基于钒电池储能系统用控制管理系统的模块化开发探索与研究

黄婕

在当前，钒液流储能电池得到了广泛的应用，在太阳能发电和风能发电系统中，能够保障规模化的蓄电储能功能。本文分析了钒电池工作原理和特点、其运行中的一些问题、模块化开发状况以及应用前景。本研究旨在不断提高钒液流电池的稳定性，保证其高效的控制。

一、钒电池工作原理

钒液流储能电池系统主要是把太阳能和风能以及化学能等等储存起来，并且实现能量的转换。在其储能系统中，钒电池是基本的工作单元。在铅酸电池以及镍镉电池在工作模式和内部构造中存在着很大的不同，在使用的性能上，更加适合应用在一些太阳能和风能等等大规模储能电站中。其组成包含了电解液、电堆系统以及电解液储存运送体系，同时还包含能量转换和控制系统，参考图1。电池电堆主要是按照需要的电功率，采用不同数量的电池根据一定的序列安装形成。在两个储存桶内，分别装着正、负极的电解溶液，利用化工泵对电解液流过电池电堆的正负极进行驱动，并且在电池电堆中产生电化学反应，从而将电能和化学能进行有效的转换。在电池电堆工作中，电池电极总面积决定了其输出功率，并且电解质溶液的总容量决定了电池容量。

二、钒电池技术系统特点及现状

（一）钒电池技术系统特点

输出独立。储能容量与输出功率之间属于独立的关系，但是电堆电极的决定面积主要是依靠功率大小。而且，电解液容量的多少，主要取决于容量的大小。在对系统进行维护及扩容的时候，相对较为便捷；能量效率高。系统能量具有非常高的效率，可以实现深度放电，有可靠的放电性能；储能量大。系统储能量非常大，能够在大规模的储能电站中高效应用，比如，太阳能或是风能等，有长达20年的使用期限，而且成本相对较低；较高的安全性。系统相对来说更加可靠、安全，电池不会出现无缘无故的起火或是爆炸的问题。就算是正负极电解液混合产生的危害也比较小。而且，能够循环利用电解液，实际在运行的过程中不会污染到环境，因为没有产生有害气体；全自动控制。控制管理系统能够实现全自动化控制，能够自动的对钒电池输出和储能进行有效的管理、控制、保护以及运行。

（二）钒电池技术现状

在当前，很多国家都开展了液流电池的相关研究，并且重点都是钒液流电池，在国外，多数都开展了钒液流电池商用化的研究。美国在2015年建设了变电站储能项目，并且形成了2MW/6MW·h的规模。在我国，关于钒液流电池的研究起步晚，然而却获得了显著的成果，并且在国内液流电池的研发也获得了快速发展，然而因为在实际中，电极材料、电解液以及电极极板等的应用存在着很大的制约，这就使得液流电池储能的应用成本显著提高，限制了其使用的范围。

三、储能系统结构和模块化设计

钒液流电池储能系统涉及新能源发电、电池堆及电解液输送管理、电力电子转换系统、用电负荷或电力系统等多个组成部分，是电化学、化工、电气和网络信息等相互耦合的复杂动态体系，其运行特性与液流储能电池系统的组合方式、容量大小以及电力变换器、用电负荷、控制方式等多种因素相关。如何在保证系统运行安全稳定的基础上，提升整个系统的能量效率、经济性和可靠性是大规模液流电池储能系统实用化过程中必须解决的关键问题。因此，将高效电力变换技术、电池充放电控制及管理、先进传感与通讯技术及现代优化控制理论相结合，建立性能高效的钒电池储能管理控制系统，对全钒液流储能系统的高性能发挥及正常运行起着非常重要的作用。储能管理控制系统由中心控制模块、电力转换调控模块、电解液流量及运送控制模块、电池充放电管理模块、系统安全保护监控管理模块等组成。

