（1.上海前威新能源發(fā)展有限公司,上海 202177;2.上海林洋儲能科技有限公司,上海 201201）
摘要：本文以流體釩電池為核心，探討了流體釩電池關鍵材料、電堆及系統(tǒng)的產業(yè)化要求，分析電池管理系統(tǒng)和雙向逆變器應具備的監(jiān)控功能，提出電網接入系統(tǒng)標準要求，籍此介紹了上海前威新能源發(fā)展有限公司、上海林洋儲能科技有限公司在流體釩電池系統(tǒng)研發(fā)、生產、應用等方面充分合作所作的細致工作。
關鍵詞：流體釩電池；關鍵材料；電池管理；雙向逆變器；接入標準
作者簡介：戴成鴻（1955-），男，工程師，從事太陽能、風能儲能技術現場管理工作
Study on the Application of Vanadium Flow Battery Energy Storage System
DAI Cheng-hong1, ZHOU han-tao2
(1. Shanghai Qianwei New Energy Development Co., Ltd., Shanghai 202177, China
2. Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 201201, China)
Abstract: Based on careful and thorough cooperation works of battery management system, power conditioning system as well as system standard for interconnecting distributed resources with electric power systems by Shanghai Qianwei New Energy Development Co., Ltd. and Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., this article discuss the technology requirements on the its key materials, stack and system of vanadium flow battery from application point of view.
Key words: vanadium Flow Battery；key materials；battery management；power conditioning system；connection standard
引言
眾所周知，發(fā)電必須與用電時時匹配。發(fā)電場裝機容量通常是固定不變的，但是每天用電高峰一般在白天至傍晚，后半夜則是低谷，而每年的用電高峰時期在夏季伏天，時間很短，因此發(fā)電公司為解決峰值用電問題，裝機容量遠高于平均用電量，一次性投入大資產利用率低，即便如此在緊張時期還需要大范圍拉閘限電保證民用，給工業(yè)生產造成很大影響。另外太陽能發(fā)電輸出不穩(wěn)定，風力發(fā)電與用電需求時差矛盾突出，影響并網推廣。基于流體釩電池的儲能系統(tǒng)，具有儲能功率大、功率與容量獨立設計、充放電響應時間短、儲能效率高、使用壽命長、充放電性能穩(wěn)定、易于監(jiān)控、工作條件溫和、無起火爆炸危險、環(huán)境友好、回收再利用方便等優(yōu)點，能有效配合電網削峰填谷降低發(fā)電機組損耗，達到穩(wěn)定電網、提高電網效率的目的，加快風力、太陽能等間歇式新能源發(fā)電的并網推廣，促進智能電網建設，解決海島、基站、哨所等離網場合的電力供應等等。
本文從應用角度針對流體釩電池的關鍵材料、電堆及系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、雙向逆變系統(tǒng)展開論述。
一、流體釩電池關鍵材料
