CN107394243B - 一种液流电池储能系统及具有间歇性能源的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液流电池储能系统，包括储能管理系统以及m个并联的液流电池储能单元，其中m为大于或等于2的正整数，储能管理系统用于液流电池储能单元之间的功率均衡与SOC均充。本发明还提供一种具有间歇性能源的供电系统及液流电池储能管理方法。本发明提供的液流电池储能系统、具有间歇性能源的系统及液流电池储能管理方法，并联的液流电池储能单元可以相互独立，降低成本，易于实现模块化；SOC均充由液流储能管理系统和功率变换装置实现；针对每一个液流电池装置设置一个功率变换装置，进行闭环控制，达到均流和功率均衡精确调节，响应迅速且效率高；通过功率变换支路对电堆支路的均压控制，与其他控制目标解耦，控制简单且有效控制。

Description

一种液流电池储能系统及具有间歇性能源的系统

技术领域

本发明涉及液流电池储能系统集成领域，具体涉及一种液流电池储能系统及具有间歇性能源的系统。

背景技术

随着风电、光伏等间歇性新能源的大规模接入，电力系统调频、调峰所面临的压力越来越大，系统稳定性、供电质量等相关问题也逐渐显现出来，储能技术是解决这一系列问题的有效手段。

全钒液流电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的液流电池，钒液流电池活性物质不存在于电池的内部，而是储存在电池外部的罐体中，其输出功率和储能容量可独立设计，这是液流电池显著区别于其他化学电池的独特之处，同时也是液流电池应用于大规模储能的最大技术优势。全钒液流电池具有充放电可逆性高、循环寿命长、储能容量大，易于扩容等优点，是电力系统大规模储能的优选储能技术方案。

现有液流电池储能系统如图1所示，包括储能管理系统、一个功能变换装置以及多个液流电池装置，多个液流电池装置通过复杂的管理连接关系分别与正极电解液和负极电解液连接。

液流电池储能系统集成和控制需要考虑以下几点：

1、电堆串并联的均压均流：液流电池系统通常由若干个电池电堆通过串并联的方式组成，由于电池电堆存在电极面积、电极极化、电解液管路、电堆串并联连接电路的差异性，导致液流电池系统在充放电过程中电堆的电流、电压不能够均衡分配。电堆设计时都会有电流密度范围和电压工作范围的限制，电流、电压的不均直接导致某些电池可能会超过设定的电流密度或电压范围运行，带来发热、过度极化等问题，直接影响系统的性能、寿命和能量利用率。专利CN102148390A，通过液流电池控制器控制电堆管路的流量调节装置，从而调节进入每个电堆的电解液流量来达到电流、电压均衡调节的目的。

2、系统效率的优化：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，电解液流量通过变频水泵调节，泵的功耗直接影响系统效率。专利CN102299362A提出了一种电解液流量梯级控制策略，根据不同的电解液温度、电池电压和电流密度，在综合考虑了液流电池系统的能量密度和功耗的基础上设定较优的电解液流量运行。

3、系统集成方案的灵活性：中大规模储能应用需要的电池功率和储能容量较大，如何实现液流电池系统的规模化应用是系统集成设计必须要解决的问题，中大规模液流电池系统可以由若干个不同或者相同功率规模的电池子系统组成。专利CN102487148A提出了一种大规模液流电池系统设计与运行方案，通过将不同电池子系统的正极/负极电解液罐、正极/负极电解液出口和入口通过联通管路进行连接，并在每一个联通管路上设置控制阀门，根据不同的运行容量需求进行阀门的切换，从而适应不同运行功率规模的需求。

4、系统集成的功率均衡和均充：液流电池储能规模化集成除了要能满足不用运行功率规模的灵活变化之外，还要解决子系统的功率一致性问题。组成液流电池系统的电池子系统由于长期运行反应会引发子系统内阻的差异性、正/负极电解液容量、浓度等的差异性，导致子系统之间充放电功率失衡以及正负极电解液充放电状态SOC的偏差，最终影响整体系统的运行。专利CN102867977A提出了一种在电池系统运行初期，通过控制阀门开度或循环泵转速来调节电解液流量来调节各子系统内阻，保持内阻一致。通过各子系统正负极电解液之间的共混和互混来保证各子系统正、负极电解液容量和浓度相同，从而消除各子系统电解液SOC的偏差。

