CN102299362B - 一种全钒液流储能电池系统的电解液流量梯级控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及全钒液流储能电池系统，对液流储能电池而言，不同的电解液温度、充放电状态以及充放电电流对电解液反应物的需求量不同，即电解液流量的大小不同，而电解液流量的大小决定了泵的功耗，对系统效率又很大的影响。因此根据电解液温度、充放电状态和充放电电流调节电解液流量，降低泵耗，从而提高全钒液流储能电池系统效率。本专利提出了全钒液流储能电池系统电解液流量梯级控制策略，即在不同的电解液温度、充放电状态和充放电电流下选择不同的电解液流量运行。本专利符合液流储能电池在可再生能源利用中的应用需求，具有较强应用前景。

Description

一种全钒液流储能电池系统的电解液流量梯级控制策略
技术领域
本发明涉及全钒液流储能电池系统领域，特别是在提高全钒液流储能电池系统效率方面。
背景技术
液流储能电池的主要应用领域之一是太阳能、风能等可再生能源利用的储能，而可再生能源发电系统具有不稳定和不连续的非稳态特性，发电功率变化较大，对液流储能电池而言，不同的电解液温度、充放电状态以及充放电电流对电解液反应物的需求量不同，即电解液流量的大小不同，而电解液流量的大小决定了泵的功耗，对系统效率又很大的影响。因此根据电解液温度、充放电状态和充放电电流调节电解液流量，降低泵耗，从而提高全钒液流储能电池系统效率。本专利提出了全钒液流储能电池系统电解液流量梯级控制策略，即在不同的电解液温度、充放电状态和充放电电流下选择不同的电解液流量运行。本专利符合液流储能电池在可再生能源利用中的应用需求，具有较强应用前景。
发明内容
一种全钒液流储能电池系统，包括：正极电解液储罐，负极电解液储罐，泵，流量计，电池模块，变频器，温度传感器，电压传感器，电流传感器，单片机，电源，负载；
正极电解液储罐通过泵经流量计与电池模块的正极入口相连，电池模块的正极出口通过管路与正极电解液储罐相连；负极电解液储罐通过泵经流量计与电池模块的负极入口相连，电池模块的负极出口通过管路与负极电解液储罐相连；在正极电解液储罐和负极电解液储罐中分别设有温度传感器；电池模块的正负电极分别与电源、负载导线连接，连接线路中并联有电压传感器、串联有电流传感器；变频器通过导线分别与泵电连接；单片机分别与流量计、变频器、温度传感器、电压传感器、电流传感器信号连接。
全钒液流储能电池系统的电解液流量梯级控制策略主要为：
在单片机内提前设置当前全钒液流储能电池系统的连接方式和电池模块电极面积下的电解液流量与电解液温度、电池电压以及电流密度的对应关系，方法如下：按照当前全钒液流储能电池系统的连接方式和电池模块电极面积，将系统电压转换为单电池电压，将电池模块的电流转换为电流密度，在此基础上，将电解液温度、单电池电压和电流密度划分为若干个区间，电解液温度区间可按照1℃～50℃为间隔进行划分，单电池电压区间可按照0.01V～0.5V为间隔进行划分，电流密度区间可按照1mA/cm2～50mA/cm2为间隔进行划分；分别在在不同温度、单电池电压、电流密度区间内进行充电实验，确定相应的电解液流量，其值在综合考虑全钒液流储能电池系统的能量效率和功耗的基础上获得的较优的电解液流量。电解液流量（L）与电解液温度（T）、电池电压（V）以及电流密度（I）的对应关系如下表所示：
在全钒液流储能电池系统运行过程中，根据温度传感器、电流传感器、电压传感器采集的电解液温度、电压和电流值，选择所需要的电解液流量，单片机通过变频器调节泵的工作频率，变频器频率的大小根据流量计反馈信息进行调节，保证全钒液流储能电池系统在选择的电解液流量下运行。
根据电解液温度、单电池电压和电流密度选择电解液流量的方法可用图2来表示：
根据温度传感器测得的温度判断其属于的温度区间（T），再根据电池模块串并联方式将电压传感器测得的电压转换成单电池电压，判断其属于的单电池电压区间（V），最后根据电池模块串并联方式和电极面积将电流测试测得的电流变换为电流密度，判断其属于的电流密度区间（I），选择此区间内的电解液流量（L）作为全钒液流储能电池运行时的流量。
本发明具有如下优点：
1.本发明通过引入梯级流量控制策略，有效的降低了全钒液流储能电池系统的功耗，对于提高系统效率有明显的作用；
2.本发明通过变频器或者直流泵来调节电解液流量，操作简单，易于实现。
附图说明
图1全钒液流储能电池系统流程图；
图2全钒液流储能电池系统电解液流量选择示意图。
具体实施方式
如图所示，全钒液流储能电池系统包括：正极电解液储罐1，负极电解液储罐2，泵3，流量计4，电池模块5，变频器6，温度传感器7，电压传感器8，电流传感器9，单片机10，电源11，负载12；
电池模块的功率为5kW，单电池个数为40，单电池连接方式为串联，电极面积为1500cm2，电池系统容量为20kWh，单片机型号为DSP430系列。。
正极电解液储罐1通过泵经流量计4与电池模块5的正极入口相连，电池模块5的正极出口通过管路与正极电解液储罐1相连；负极电解液储罐2通过泵经流量计4与电池模块5的负极入口相连，电池模块5的负极出口通过管路与负极电解液储罐2相连；在正极电解液储罐1和负极电解液储罐2中分别设有温度传感器7；电池模块5的正负电极分别与电源11、负载12导线连接，连接线路中并联有电压传感器8、串联有电流传感器9；变频器6通过导线分别与泵电连接；单片机10分别与流量计4、变频器6、温度传感器7、电压传感器8、电流传感器9信号连接。
首先制定当前全钒液流储能电池系统下的电解液流量与电解液温度、单电池电压、电流密度之间的关系：
温度区间按每15℃进行划分，具体为0℃≤T＜15℃，15℃≤T＜30℃，30℃≤T；
电压区间按每0.1V进行划分：1.0≤V＜1.1V，1.1≤V＜1.2V，1.2≤V＜1.3V，1.3≤V＜1.4V，1.4V≤V；
电流密度区间按每10mA/cm2进行划分：10≤I＜20mA/cm2，20≤I＜30mA/cm2，30≤I＜40mA/cm2，0≤I＜50mA/cm2，50mA/cm2≤I；
Figure GDA00003305689500031
Figure GDA00003305689500041
通过在不同电解液温度区间、单电池电压区间、电流密度区间进行实验，综合考虑全钒液流储能电池系统的能量效率和功耗的基础上，确定不同电解液温度区间、单电池电压区间、电流密度区间最优电解液流量，如上表所示。
全钒液流储能电池系统运行时电解液流量的选择方法为：
根据温度传感器4测试电解液温度进入相应的温度区间，然后再根据电压传感器8测得的电压进入相应的电压区间，根据电流传感器9测得的电流密度进入相应的电流密度区间，选择对应的电解液流量，单片机11通过变频器6调节泵3的工作频率，变频器频率的大小根据流量计4反馈信息进行调节，保证全钒液流储能电池系统在选择的电解液流量下运行。
当电解液温度为25℃，电压为50V，电流为65A时，选择当前全钒液流储能电池系统电解液流量的过程为：
首先根据电解液温度25℃，判断其属于15℃≤T＜30℃区间；然后根据串联单电池数量40节，得到单电池电压为1.25V，判断其属于1.2≤V＜1.3V区间；最后根据电极面积1500cm2和电流60A，得到电流密度为43mA/cm2，判断其属于40≤I＜50mA/cm2区间，单片机11选择对应的数值1.3m3/h作为全钒液流储能电池系统运行时的电解液流量，通过变频器6调节泵3的工作频率，变频器频率的大小根据流量计4反馈信息进行调节，保证全钒液流储能电池系统在1.3m3/h的流量下运行。。
全钒液流储能电池系统能量效率可定义为：
Figure GDA00003305689500051
根据上式计算全钒液流储能电池系统效率，在应用梯级流量控制策略后，系统效率能够达到75-80%，提高10个百分点左右。
系统效率
应用梯级流量控制策略前 60—70%
应用梯级流量控制策略后 70—80%