對于所有利用標準模塊串并組合成儲能系統(tǒng)的技術，關鍵材料性能一致性是非常關鍵的也是最根本的。目前鈉硫電池、鋰電池、流體釩電池被認為是能構建規(guī)?；瘍δ芟到y(tǒng)的主要電池技術。從目前情況來看，這些技術首先要解決關鍵材料的一致性問題，如果沒有從材料這一基礎上解決，僅從后續(xù)的管理系統(tǒng)上著手是達不到大系統(tǒng)高效、安全、長壽命需求的，這已是全球儲能行業(yè)眾多商家在深入發(fā)展各自的儲能技術特別是規(guī)?；瘧弥笏_成的共識。我們在關鍵材料上制定了嚴格的生產工藝要求和技術標準，以滿足大型儲能系統(tǒng)的構建要求。流體釩電池的關鍵材料主要有四種：電解液、電極、雙極板、隔膜。
1．電解液
電解液是流體釩電池的儲能介質，對原材料質量控制、制備工藝控制、濃度選擇及后處理都有嚴格要求。其原材料有五氧化二釩、硫酸、二氧化硫，五氧化二釩純度需控制在99.8%以上，硫酸用分析純。電解液的生產工藝是先將五氧化二釩同硫酸、二氧化硫反應生成四價釩，然后進入下一步工序電解成三價釩。電解液生產必須考慮二氧化硫氣體的回收及五氧化二釩、硫酸等原材料的采購、運輸、儲存、使用等問題，涉及相關的環(huán)評、安評。我們建立了原材料采購標準及評測實驗室，搭建了2噸/批電解液中試生產成套設備，并制定相關工藝流程及操作細則，將二氧化硫回收轉為其它化工產品生產原料，通過了電解液生產的環(huán)評、安評審批，既保證了電解液質量，也杜絕了整個工藝流程任何廢棄物排放。另外電解液的濃度選擇（釩濃度，硫酸濃度，關鍵雜質離子控制）對電池系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性至關重要，需要在電解液失衡、溫度穩(wěn)定性、電性能三個方面平衡。
2．電極
作者認為，目前流體釩電池一致性最大的瓶頸在于如何保證電極材料的物理結構一致性。電極物理特性特別是不同區(qū)域的孔隙率、平面厚度保持一致性非常重要。其原因是電解液流過電極不同區(qū)域時的阻力不一致，因此流量不一致，導致傳質極化不一樣，甚至有可能形成死區(qū)，對電池的壽命損害極大。另外電極和雙極板材料匹配時，厚度的差異過大會導致雙極板在裝配或使用過程破損，造成電堆內漏，電堆失效。針對這些問題，我們與電極生產廠家制定了嚴格的原材料生產工藝標準，特別涉及保證孔隙率一致性以及平整性。初級原料還需要進一步精加工，控制厚度均勻性，為此我們專門設計了厚度處理機械設備，保證電極厚度控制在±10絲以內，然后再需要經過嚴格的程序清除殘留在電極中的碎纖維。
3．雙極板
雙極板是分隔兩個單電池的關鍵部件，需要在機械強度、柔韌性、導電性、與電極框材料的兼容性四個方面平衡，主要分為三種：硬質石墨板、柔性石墨板、塑性導電板。硬質石墨板成本太高質地太脆，與電極框材料沒有兼容性，密封問題突出，影響后續(xù)的裝配、運輸，完全不能適應流體釩電池產業(yè)化要求，特別是單節(jié)面積很大的流體釩電池，目前還有沒廠家能夠提供相對應的板材。柔性石墨板采用天然石墨層壓制造，其最大的問題在于長期置于電解液中容易溶脹，邊角易破損，機械強度不夠，與電極框材料完全不兼容，密封困難。所以我們采用塑性導電板方案，它的優(yōu)點能很好地平衡機械強度、柔韌性、導電性以及與電極框材料的兼容性，涉及配方、厚度的選擇，為保證板材的一致性，需要仔細選擇連續(xù)化工業(yè)生產設備混煉造粒機及連續(xù)成型機。
4．隔膜
目前，隔膜是流體釩電池成本結構中最大的一塊，分為陽離子膜和陰離子膜兩種。美國杜邦生產的Nafion陽離子膜物理和化學一致性都非常好，但Nafion膜也有其缺點，如對水非常敏感，尺寸變化較大，給電堆裝配造成很大影響，甚至影響電堆中單電池的流體分配均勻性，另外Nafion膜的電流效率在97%左右，對電解液失衡及容量衰減的影響較大。目前陽離子膜還需要大幅降低價格，解決溶脹性問題，提高電流效率。陰離子交換膜正好彌補陽離子膜性能上的缺陷，成本及價格也要低。德國FuMA公司生產的陰離子膜的采用連續(xù)成型工藝，電流效率在99.5%以上，對水不敏感，有非常好的市場潛力，目前唯一需要確認的是其連續(xù)使用壽命，正在測試之中。中科院大連化學物理研究所已經研究出實驗室級別高性能陰離子交換膜，假以時日在批量連續(xù)成型工藝上再取得突破，對流體釩電池的產業(yè)化推進幫助極大。作者認為，隔膜的樹脂技術已經不是問題，成本也不是問題，關鍵是國產膜必須在連續(xù)成型工藝上取得突破，能生產出性能一致的工業(yè)化膜產品，才能打破國外產品的銷售價格堅冰，將流體釩電池系統(tǒng)成本控制在每千瓦時五千以內。
