CN104716659A - 带有全钒液流电池的风光储微网系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有全钒液流电池的风光储微网系统，包括微网控制系统以及，与其连接的发电系统、储能系统、公共电网、负载；所述微网控制系统包括风光储控制器以及，与其连接的并网控制器和离网控制器；所述风光储控制器与发电系统的太阳能光伏系统、风力发电机组连接。本发明利用全钒液流电池的独特优点，整合分布式发电的优势,削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响,最大限度发挥分布式发电的技术经济性，大大提高了微网系统运行的稳定性，延长了储能系统的寿命，并提高了储能系统的效率，对全钒液流电池在微网中的推广和应用有较好的实际意义。

Description

带有全钒液流电池的风光储微网系统及其控制方法

技术领域

本发明属于微网系统的发电系统技术领域，具体涉及一种全钒液流电池应用于风光储微网的系统及其控制方法。

背景技术

随着可再生能源发电技术的发展，能够整合分布式发电系统的微网成为满足日益增长的电力需求、节省投资和提高能源利用率的一种有效途径。储能技术对于微网的稳定控制、电能质量的改善和不间断供电具有非常重要的作用，是微网安全可靠运行的关键。如何充分有效的利用风光资源，节约电网资源和运行费用，提高风光供电的可靠性，成为新能源行业急需解决的问题。

目前微网系统中所选用的储能技术大部分都是选用铅酸蓄电池和锂电池。铅酸蓄电池因技术成熟、成本较低而获得了广泛应用。微网中,风电和太阳能光伏等分布式发电单元的输出功率具有间歇性和随机性的特点,而负荷的变化也具有随机性,这给微网的稳定运行带来了较大挑战。为了维持微网内部的瞬时能量平衡,储能往往需要频繁地吸收(发出)较大功率。频繁的大功率充放电和深度放电会造成铅酸蓄电池温度升高、正负极板上的活性物质脱落等现象,导致铅酸蓄电池容量积累性亏损并在短时间内快速下降,严重影响电池的使用寿命。锂电池由于前期投入成本较高而且系统运行时安全系数较低，因此在微网系统中较少使用。

目前储能系统运行时充放电功率都随分布式发电单元的输出功率而变化，在多个电池模块子系统组成的储能系统中，当电池充放电功率较小和较大时，各子系统都使用相同的电池功率运行，增加了系统内部的功率损耗。

发明内容

为了解决液流储能电池系统运行时的系统内部功率损耗过大问题，本发明提供了一种液流储能电池运行时的控制方法，即根据分布式发电单元的发电功率大小，按设定的不同功率等级来分级启动液流储能电池各子系统，改变各子系统的电路组合方式，降低储能系统的内部功率损耗，延长各子系统的使用寿命。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：带有全钒液流电池的风光储微网系统，包括微网控制系统以及，与其连接的发电系统、储能系统、公共电网、负载；所述微网控制系统包括风光储控制器以及，与其连接的并网控制器和离网控制器；所述风光储控制器与发电系统的太阳能光伏系统、风力发电机组连接；

所述储能系统包括全钒液流电池管理系统和全钒液流电池组，全钒液流电池管理系统与全钒液流电池组、风光储控制器连接，用于控制全钒液流电池组的充放电状态，以及对其运行时进行保护。

所述全钒液流电池组包括多个电池子系统，其电力输出电路和电解液管路均并联。

所述全钒液流电池管理系统包括正极电解液储罐、负极电解液储罐、多个截止阀和正/负极循环泵；每个电池子系统的正极电力输出电缆通过电流开关与直流母线正极输出端子连接，负极电力输出电缆与直流母线负极输出端子连接；直流母线正极、负极输出端子均与风光储控制器连接；每个电池子系统的正极电解液出口均与正极电解液储罐连接，正极电解液储罐出口依次经本支路的第一截止阀、正极循环泵及第二截止阀与该电池子系统正极电解液入口管路连接；该电池子系统的负极电解液出口均与负极电解液储罐连接，负极电解液储罐出口依次经本支路的第三截止阀、负极循环泵及第四截止阀与该电池子系统负极电解液入口管路连接。