（一）管理控制系统结构

在储能系统中，把太阳能和风能等等不同的能源，使用充电控制模块将其输至钒电池中，产生电解液的电化学反应，从而实现风能太阳能向化学能的转换，这是首先第一步的能量转换。然后，在电解液中储存的化学能够在电化学反应的效果下，直接成为直流电能，利用逆变电源将这些交流电输给客户端和电网用户等等，这是第二步转换能量的过程。在这个充放电环节中，需要电解液流量、中心控制模块、输送控制模块、电力转换调控模块和电池充放电控制管理模块以及安全保护监控管理模块之间进行有效的控制和配合完成，这样才能够促使不同部位能够发挥其作用，保证高效的系统储能。

（二）系统中心控制模块系统

储能系统在运行中，高性能CPU的工作能够有效地控制不同模块产生的工作状况的改变，并且能够有效地实现信号的采集，监控各个数据变量，因此是系统能够进行数据控制和交换的中心。

（三）电力转换调控模块

风能和太阳能的直接并网能够促使电网电压产生很大的波动，为了避免波动的产生，不断提高电力的稳定性和安全性，使用多象限电流控制技术，能够实现输出电力的相位控制，同时加强电压漂移补偿，保证低谐波失真，显著提高系统运行的有效性。

（四）电解液流量及运送控制模块系统

检测和自动控制技术的应用主要是利用高精密化工泵以及控制阀，实现有效的控制和测量，并且保证电解液输送量的准确性。在选择电解质溶液流量时，常常和其流速、浓度以及温度和运行电流密度有着很大的相关性，并且大小也能够直接影响到电池电堆的性能。按照系统带来的电量情况，能够对流量数据和电流密度进行严格计算，在完成流量数据设定之后，保证稳定的输送量，不会造成电解液储存量的影响。

（五）电池充放电管理控制模块

利用高速、低功耗、多功能微控制器与电池智能充放电控制流程相结合，使电堆充放电过程性能稳定可靠，同时，电池运行状态数据及时传送到系统安全监控模块中去，可以实现电堆充放电过程实时监控，使电堆充放电按照设定的最佳曲线进行。针对太阳能和风能等可再生能源发电的随机性和间歇性的特点，可通过系统的自动控制与能量调节能力来平抑可再生能源发电系统的扰动，维持输出电压的平衡与稳定。

（六）安全保护监控模块系统

采用安全数据快速实时巡检提醒报警控制技术，对储能系统的电压、电流、流量、容量、温度和内阻等电池正常运行参数进行监测。在系统正常工作状态下，对电池的过流、过压、短路、超温保护、漏液、电解液液面高度等工作性能、安全性能参数进行检测，并将检测数据保存，同时，根据数据超标情况进行提示、警告和控制。还可以实时监测电力转换系统及各控制柜的工作状态，防止储能系统提前损坏。

四、系统的应用和作用

太阳能发电站、新能源风能以及平滑风能等新能源的应用，可以调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，提高了电能质量和稳定性。

智能电网削峰填谷，保障电网安全对电网进行削峰填谷，实现电网智能化；减少调峰电厂数量，减少投资，减少环境污染等；提高供电品质，减少电网线损；提升现有电网供电能力，延缓城市电网改造需求。

分布式能源储能供电对分布式能源进行储能，有效解决海洋孤岛、偏远山区、草原和沙漠地带等环境、场地受限地区储能供电，促进边远贫困地区发展。

备用电源和UPS电源充分利用低谷电或电网剩余电量，调节用电节奏和合理安排用電，即可节约用电，又可以满足备用需求。

五、结束语

综上所述，在钒电池储能系统中，其控制管理系统应用能够加强储能系统的放电管理，加强流量和输送控制，并且实现电力变换等等，显著提高储能系统的效率，提高其能量储存，具有很强的稳定性，能够保证全钒液流储能系统的有效工作。

作者单位：长沙航空职业技术学院

基金项目：湖南省自然科学基金科教联合项目（2018JJ5064）