二、流體釩電池電堆及系統(tǒng)
1．電堆設計
流體釩電池電堆需要解決以下幾個問題：電堆外形；組裝結構；電極框結構。
電堆外形首先要考慮其視覺效果，這是所有工業(yè)化產品都非常注重的，尤其是發(fā)達國家對商品的美學考慮十分到位，也是國內比較欠缺的。另外電堆的外形還要考慮方便運輸、安裝、維修，在電堆外形成型時，其運輸、安裝、維修的方案也應該同時完成。
電堆的組裝結構第一關系到組裝是否順暢，如果組裝結構不合理，會極大影響裝堆的質量及時間，組裝過程越簡單越可行越可靠，為此要需要制定專門的組裝工藝流程。第二，電堆運行過程由于溫度波動熱脹冷縮，內部受力和部件尺寸會有相應變化，電堆的力學設計就顯得非常重要，首先需要測試組裝的力有多大，其次組裝螺桿的數量、粗細、位置都要精確計算，再次，螺桿的壓力彈簧墊是維持電堆運行穩(wěn)定的關鍵元件之一，壓力彈簧墊的正常工作區(qū)間需要與電堆的力學變化區(qū)間相匹配，最后，電堆端板的材質、厚度、強度、重量需要仔細衡量。第三，維修拆堆是否方便，如果結構設計不合理，電堆拆卸后很多并沒有損壞的元器件都需要更換，會造成非常高的更換成本，實用性差。
電極框結構涉及效率結構、密封結構、注塑結構以及注塑材料。電極框結構首先考慮電堆性能需要，解決傳質和漏電電流之間的矛盾，選取合適和流道尺寸，其次是密封結構，包括內、外密封結構，軟密封與硬密封的結合，密封防線的多重設置。設計工作的第一步是采用機械加工的方式制造電極框，通過裝堆、測試運行證明是可行的，第二步增加合理的注塑成型結構，方可開模注塑，從設計到完成整個過程至少需要六個月的時間。流體釩電池電堆是由幾十片電極框組成，對其精度要求很高，而電極框是塑料的，精度控制很難，大批量生產必須采用注塑的工藝。電極框的注塑材料需要與雙極板的塑性材料匹配，在組裝電堆之前雙極板與電極框已經焊接，因此單片電池之間不需要其它的密封方式。
2．電池系統(tǒng)設計
電池系統(tǒng)設計涉及泵、管路、儲罐以及冷卻系統(tǒng)。
泵選型與電極框的流道設計有很大相關性，其流量應該能滿足電堆工作需要，太低了電池性能差，電解液利用率低；流量太高電堆內部壓力太大，對電池的密封、外部管路的密封和雙極板的機械性能要求越高。因此泵的選型也是需要平衡的，需要考慮電池效率、密封、穩(wěn)定性等等多重因素。
管路主要涉及尺寸、密封方式、傳感器位置及連接等等。儲罐主要涉及尺寸、密封性、正負互通、排液、進液方式、冷卻系統(tǒng)等等。由于流體釩電池電解液對高溫敏感，因此需要溫控系統(tǒng)控制電解液溫度在合適的范圍內。電解液溫度采取儲罐內控制，而不是在管路中控制（散熱面積小，流體阻力大，損耗較大）。儲罐進液方式采用偏離中心的低處水平進液，讓電解液在儲罐內旋轉流動，既可以保證冷卻器的冷卻效果，又不形成死角。
如下為10kW電堆測試性能表以及儲能系統(tǒng)的框架圖，在10kW額定功率下工作時，能量效率在80%以上。
表1 10kW電堆測試性能
|
電流 |
150A |
175A |
||||||
|
循環(huán) |
輸出功率 /kW |
電壓效率 /% |
電流效率 /% |
能量效率 /% |
輸出功率 /kW |
電壓效率 /% |
電流效率 /% |
能量效率 /% |
|
1 |
9.46 |
86.8 |
95.2 |
82.7 |
11.02 |
85.1 |
95.7 |
81.4 |
|
2 |
9.48 |
86.9 |
95.5 |
83.0 |
11.03 |
84.8 |
95.8 |
81.2 |
|
3 |
9.39 |
87.1 |
94.6 |
82.5 |
11.04 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
4 |
9.48 |
86.9 |
95.5 |
82.9 |
11.02 |
84.9 |
95.7 |
81.2 |
|
5 |
9.49 |
86.9 |
95.6 |
83.1 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
6 |
9.47 |
87.1 |
95.3 |
83.0 |
11.01 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
