CN106960971B - 一种液流电池系统失效运行方法及装置 - Google Patents

一种液流电池系统失效运行方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种液流电池系统失效运行方法及装置，包括：在确定液流电池系统失效时，判断失效的液流电池系统是否需要隔离电堆部件；若不需要隔离电堆部件，按预设的失效运行策略降低液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行，维持系统能量响应能力；若需要隔离电堆部件，按预设的失效运行策略提高液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行，隔离液流电池中故障的电堆部件，提升正常功率单元的功率，维持系统功率响应能力。本发明提供的技术方案可有效定量分析全钒液流电池系统失效条件下所采取的运行模式的可靠性，能有效地对液流电池系统的可靠性进行评价。

Description

一种液流电池系统失效运行方法及装置
技术领域
本发明涉及一种储能电池技术的管理策略，具体涉及一种液流电池系统失效运行方法及装置。
背景技术
大容量储能技术可有效提高电力系统的可靠性和稳定性,改善可再生能源发电的电能输出质量。现有的全钒氧化还原液流电池是适合用于大规模蓄电应用的储能技术之一。
全钒氧化还原液流电池特有的电化学原理和具有储液罐、管路、泵、电堆等独特的物理结构决定了其不同于传统电化学电池。全钒氧化还原液流电池具有下述特殊的性能和特点：功率决定于电堆的电极的表面积和单体电池数；容量决定于电解液活性物质的量，所有电堆共用全部的电解液。全钒氧化还原液流电池失效和故障现象有：1)部分单元出现性能退化，系统若继续满负荷运行，导致系统损坏；若降低出力，系统能继续运行而不致导致系统性能急剧恶化；2)部分单元损坏严重，无法继续运行，但如果将问题部分隔离，系统其它部分仍可维持在正常状态下运行；3)部分单元损坏，无法继续运行，且无法隔离，系统停机处于待维修状态。
储能系统的自身特点和运行特性对电力系统可靠性有重要的影响。申请号为201610048383.9的发明专利公开了一种能完全释放电池组电量的电池串联冗余方法，其中包括N+1个电池单元电路串联组成的电池组，可以将失效的单体电池隔离出电池组，使电池组仍可继续正常给负载供电，提升了电池组的可靠性，也增加了电池组的安全性。申请号为201410093228.X的发明专利公开了一种提高液流电池运行可靠性的储能系统及其方法，其中披露了包含与电池单元对应连接的储能逆变器、用于确定未发生故障的电堆单元所需充放电参数的电池管理系统、用于控制和调整储能逆变器输出输入参数与未发生故障的电堆单元所需的充放电参数相匹配的就地监控系统；避免了液流电池储能装置存在的当其包括的任一电堆单元发生故障时系统无法继续运行的问题，提高了系统运行可靠性。但是上述两项发明专利文献并未涉及电池或液流电池在切除故障单体电池或电堆后，响应系统容量或功率能力的运行管理策略及其评估方法。
因此，需要提出一种液流电池系统失效运行方法及装置，在全钒氧化还原液流电池系统失效时，维持全钒氧化还原液流电池功率或能量响应能力，提高系统可靠性。
发明内容
本发明提供一种液流电池系统失效运行方法，所述方法包括如下步骤：
在确定液流电池系统失效时，判断失效的液流电池系统是否需要隔离电堆部件；
若不需要隔离电堆部件，按预设的失效运行策略降低液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行，维持系统能量响应能力；
若需要隔离电堆部件，按预设的失效运行策略提高液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行，隔离液流电池中故障的电堆部件，提升正常功率单元的功率，维持系统功率响应能力。
所述确定液流电池系统失效，包括：
记录液流电池系统失效前所述液流电池系统按额定功率PR放电至预设放电截止条件后再充电至预设充电截止条件的系统特性指标；
根据所述系统特性指标确定所述液流电池系统是否失效。
所述截止条件以下述任意一种或多种的组合为参数：
荷电状态、电压、电流、温度。
所述系统特性指标包括额定充放电容量CR、电压和效率。
所述效率可以为电压效率、电流效率、能量效率等。
进一步包括：
所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行时，记录降低的出力功率Dp和降低出力功率的持续时间Tp；
所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行时，记录降低的出力容量Dc和降低出力容量的持续时间Tc。
进一步包括：
根据非计划强迫停运的时间FOH、运行时间SH以及所述液流电池系统按不同功率运行时的数据，计算液流电池系统失效评估指标；
根据所述失效评估指标评估所述液流电池失效运行策略。
所述计算液流电池系统失效评估指标包括：
根据下式计算功率受迫停运率FORP：
Figure BDA0001268937620000031
FOHP：非计划强迫停运时间，SH：运行时间；
根据下式计算等效功率停运时间EUDHP：
Figure BDA0001268937620000032
DP：降低的出力功率，TP：降低出力功率状态的持续时间，PR：液流电池系统额定功率；
根据下式计算等效功率受迫停运率EFORP：
Figure BDA0001268937620000033
FOHP：非计划强迫停运时间，EUDHP：等效功率停运时间，SH：运行时间；
根据下式计算容量受迫停运率FORC：
Figure BDA0001268937620000034
FOHC：非计划强迫停运时间，SH：运行时间；
根据下式计算等效容量停运时间EUDHC：
Figure BDA0001268937620000035