Claims (5)

1.一种全钒液流储能电池系统的电解液流量梯级控制策略，其特征在于：电池系统包括正极电解液储罐（1），负极电解液储罐（2），泵（3），流量计（4），电池模块（5），变频器（6），温度传感器（7），电压传感器（8），电流传感器（9），单片机（10），电源（11），负载（12）； 
正极电解液储罐（1）通过泵经流量计（4）与电池模块（5）的正极入口相连，电池模块（5）的正极出口通过管路与正极电解液储罐（1）相连；负极电解液储罐（2）通过泵经流量计（4）与电池模块（5）的负极入口相连，电池模块（5）的负极出口通过管路与负极电解液储罐（2）相连；在正极电解液储罐（1）和负极电解液储罐（2）中分别设有温度传感器（7）；电池模块（5）的正负电极分别与电源（11）、负载（12）导线连接，连接线路中并联有电压传感器（8）、串联有电流传感器（9）；变频器（6）通过导线分别与泵电连接；单片机（10）分别与流量计（4）、变频器（6）、温度传感器（7）、电压传感器（8）、电流传感器（9）信号连接；
在单片机（10）内提前设置当前全钒液流储能电池系统的连接方式和电池模块电极面积下的电解液流量与电解液温度、电池电压以及电流密度的对应关系，在全钒液流储能电池系统运行过程中，根据温度传感器（7）、电流传感器（9）、电压传感器（8）采集的电解液温度、电流和电压值，选择所需要的电解液流量，通过变频器（6）调节泵（3）的工作频率，变频器频率的大小根据流量计（4）反馈信息进行调节，保证全钒液流储能电池系统在选择的电解液流量下运行。
2.按照权利要求1所述控制策略，其特征在于：确立电解液流量与电解液温度、电池电压以及电流密度的对应关系的方法如下：按照当前全钒液流储能电池系统的连接方式和电池模块电极面积，将系统电压转换为单电池电压，将电池模块的电流转换为电流密度，在此基础上，将电解液温度、单电池电压和电流密度划分为若干个区间，分别在在不同温度、单电池电压、电流密度区间内进行充电实验，确定相应的电解液流量，其值在综合考虑全钒液流储能电池系统的能量效率和功耗的基础上获得的较优的电解液流量。
3.按照权利要求1或2所述控制策略，其特征在于：电解液温度区间可按照1℃～50℃为间隔进行划分，单电池电压区间可按照0.01V～0.5V为间隔进行划分，电流密度区间可按照电流/电极面积为1mA/cm2～50mA/cm2的间隔进行划分。
4.按照权利要求2所述控制策略，其特征在于：电解液流量选择的顺序为先判断温度所属的区间，再判断电压所属的区间，最后判断电流所属的区间，选择对应的电解液流量作为全钒液流储能电池系统在此条件下运行的电解液流量。
5.按照权利要求2所述控制策略，其特征在于：在相同的电解液温度区间、单电池电压区间和电流密度区间，电解液流量具有唯一性。
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