带有全钒液流电池的风光储微网控制方法，包括以下步骤：

在全钒液流电池组充满电的情况下，风光储控制器控制发电系统对负载供电，多余的电能被输送至公共电网；若对负载提供的电能不足即未到达设定阈值时，由全钒液流电池组输送电能至负载；如仍不足，并网控制器控制公共电网向负载供电，保证其正常工作；

当系统出现故障并停止工作时，只由公共电网对负载提供电能；当该公共电网出现故障而停电时，并网控制器立即动作使微网控制系统与公共电网70断开，同时，由微网型风光发电系统对该负载提供电能。

所述全钒液流电池组输送电能包括以下步骤：

储能系统上电并自检，当全钒液流电池管理系统检测出系统运行有故障时，各电池子系统均停止运行并等待故障检修；如无故障，则储能系统开始运行，根据全钒液流电池组的充放电功率控制各电池子系统运行：

当全钒液流电池组功率小于下限时，启动第一个电池子系统，同时停止其他电池子系统；

当全钒液流电池组功率大于等于下限并小于设定值时，同时启动第一和第二个电池子系统，停止其他电池子系统；

当全钒液流电池组功率大于等于设定值并小于上限，同时启动所有电池子系统；

当全钒液流电池组功率大于等于上限，则系统运行有故障，返回上电并自检步骤，并停止所有电池子系统。

所述启动电池子系统包括以下步骤：

开启所述电池子系统支路中的正极循环泵和负极循环泵，让电解液在电池子系统中正常流动；闭合电流开关，使该电池子系统的输出电路形成闭合回路，使该电池子系统能够正常充放电。

所述停止电池子系统包括以下步骤：

断开所述电池子系统支路中的电流开关，使该电池子系统的输出电路断路，关闭该电池子系统的正极循环泵和负极循环泵，防止电解液在电池中流动；使该电池子系统的输出电路和电解液管路，与其他子系统的输出电路电解液管路都无关联。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明与传统的储能技术相比，全钒液流电池在微网系统上的应用具有独特优势：能量效率高；使用寿命长；容量和功率相对独立，系统设计灵活；自放电低；支持频繁充放电；支持过充/过放/深度放电；维护和运营成本低；系统响应速度快，环保，无污染，无噪音等优点，是规模储能技术的首选。

2.本发明为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明能降低储能系统的内部功率损耗，延长各电池子系统的使用寿命；并利用全钒液流电池的独特优点，整合分布式发电的优势,削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响,最大限度发挥分布式发电的技术经济性，大大提高了微网系统运行的稳定性，延长了储能系统的寿命，并提高了储能系统的效率，对全钒液流电池在微网中的推广和应用有较好的实际意义。

附图说明

图1为本发明的全钒液流电池在风光储微网系统上应用的结构示意图；

图2为全钒液流电池组由3个电池子系统电路并联组成的电路和管路连接的示意图；

图3所示为全钒液流电池管理系统控制各子系统的软件流程图；

其中，10发电系统，11太阳能光伏系统，13风力发电机组，30微网控制系统，31风光储控制器，33并网控制器，35离网控制器，50储能系统,51全钒液流电池组，53全钒液流电池管理系统，70公共电网，90负载，101正极电解液储罐，103负极电解液储罐，201、205、209为正极循环泵，203、207、211负极循环泵，301、305、309、313、303、307、311、315为各支路上的截止阀，401、403、405子电池系统，501、503、505电流开关，601直流母线输出端子。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种储能系统，其包括全钒液流电池管理系统和全钒液流电池组，所述全钒液流储能电池管理系统和全钒液流电池组相连接。

本发明提供的全钒液流电池组由多个电池子系统组成，子系统在电路上以串联或并联方式相连接，同时在液体管路上各电池子系统间以并联方式相连接，各电池子系统使用同一组电解液储罐。当分布式发电单元的发电功率大小变化时，全钒液流电池管理系统可根据设定的不同功率等级来分级启动各电池子系统，改变各子系统的电路组合方式。