DC：降低的出力容量，TC：降低出力容量状态的持续时间，CR：液流电池系统额定充放电容量；
根据下式计算等效容量受迫停运率EFORC：
Figure BDA0001268937620000036
EUDHC：等效容量停运时间，FOHC：非计划强迫停运时间，SH：运行时间。
所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行时，分别按降低后的充放电功率循环运行预设次数，每次运行的充放电功率为所述液流电池系统额定功率的0～1倍；所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行时，分别按提高后的充放电功率循环运行预设次数，每次运行的充放电功率为所述液流电池系统额定功率的1倍以上。
本发明提供一种液流电池系统失效运行装置，所述装置包括：
判断模块，用于在确定液流电池系统失效时，判断失效的液流电池系统是否需要隔离电堆部件；
降功率等级运行模块，不需要隔离电堆部件时，按预设的失效运行策略降低液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行，维持系统能量响应能力；
倍功率等级运行模块，需要隔离电堆部件时，按预设的失效运行策略提高液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行，隔离液流电池中故障的电堆部件，提升正常功率单元的功率，维持系统功率响应能力；
所述装置进一步包括：
失效评估模块，用于计算失效评估指标，评估所述液流电池失效运行策略。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
本发明提供的技术方案为电池或液流电池在切除故障单体电池或电堆后，提出了响应系统容量或功率能力的运行管理的有效策略及其可靠的评估方法，并针对不同的失效情况，提供了可行的失效运行管理策略，并定量评估了采用该管理策略对系统功率容量响应能力可靠性的提高，该方法易于工程人员操作和实现。
附图说明
图1：本发明实施例一种液流电池系统的失效运行方法的整体流程图；
图2：本发明实施例降功率等级运行模式的容量/功率图；
图3：本发明实施例倍功率等级运行模式的容量/功率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
为了评估容错策略下钒电池的功率/能量响应能力的可靠性，通过模拟失效运行工况，采用一套5kW钒电池进行测试。
如图1所示，本发明提供一种液流电池系统失效运行方法，所述方法包括如下步骤：
启动被测液流电池系统。
液流电池系统5kW额定功率(PR)放电至放电截止条件，然后充电至充电截止条件Vcell＝1～1.55V，循环次数3次，记录系统额定充放电容量CR＝100％SOC，判断系统是否失效；
假设系统出现失效现象：部分单元出现性能退化，系统若继续满负荷运行，导致系统损坏；若降低出力，系统能继续运行而不致导致系统性能急剧恶化。经判断不需要隔离电堆部件，转降功率等级运行模式；部分单元损坏严重，无法继续运行，但如果隔离问题部分，系统其它部分可以在正常状态维持运行，经判断需要隔离电堆部件，为保证功率响应能力，剩余电堆转为倍功率等级运行模式。
在降功率等级运行模式下，采用0.6，0.8和1倍额定功率(PR)充放电，充电至充电截止条件Vcell＝1～1.55V，循环次数3次，功率/容量曲线如图2所示，在倍功率等级运行模式下，采用1，1.2和1.4倍额定功率充放电，充电至充电截止条件Vcell＝1～1.55V，循环次数3次，功率/容量曲线如图3所示。
以出力功率降为0.8PR时为例，记录降低的出力功率DP＝PR-0.8PR＝0.2PR；实际出力容量为118％SOC，降低的的出力容量DC＝100％SOC-118％SOC＝-18％SOC＝-0.18CR；
执行该模式前，假设非计划强迫停运小时数：
FOHF＝T
执行该模式后，非计划强迫停运小时数：
FOHE＝0
功率/容量受迫停运率：
Figure BDA0001268937620000061
其中，SH：正常运行小时。
等效功率停运小时为：
Figure BDA0001268937620000062
等效容量停运小时为：
Figure BDA0001268937620000063
等效功率受迫停运率为：
Figure BDA0001268937620000064
等效容量受迫停运率为：
Figure BDA0001268937620000065
如下表所示，给出了4种模式下的失效可靠性评价指标：
Figure BDA0001268937620000066
正常运行模式时，功率/容量受迫停运率FORP、FORC均为0。当液流电池系统出现失效时，如果采用停运模式，功率/容量受迫停运率FORP、FORC均为100％。在降功率等级运行模式下，当出力功率降为0.6和0.8PR时，等效功率受迫停运率EUDHP仅为功率受迫停运率FORP的40％和20％，显著提高了功率能量响应的可靠性；而系统的容量响应能力不但没有降低，反而分别提高了38％和18％。在倍功率等级运行模式下，当功率模块数量隔离10％和20％，为了维持额定的系统功率输出能力，既等效功率受迫停运率EUDHP＝0，剩余功率模块应分别工作在1.11PR和1.25PR，此时的等效容量受迫停运率EUDHC分别为9％和18.7％，也就是功率响应能力不变的情况下，能量响应能力略有降低。这两种失效运行模式，可分别维持功率或能量响应能力不变，甚至于略有改善，但其相应的功率或能量响应能力的可靠性降低，但也显著优于受迫停运模式。
上述各步骤的结果分析表明，本发明方法可定量分析全钒液流电池系统失效条件下所采取的运行模式的可靠性，能有效地对液流电池系统的可靠性进行评价。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种液流电池系统失效运行装置，下面进行说明。