通过对相关专利的分析我们可以发现以下几点问题：

1、液流电池电堆的均压/均流、电解液泵的效率优化、子系统之间的内阻一致性等关键参数的调节都要依赖于正/负极电解液流量的调节，单一的调节手段需要实现多目标的优化势必存在相互耦合、相互影响的问题，流量调节能够发挥出的功效就会大打折扣，甚至相互抵消，最终影响优化目标的实现。并且流量调节依赖于变频水泵和调节阀的控制，调节响应速度较慢；

2、通过液流电池子系统管路的贯通和调节阀的切换方式来实现规模化应用存在几个问题：

(1)管路贯通需要增加至少6路互联管路和相应的控制阀门，管路设计和施工难度和成本提升；

(2)通过阀门切换来实现输出功率容量的变换，响应速度慢，且不适合频繁操作；

(3)液流电池系统对外输出需要的外接功率变换系统在容量变换的过程中存在带载不足，损耗提升的问题，导致储能系统总体效率的下降；

3、规模化集成后的液流电池系统对于电池子系统的功率均衡和SOC均充的调节需要一种实时的、动态的调节和控制手段来保证，不能单一的依赖于运行初始的流量调节或停机维护时的共混来实现，否则，势必会影响电池的寿命、效率和利用率。

发明内容

本专利申请一种容量配置灵活、功率切换响应迅速、均衡均充实时可控的中大规模液流电池储能系统集成设计方案，并针对液流电池并联电堆均流、子系统功率均衡和SOC均充等问题提出相应的控制运行策略。

中大规模液流电池储能系统包含若干个液流电池储能系统单元和一个储能管理系统，与传统的电池子系统直接并联不同，本专利提出的液流电池储能系统集成设计方案由液流电池储能系统单元进行并联，电池子系统之间可以相互独立。每个液流电池储能系统单元包含一个液流电池子系统和一个功率变换子系统。液流电池子系统由若干个电堆串并联组成，同时包含正/负电解液罐及管路和液流电池子系统控制器。液流电池子系统控制器通过安装于电解液罐、管路、电堆等部位的泵、阀和各类传感器等实现液流电池子系统的控制。功率变换子系统由功率变换电路和功率变换控制器组成，功率变换控制器实现对功率变换电路电压、电流、功率等的实时控制。

1、液流电池子系统内电堆并联支路之间的均流、电池子系统之间的功率均衡由功率变换子系统的实时控制来实现。通过功率变换系统对功率变换电路电流和功率的闭环控制，达到均流和功率均衡的精准调节，精度高、响应迅速。液流电池子系统控制器通过流量调节实现子系统内串联电堆的均压控制，与其他控制目标解耦。控制简单、效果优良。

2、中大规模的系统集成通过独立的储能系统单元并联组成，液流电池子系统之间可以相互独立，大大减少了子系统之间的贯通管路和调节阀等，节约成本，降低施工复杂度。液流储能系统单元容易实现标准化模块化设计，通过储能系统单元的增减可以非常灵活、便捷地满足不同规格的系统需求。功率容量的实时变更可以通过功率变换子系统的功率控制和控制运行切换实现，控制灵活、响应迅速并且效率高。

3、液流电池子系统之间的SOC均充由液流储能管理系统和功率变换子系统通过实时调节子系统充放电功率来实现动态调节。

鉴于现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种液流电池储能系统，包括储能管理系统以及m个并联的液流电池储能单元，其中m为大于或等于2的正整数，储能管理系统用于液流电池储能单元之间的功率均衡与SOC均充。

进一步地，每个液流电池储能单元包含液流电池装置与功率变换装置，功率变换装置用于控制液流电池装置的功率。

进一步地，功率变换装置包括功率变换电路和功率变换控制器，功率变换控制器用于根据储能管理系统的指令对功率变换电路的电压、电流与功率进行实时控制。

进一步地，液流电池装置包括液流电池控制器、正/负电解液罐及管路与n个并联的电堆支路，其中n为正整数，液流电池控制器通过流量调节实现电堆支路之间的均压控制。

进一步地，与液流电池装置连接的功率变换装置的功率变换电路包括n个并联的功率变换支路，分别与n个并联的电堆支路对应连接，功率变换控制器通过控制每个功率变换支路的电流实现并联的电堆支路的均流控制。

