽能轉化為化學能，完成第一步能量轉換。儲存在電解液里的化學能再通過電化學反應轉化為直流電能并通過逆變電源將交流電輸送到電網及客戶端，完成第二步的能量轉換。這個充放電過程需要中心控制模塊、電力轉換調控模塊、電解液流量及輸送控制模塊、電池充放電控制管理模塊、安全保護監控管理模塊之間對能量優化和管理控制進行有序配合，才能有效發揮儲能系統的各項性能，確保儲能系統高效率的發揮作用。控制系統結構框圖，如圖2所示。

2.2系統中心控制模塊

系統使用高性能CPU，對儲能系統正在運行的各模塊工作狀況發生變化的控制信息點的數據變量進行信號采集并進行監控，是系統進行信息數據交換和控制的中心。

2.3電力轉換調控模塊

為了避免風能、太陽能直接并網對電網的電壓及頻率造成較大波動，進一步提升電力品質和安全性，系統采用了先進的多象限電流控制技術，允許輸出電力相位控制、電壓漂移補償、低諧波失真、反應電流補償（PFC）、瞬時高負載容量，以增強系統的穩定性和可靠性。

2.4電解液流量及運送控制模塊

系統運用高性能的檢測和自動控制技術，通過高精密化工泵和控制閥等進行測量和控制，確保電解液輸送量的精確度。

電解質溶液流量選擇與溶液的濃度、流速、溫度、充放電模式、運行電流密度等因素有關，其大小對電池電堆性能產生較大影響。

根據系統所需提供的電量大小或充電時間，計算出恰當的電流密度和流量數據。將流量數據設定好后，其輸送量能夠保持相對穩定，不會受到電解液儲存量造成的壓差以及外界負荷改變等的影響。

2.5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合，使電堆充放電過程性能穩定可靠，同時，電池運行狀態數據及時傳送到系統安全監控模塊中去，可以實現電堆充放電過程實時監控，使電堆充放電按照設定的最佳曲線進行。

針對太陽能和風能等可再生能源發電的隨機性和間歇性的特點，可通過系統的自動控制與能量調節能力來平抑可再生能源發電系統的擾動，維持輸出電壓的平衡與穩定。

2.6安全保護監控模塊

系統采用安全數據快速實時巡檢提醒報警控制技術，對儲能系統的電壓、電流、流量、容量、溫度和內阻等電池正常運行參數進行監測。在系統正常工作狀態下，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、安全性能參數進行檢測，并將檢測數據保存，同時，根據數據超標情況進行提示、警告和控制。還可以實時監測電力轉換系統及各控制柜的工作狀態，防止儲能系統提前損壞。

3系統的技術特點

①輸出獨立。輸出功率和儲能容量彼此獨立，功率大小決定于電堆電極的有效面積，容量大小決定于電解液容量的多少，系統擴容和維護起來十分便利。

②可密度充電。系統可以大電流密度充電，同時，快速響應和超負荷工作能力強。

③能量效率高。系統能量效率高，放電性能穩定可靠，能深度放電。

④儲能量大。系統儲能量大，適合風能太陽能等大規模儲能電站等，系統壽命長達20a，成本低。

⑤安全性高。系統安全可靠，電池無潛在爆炸和起火危險，即使正負極電解液混合也不會產生危險。電解液可循環使用，運行過程無有害氣體產生，對環境無污染。

⑥全自動控制。系統可以進行全自動控制，可以自動運行、保護、控制和管理。

4系統的應用和作用

4.1新能源風能、太陽能發電站儲能

平滑風能、太陽能等新能源，有效調節新能源發電引起的電網電壓、頻率及相位的變化，提高了電能質量和穩定性。

4.2智能電網削峰填谷，保障電網安全

對電網進行削峰填谷，實現電網智能化；減少調峰電廠數量，減少投資，減少環境污染等；提高供電品質，減少電網線損；提升現有電網供電能力，延緩城市電網改造需求。

4.3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、草原和沙漠地帶等環境、場地受限地區儲能供電，促進邊遠貧困地區發展。

4.4備用電源和UPS電源

充分利用低谷電或電網剩余電量，調節用電節奏和合理安排用電，即可節約用電，又可以滿足備用需求。

5結語

釩電池儲能系統管理控制技術具對儲能系統進行充放電管理、流量及輸送控制、電力變換及控制以及自動檢測安全保護等功能，對提升整個儲能系統的能量效率、經濟性和可靠性起到關鍵作用，確保全釩液流儲能系統的高性能穩定發揮及正常運行。

參考文獻：

[1]張華民，趙平，周漢濤，等.釩氧化還原儲能電池[J].電源技術，2005，26（1）:23-26.

[2]劉素琴，黃可龍，劉又年，等.儲能釩液流電池研發熱點及前景[J].電池，2005，（5）.

[3]許茜，喬永蓮.釩電池電極材料和復合電極的研究進展[J].電源技術，2008，（12）