本发明涉及一种微网控制系统，其包括风光储控制器、并网控制器和离网控制器，所述风光储控制器、并网控制器及离网控制器相连接。

本发明还涉及一种微网型风光发电系统，其包括发电系统、储能系统、公共电网、负载和微网控制系统，所述微网控制系统分别与该发电系统、储能系统、公共电网及负载相连接。

如图1所示，本发明提供一种储能系统50，其包括全钒液流电池管理系统53和全钒液流电池组51，且该全钒液流电池功率系统53的一端与全钒液流电池组51相连接，全钒液流电池管理系统53的另一端与风光储控制器31相连接，用于控制全钒液流电池组51的充放电状态，并同时对该全钒液流电池组51运行时进行保护。

结合图1，本发明涉及一种微网控制系统30，其包括风光储控制器31、并网控制器33和离网控制器35，且该风光储控制器31、并网控制器33及离网控制器相连接35。

参考图1，本发明还涉及了一种微网型风光发电系统100，其包括发电系统10、微网控制系统30、储能系统50、公共电网70及负载90。

具体地，微网控制系统30通过数据线和电缆线分别与发电系统10、储能系统50、公共电网70及负载90相连接。且电缆线用于各系统间的电力传输，数据线用于各系统间的信号传输，彼此间互不干扰，保证了系统的稳定性。

发电系统10还包括太阳能光伏系统11和风力发电机组13，且太阳能伏系统11和风力发电机组13分别与风光储控制系统31相连接。其中太阳能光伏系统11和风力发电机组13均为独立的发电系统，均能实现并网运行和独立的离网运行。该发电系统10将风能及光能转化为电能，以用来为微网型风光发电系统100提供所需的电能。

该微网控制系统30用以监测及控制发电系统10、储能系统50、公共电网70及负载90的工作。

该风光储控制器31可以通过电缆和数据线分别与发电系统10、储能系统50、并网控制器33及本地控制器35相连接。该风光储控制器30用以监测、控制太阳能光伏系统11、风力发电机组13及储能系统50的工作状态，一方面通过控制储能系统50提高发电系统10的电力输出水平，另一方面平衡发电系统10、储能系统50及公共电网70的电能分配，以提高风光资源的利用率，使微网型风光发电系统100的综合利用价值最大化。

该并网控制器33通过电缆和数据线分别与风光储控制器31、本地控制器35及公共电网70相连接，该并网控制器33通过并网开关根据公共电网70与微网控制系统30的供电情况进行开启和关闭，并能控制电能的正向或逆向电能输出。

该本地控制器35通过电缆和数据线分别与风光储控制器31、并网控制器33及负载90相连接，该本地控制器35可根据电能的输入情况及负载90的重要程度进行电能的分配。

该微网型风光发电系统100的工作过程为：正常情况下，风光储控制器31通过全钒液流电池管理系统53判断全钒液流电池组51电力充足(到达设定阈值)情况下，利用本地控制器35对负载90提供电能，多余的电能被输送至公共电网70。若对负载90提供的电能不足(未到达设定阈值)时，该全钒液流电池组51在安全范围内放电，其可向负载90输送电能以保证该负载90所需的电能，如仍不足，并网控制器33动作让公共电网70向负载供电，保证其正常工作。当风光储控制器31出现问题并停止工作时，由该公共电网70完全对负载90提供电能。当该公共电网70出现故障而停电时，并网控制器33立即动作将公共电网70断开，保证电网安全。同时，由本地控制器35对该负载90提供电能。

本发明提供的微网型风光发电系统100可充分利用风能、光能清洁可再生能源，实现分布式电源和储能、负荷之间，微网保护与微网控制之间相互协调的综合监控，利用该微网控制系统30进行风光电能输入、输出的调节，使得发电系统10输出至公共电网70的功率较为稳定，提高发电系统10的供电稳定性，保证发电系统10的供电质量，并实现微网和孤网模式下的安全稳定运行。