进一步地，电堆支路包括一个电堆或者串联、并联或混联的多个电堆。

根据本发明的另一方面，还提供一种具有间歇性能源的供电系统，包括间歇性能源及上述液流电池储能系统。

进一步地，间歇性能源为光伏、风机、水能源、生物能源、海洋能源中的一种或多钟。

根据本发明的又一方面，还提供一种液流电池储能管理方法，液流电池储能系统包括储能管理系统以及m个并联的液流电池储能单元，其中m为大于或等于2的正整数，每个液流电池储能单元包含液流电池装置与功率变换装置，功率变换装置包括功率变换电路和功率变换控制器，液流电池储能管理方法包括以下步骤：

-如果液流电池所属的具有间歇性能源的供电系统并入电网，进入功率控制模式：

-实时获取每个液流电池装置的SOC；

-根据电网用户的实际功率需求与每个液流电池装置的SOC，按照每个液流电池储能单元的设计容量进行实时功率的分配，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发功率指令；

-功率变换控制器根据功率指令，通过功率闭环控制准确实现指令跟踪；

-如果未并入电网，进入电压控制模式：

-获取每个液流电池装置的SOC和实际运行有功功率；

-根据每个液流电池装置的SOC和实际运行有功功率，进行各液流电池装置SOC的均充调节，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发均充调节功率指令；

-功率变换装置根据均充调节功率指令，采用下垂控制实现有功功率和无功功率的均衡。

进一步地，根据电网用户的实际功率需求与每个液流电池装置的SOC，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发功率指令，包括以下步骤：

-如果实际需求功率减小到关闭一个或多个液流电池储能单元仍然能够满足实际需求功率时，停止一个或多个液流电池储能单元运行。

进一步地，停止的一个或多个液流电池储能单元处于热备用状态。

进一步地，均充调节功率之和为0，仅在储能系统单元之间交互。

与现有技术相比，本发明提供的液流电池储能系统及具有间歇性能源的系统，具有以下有益效果：

(1)并联的液流电池储能单元可以相互独立，大大减少了各个储能单元之间的贯通管路和调节阀等，节约成本，降低施工复杂度，也容易实现标准化模块化设计，通过液流电池储能单元的增减可以非常灵活、便捷地满足不同的需求；

(2)液流电池储能单元之间的SOC均充由液流储能管理系统和功率变换装置通过实时调节子系统充放电功率来实现动态调节；

(3)针对每一个液流电池装置设置一个功率变换装置，对功率变换电路电流和功率进行闭环控制，达到均流和功率均衡精确调节，响应迅速且效率高；

(4)通过功率变换支路对电堆支路的均压控制，与其他控制目标解耦，控制简单且能够有效控制。

附图说明

图1是现有技术中的液流电池储能系统的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的液流电池储能系统的结构示意图；

图3是图2所示的液流电池储能系统的液流电池储能单元的液流电池装置的结构示意图；

图4是图2所示的液流电池储能系统的液流电池储能单元的功率变换装置的结构示意图；

图5是图2所示的液流电池储能系统的液流电池储能单元的每个电堆支路对应的具体电路示意图；

图6A是图2所示的液流电池储能系统的功率模式控制运行示意图；

图6B是图2所示的液流电池储能系统的电压模式控制运行示意图；

图7是直流接口应用系统的实施例；

图8A是直流接口应用系统的实施例控制运行策略(功率模式)；

图8B是直流接口应用系统的实施例控制运行策略(电压模式)。

具体实施方式

本发明提供一种具有间歇性能源的系统，包括间歇性能源及液流电池储能系统。

间歇性能源为光伏、风机、水能源、生物能源、海洋能源中的一种或多钟。

本实施例中间歇性能源包括一台光伏与一台风机。

如图2所示，液流电池储能系统包括储能管理系统与一个或m个并联的液流电池储能单元，其中m为大于或等于2的正整数，储能管理系统用于液流电池储能单元之间的功率均衡与SOC均充。