所述装置可以包括：
判断模块，用于在确定液流电池系统失效时，判断失效的液流电池系统是否需要隔离电堆部件；
降功率等级运行模块，不需要隔离电堆部件时，按预设的失效运行策略降低液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行，维持系统能量响应能力；
倍功率等级运行模块，需要隔离电堆部件时，按预设的失效运行策略提高液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行，隔离液流电池中故障的电堆部件，提升正常功率单元的功率，维持系统功率响应能力；
实施中，所述装置可以进一步包括：
失效评估模块，用于计算失效评估指标，评估所述液流电池失效运行策略。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液流电池系统失效运行方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在确定液流电池系统失效时，判断失效的液流电池系统是否需要隔离电堆部件；
若不需要隔离电堆部件，按预设的失效运行策略降低液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行，维持系统能量响应能力；
若需要隔离电堆部件，按预设的失效运行策略提高液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行，隔离液流电池中故障的电堆部件，提升正常功率单元的功率，维持系统功率响应能力；
进一步包括：
根据非计划强迫停运的时间FOH、正常运行时间SH以及所述液流电池系统按不同功率运行时的数据，计算液流电池系统失效评估指标；
根据所述失效评估指标评估所述失效运行策略；
所述计算液流电池系统失效评估指标包括：
根据下式计算功率受迫停运率FORP：
Figure FDA0003072707890000011
FOHP：功率非计划强迫停运时间，SH：正常运行时间；
根据下式计算等效功率停运时间EUDHP：
Figure FDA0003072707890000012
DP：降低的出力功率，TP：降低出力功率状态的持续时间，PR：液流电池系统额定功率；
根据下式计算等效功率受迫停运率EFORP：
Figure FDA0003072707890000013
FOHP：功率非计划强迫停运时间，EUDHP：等效功率停运时间，SH：正常运行时间；
根据下式计算容量受迫停运率FORC：
Figure FDA0003072707890000014
FOHC：容量非计划强迫停运时间，SH：正常运行时间；
根据下式计算等效容量停运时间EUDHC：
Figure FDA0003072707890000015
DC：降低的出力容量，TC：降低出力容量状态的持续时间，CR：液流电池系统额定充放电容量；
根据下式计算等效容量受迫停运率EFORC：
Figure FDA0003072707890000021
EUDHC：等效容量停运时间，FOHC：容量非计划强迫停运时间，SH：正常运行时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定液流电池系统失效，包括：
记录液流电池系统失效前所述液流电池系统按额定功率PR放电至预设放电截止条件后再充电至预设充电截止条件的系统特性指标；
根据所述系统特性指标确定所述液流电池系统是否失效。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述截止条件以下述任意一种或多种的组合为参数：
荷电状态、电压、电流、温度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述系统特性指标包括额定充放电容量CR、电压和效率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行时，记录降低的出力功率Dp和降低出力功率的持续时间Tp；
所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行时，记录降低的出力容量Dc和降低出力容量的持续时间Tc。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行时，分别按降低后的充放电功率循环运行预设次数，每次运行的充放电功率为所述液流电池系统额定功率的0～1倍；所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行时，分别按提高后的充放电功率循环运行预设次数，每次运行的充放电功率为所述液流电池系统额定功率的1倍以上。
7.一种用于如权利要求1-6任一项液流电池系统失效运行方法的液流电池系统失效运行装置，其特征在于，所述装置包括：
判断模块，用于在确定液流电池系统失效时，判断失效的液流电池系统是否需要隔离电堆部件；
降功率等级运行模块，不需要隔离电堆部件时，按预设的失效运行策略降低液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按降功率等级运行模式运行，维持系统能量响应能力；
倍功率等级运行模块，需要隔离电堆部件时，按预设的失效运行策略提高液流电池系统的充放电功率，所述液流电池系统按倍功率等级运行模式运行，隔离液流电池中故障的电堆部件，提升正常功率单元的功率，维持系统功率响应能力。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：
失效评估模块，用于计算失效评估指标，评估所述液流电池失效运行策略。
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