图2中，本发明提供一种由电池子系统401、电池子系统403及电池子系统405所组成的如图1中所示的全钒液流电池组51；每套电池子系统的电极面积可以相同也可以不同，3个电池子系统的电力输出电路以并联的方式连接，3个电池子系统的电解液管路也以并联方式相连接。

电池子系统401为单套全钒液流电池子系统，其电力输出电缆线连接到大电流开关501的一端，大电流开关501的另一端连接到直流母线输出端子601上；电池子系统403的电力输出电缆线连接到大电流开关503的一端，大电流开关503的另一端连接到直流母线输出端子601上；电池子系统405的电力输出电缆线连接到大电流开关505的一端，大电流开关505的另一端连接到直流母线输出端子601上；这样形成3个电池子系统并联电路。

电池子系统401的正极电解液从正极电解液储罐101流出，依次流经公共截止阀301、正极循环泵（用于正极支路的循环泵）201及截止阀305，进入到电池子系统401的正极电解液入口管路，电池子系统401的正极电解液出口管路直接经过公用管道流回正极电解液储罐101；电池子系统401的负极电解液从负极电解液储罐103流出，依次流经公共截止阀303、负极循环泵（用于负极支路的循环泵）203及截止阀307，进入到电池子系统401的负极电解液入口管路，电池子系统401的负极电解液出口管路直接经过公用管道流回负极电解液储罐103；

以此类推，电池子系统403和电池子系统405的电解液管路也采用此方法连接。

这样3个电池子系统的电解液管路和电力输出电路都以并联方式相连接，使3个电池子系统中每个子系统都能独立运行、互不干扰；

如图3所示，全钒液流电池管理系统分级启动软件控制的步骤如下：

储能系统上电运行时，首先系统自检，当全钒液流电池管理系统检测出系统运行有故障时，在液晶屏上显示故障信息后，3个电池子系统都停止运行，进行故障检修。当全钒液流电池管理系统检测出系统运行没有故障时，进行下一步。

储能系统开始启动运行，先判断全钒液流电池组充放电功率，当全钒液流电池组功率小于10kW时，启动电池子系统401，同时停止电池子系统403和电池子系统405，防止储能系统各子系统误动作。进行下一步。

启动电池子系统401的执行动作为：开启电池子系统401中的正极循环泵201和负极循环泵203，让电解液在电池中正常流动；闭合大电流开关501，使电池子系统401的输出电路形成闭合回路，达到电池子系统401能够正常充放电的目的。其中，各个截止阀已经处于导通状态。

以此类推，启动电池子系统403和启动电池子系统405都用此方法实现。

停止电池子系统401的执行动作为：断开大电流开关501，使电池子系统401的输出电路断路，关闭电池子系统401的正极循环泵201和负极循环泵203，防止电解液在电池中流动；这样电池子系统401的输出电路和电解液管路，与其他子系统的输出电路电解液管路都没有任何关联。

以此类推，停止电池子系统403和停止电池子系统405都用此方法实现。

当全钒液流电池组功率大于等于10kW且小于20kW时，同时启动电池子系统401和电池子系统403，停止电池子系统405，进入下一步。

当全钒液流电池组功率大于等于20kW时，同时启动电池子系统401、电池子系统403及电池子系统405，进入下一步。

当全钒液流电池管理系统检测储能系统运行没有故障时，实时的循环判断全钒液流电池组的充放电功率，相应的来控制3个电池子系统的启动和停止；

当全钒液流电池管理系统检测储能系统运行有故障时，在液晶屏上显示故障信息后，同时停止电池子系统401、电池子系统403及电池子系统405，系统停止运行进行故障检修。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同交换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.带有全钒液流电池的风光储微网系统，其特征在于：包括微网控制系统（30）以及，与其连接的发电系统（10）、储能系统（50）、公共电网（70）、负载（90）；所述微网控制系统（30）包括风光储控制器（31）以及，与其连接的并网控制器（33）和离网控制器（35）；所述风光储控制器（31）与发电系统（10）的太阳能光伏系统（11）、风力发电机组（13）连接；