每个液流电池储能单元包含液流电池装置与功率变换装置，功率变换装置用于控制液流电池装置的功率。

如图4所示，功率变换装置包括功率变换电路和功率变换控制器，功率变换控制器用于根据储能管理系统的指令对功率变换电路的电压、电流与功率进行实时控制。

本实施例中的液流电池储能系统与图1所示的现有技术中的液流电池储能系统不同，现有技术中的液流电池储能系统中仅包括一个功率变换装置，而本实施例中的液流电池储能系统针对每一个液流电池装置设置一个功率变换装置，能够针对每一个液流电池装置设置进行控制，更有效地实现功率或电压均衡。

如图3所示，液流电池装置包括液流电池控制器、正/负电解液罐及管路与n个并联的电堆支路，其中n为正整数，液流电池控制器通过流量调节实现电堆支路之间的均压控制。

与液流电池装置连接的功率变换装置的功率变换电路包括n个并联的功率变换支路，分别与n个并联的电堆支路对应连接，功率变换控制器通过控制每个功率变换支路的电流实现并联的电堆支路的均流控制，如图4所示，每个电堆支路对应的具体的电路如图5所示，当然也可以采用相应的其他电路。

电堆支路包括一个电堆或者串联、并联或混联的多个电堆。

本实施例中，液流电池储能系统的液流电池储能管理方法，包括以下步骤：

-如果液流电池所属的具有间歇性能源的供电系统并入电网，如图6A所示，进入功率控制模式：

-实时获取每个液流电池装置的SOC；

-根据电网用户的实际功率需求与每个液流电池装置的SOC，按照每个液流电池储能单元的设计容量进行实时功率的分配，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发功率指令；

-功率变换控制器根据功率指令，通过功率闭环控制准确实现指令跟踪；

-如果未并入电网，如图6B所示，进入电压控制模式：

-获取每个液流电池装置的SOC和实际运行有功功率；

-根据每个液流电池装置的SOC和实际运行有功功率，进行各液流电池装置SOC的均充调节，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发均充调节功率指令；

-功率变换装置根据均充调节功率指令，采用下垂控制实现有功功率和无功功率的均衡。

功率变换控制器包括功率内环，用于控制功率模式运行策略，通过功率闭环控制准确实现指令跟踪。

功率控制模式中，储能管理系统获得每一个液流电池储能单元的SOC数据，并根据实际的功率需求和每一个液流电池储能单元的SOC数据向每一个功率变换控制器下发功率指令，功率变换控制器通过功率内环闭环控制准确实现指令跟踪。

按照每个液流电池储能单元设计容量进行实时功率的分配，保证液流电池储能单元之间功率均衡。

具体地，液流电池储能系统设计总功率为Ptotal：

P1+P2+…Pm＝Ptotal，

其中P1、P2、…、Pm分别为液流电池储能单元的设计功率。

实际运行时，计算液流电池储能系统的实际利用系数K：

K＝Pd/Ptotal，

其中实际功率需求为Pd，储能管理系统向每一个功率变换装置下发功率指令为P1*K、P2*K、…、Pm*K。

为了充分利用液流电池储能单元的设计容量，尽量避免液流电池储能单元长时间轻载运行，当实际需求功率Pd长时间减小到关闭一个或多个储能系统单元仍能满足系统实际需求时，则停止1个或多个液流电池储能单元运行。

停止的一个或多个液流电池储能单元处于热备用状态，当功率需求增加时，能够快速启动。

实现SOC均充调节的均充功率指令不影响总的实时功率需求，即△Psoc1+△Psoc2+……△Psocn＝0，均充调节的功率仅在储能系统单元之间交互。

在较长的时间尺度范围内保证子系统之间的SOC均充，即在较长时间尺度范围保证SOC1、SOC2、……都等于系统SOC平均值。当某一个电池子系统SOCn高于系统平均SOC，根据当前充放电方向，按照设定的SOC均充系数减少该电池子系统对应功率变换子系统的充电功率或增加放电功率指令。SOC均充系数的设定取决于SOC均充需要的速度。通常SOC均充的速度需求非常缓慢，均充系数对原则(1)和原则(2)的功率分配原则的影响很小。

实际功率需要由当前带载情况决定，因此储能管理系统不直接获得用户的实际功率需求。负载电压或频率(直流系统输出没有频率)由相互并联的功率变换子系统控制，功率变换子系统采用下垂控制来实现有功功率和无功功率的均衡，储能管理系统可以获得每个电池子系统的SOC和实际运行有功功率，并以此来进行各电池子系统SOC均充的调节，下发均充调节功率指令，储能管理系统下发均充调节功率指令的原则：

(1)充分利用储能系统单元设计容量，尽量避免储能系统单元长时间轻载运行。储能管理系统可以通过功率变换子系统上传的功率信息获得每个储能系统单元实际的带载情况，当实际带载功率Pn长时间减小到关闭一个或几个储能系统单元仍能满足系统实际带载需求时，则停止1个或多个储能系统单元运行，停止运行的电池子系统和功率变换子系统可以待机热备用，当功率需求增加时缩短启动时间。

(2)各储能系统单元之间的功率均衡通过功率变换子系统的并联下垂控制来实现，储能管理系统可以不参与功率均衡的调节，采用与传统发电机相似的下垂曲线实现逆变电源并联系统的自适应控制。功率变换子系统并联时，可能会出现功率分配不均，出现系统不稳定，需要给出合适的功率调节指令，采用下垂控制，系统根据下垂曲线特性自行调节功率分配，储能管理系统无需参与调节了。

(3)实现SOC均充调节的均充功率指令不影响负载需求，即△P1ref+△P2ref+……△Pnref＝0。均充调节的功率仅在储能系统内部交互。

(4)在较长的时间尺度范围内保证子系统之间的SOC均充，即SOC1、SOC2、……都等于系统SOC平均值。

功率变换控制器包括电压/频率内环，用于控制电压模式运行策略。

如图7所示，本实施例中液流电池储能系统包括3个液流电池储能单元1、2、3，每个液流电池储能单元包括液流电池装置与功率变换装置，液流电池装置包括液流电池控制器与2个并联的电堆支路，每个电堆支路包括串联的2个电堆；功率变换装置包括功率变换控制器与2个并联的功率变换支路，功率变换支路与电堆支路对应连接，本实施例中，功率变换支路具体为DC/DC支路，当然也可以为其他功率变换电路，例如DC/AC。

相应的功率模式运行如图8A所示，电压模式运行如图8B所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种液流电池储能管理方法，其特征在于，液流电池储能系统包括储能管理系统以及m个并联的液流电池储能单元，其中m为大于或等于2的正整数，每个液流电池储能单元包含液流电池装置与功率变换装置，功率变换装置包括功率变换电路和功率变换控制器，所述液流电池储能管理方法包括以下步骤：

-如果液流电池所属的具有间歇性能源的供电系统并入电网，进入功率控制模式：

-实时获取每个液流电池装置的SOC；

-根据电网用户的实际功率需求与每个液流电池装置的SOC，按照每个液流电池储能单元的设计容量进行实时功率的分配，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发均充功率指令：Pref＝Pd/m+△Psoc，其中，△Psoc为实现SOC均充调节的功率指令，Pd为实际功率需求；

-功率变换控制器根据所述均充功率指令，通过功率闭环控制准确实现指令跟踪；

-如果液流电池所属的具有间歇性能源的供电系统未并入电网，进入电压控制模式：

-获取每个液流电池装置的SOC和实际运行有功功率；

-根据每个液流电池装置的SOC和实际运行有功功率，进行各液流电池装置SOC的均充调节，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发均充调节功率指令；

-功率变换装置根据所述均充调节功率指令，采用下垂控制实现有功功率和无功功率的均衡。

2.如权利要求1所述的液流电池储能管理方法，其特征在于，根据电网用户的实际功率需求与每个液流电池装置的SOC，向每个功率变换装置的功率变换控制器下发均充功率指令，包括以下步骤：

-如果实际功率需求减小到关闭一个或多个液流电池储能单元仍然能够满足实际功率需求时，停止一个或多个液流电池储能单元运行。

3.如权利要求2所述的液流电池储能管理方法，其特征在于，停止的一个或多个液流电池储能单元处于热备用状态。

4.如权利要求1所述的液流电池储能管理方法，其特征在于，实现SOC均充调节的功率指令之和为0，仅在储能系统单元之间交互。

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