所述储能系统（50）包括全钒液流电池管理系统（53）和全钒液流电池组（51），全钒液流电池管理系统（53）与全钒液流电池组（51）、风光储控制器（31）连接，用于控制全钒液流电池组（51）的充放电状态，以及对其运行时进行保护。

2.根据权利要求1所述的带有全钒液流电池的风光储微网系统，其特征在于：所述全钒液流电池组（51）包括多个电池子系统（401、403、405），其电力输出电路和电解液管路均并联。

3.根据权利要求1所述的带有全钒液流电池的风光储微网系统，其特征在于：所述全钒液流电池管理系统（53）包括正极电解液储罐（101）、负极电解液储罐（103）、多个截止阀和正/负极循环泵；每个电池子系统的正极电力输出电缆通过电流开关与直流母线正极输出端子连接，负极电力输出电缆与直流母线负极输出端子连接；直流母线正极、负极输出端子均与风光储控制器（31）连接；每个电池子系统的正极电解液出口均与正极电解液储罐（101）连接，正极电解液储罐（101）出口依次经本支路的第一截止阀、正极循环泵及第二截止阀与该电池子系统正极电解液入口管路连接；该电池子系统的负极电解液出口均与负极电解液储罐（103）连接，负极电解液储罐（103）出口依次经本支路的第三截止阀、负极循环泵及第四截止阀与该电池子系统负极电解液入口管路连接。

4.带有全钒液流电池的风光储微网控制方法，其特征在于包括以下步骤：

在全钒液流电池组（51）充满电的情况下，风光储控制器（31）控制发电系统（10）对负载（90）供电，多余的电能被输送至公共电网（70）；若对负载（90）提供的电能未到达设定阈值时，由全钒液流电池组（51）输送电能至负载（90）；如仍未到达设定阈值，并网控制器（33）控制公共电网（70）向负载（90）供电，保证其正常工作；

当系统出现故障并停止工作时，只由公共电网（70）对负载（90）提供电能；当该公共电网（70）出现故障而停电时，并网控制器（33）立即动作使微网控制系统（30）与公共电网70断开，同时，由微网型风光发电系统（100）对该负载（90）提供电能。

5.根据权利要求4所述的带有全钒液流电池的风光储微网控制方法，其特征在于：所述全钒液流电池组（51）输送电能包括以下步骤：

储能系统（50）上电并自检，当全钒液流电池管理系统（53）检测出系统运行有故障时，各电池子系统均停止运行并等待故障检修；如无故障，则储能系统（50）开始运行，根据全钒液流电池组（51）的充放电功率控制各电池子系统运行：

当全钒液流电池组（51）功率小于下限时，启动第一个电池子系统，同时停止其他电池子系统；

当全钒液流电池组（51）功率大于等于下限并小于设定值时，同时启动第一和第二个电池子系统，停止其他电池子系统；

当全钒液流电池组（51）功率大于等于设定值并小于上限，同时启动所有电池子系统；

当全钒液流电池组（51）功率大于等于上限，则系统运行有故障，返回上电并自检步骤，并停止所有电池子系统。

6.根据权利要求5所述的带有全钒液流电池的风光储微网控制方法，其特征在于：所述启动电池子系统包括以下步骤：

开启所述电池子系统支路中的正极循环泵和负极循环泵，让电解液在电池子系统中正常流动；闭合电流开关，使该电池子系统的输出电路形成闭合回路，使该电池子系统能够正常充放电。

7.根据权利要求5所述的带有全钒液流电池的风光储微网控制方法，其特征在于：所述停止电池子系统包括以下步骤：

断开所述电池子系统支路中的电流开关，使该电池子系统的输出电路断路，关闭该电池子系统的正极循环泵和负极循环泵，防止电解液在电池中流动；使该电池子系统的输出电路和电解液管路，与其他子系统的输出电路电解液管路都无关联。