7 |
9.48 |
86.9 |
95.4 |
82.9 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
8 |
9.49 |
86.9 |
95.5 |
83.0 |
11.01 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
9 |
9.47 |
87.1 |
95.4 |
83.0 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
10 |
9.48 |
86.8 |
95.4 |
82.9 |
11.00 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
平均值 |
9.47 |
86.9 |
95.4 |
82.9 |
11.02 |
84.9 |
95.8 |
81.3 |
三、電池管理系統(tǒng)功能設計
流體釩電池要具有實際應用價值，其本身必須有一套電池管理系統(tǒng)（BMS），用以實現電池系統(tǒng)的自動化運行監(jiān)控。我們的管理系統(tǒng)包括傳感器、信號轉換、控制器、執(zhí)行單元和人機界面，通過其實現：對電池的啟動、停止和保護；控制電池的運行邏輯；監(jiān)測和控制電池運行參數；充當中間站，實現儲能系統(tǒng)各個部分的連接。BMS主控制器為可編程邏輯控制器（PLC），所有過程控制和保護系統(tǒng)都由PLC提供，有本地硬盤數據記錄，掉電后數據不會丟失。
1． BMS功能設計
BMS通過設定，提供所有的過程控制需求，包括電解液供應系統(tǒng)、電堆的控制。細分如下：操作方式選擇；設備的開啟和關閉；安全報警和跳閘；流入電堆的電解液溫度和流量控制；開/關所有電動閥門；充放電狀態(tài)的確定；和雙向逆變器（PCS）的通信；與后臺的通訊，向遠程終端提供數據及報警信息。
2． 設計指標
BMS系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器，關聯(lián)相關輸入參數，判斷電池的運行狀態(tài)，對超出正常值和關聯(lián)關系異常的參數啟動相應執(zhí)行單元（高低電平的硬接點輸出及接觸器控制），實現系統(tǒng)啟停和保護。BMS采用閉環(huán)控制，實時監(jiān)測電池各個參數，通過繼電器、接觸器、冷水機、變頻器、泵，實現各個電池參數控制在最佳狀態(tài)。BMS與PCS連接的通訊接口為RS485，使用MODBUS規(guī)約，BMS與PCS為高低電平的硬接點控制，為遠程監(jiān)控提供定制的報告和報警功能。
如下表所示為流體釩電池BMS待測量及性能指標：
待測量名稱
待測量被測點
測量范圍
采集分辨率
精度等級
電解液溫度
管路2處罐內2處
0～100 ℃
0.03 ℃
1%
壓力
管路2處
0～300 kPa
0.09 kPa
1%
流量
管路2處
0～25 m3/h
0.006 m3/h
1%
液位
罐頂2處
0～2 m
0.0005m
1%
電流
動力線正極接線端1處
-300～+300A
0.3A
1%
電壓
單電堆電壓
0～80V
0.03V
0.5%
3． 操作方式
BMS 管理系統(tǒng)采用手動和自動兩種方式，電池調試、檢修時用手動，系統(tǒng)啟動后，電池運行正常，采用自動控制，無需人工干預。管理系統(tǒng)支持就地和遠程控制。遠程控制通過將數據傳給后臺，再由后臺為客戶或現有的控制系統(tǒng)提供數據交換信息。遠程模式下，命令和設置點會被下載到PLC上，PLC再向客戶提供運行數據，包括所有過程參數值、狀態(tài)信息、報警信息。
4． 緊急停機開關
系統(tǒng)提供緊急停機開關，不管BMS處于何種狀態(tài)，啟動急停開關后，BMS將導致下列動作發(fā)生：雙向逆變器（PCS）快速關閉；所有泵迅速減速；所有電動閥門隨后關閉。一旦啟動緊急停止開關，整個系統(tǒng)只有在錯誤清除后才能夠重啟。重啟需要手動操作。
5． 抗干擾措施
由于BMS屬于弱電范疇，容易受到PCS的強電干擾，若控制信號失真，勢必影響系統(tǒng)的正常運行，甚至系統(tǒng)崩潰。因此我們在如下幾個方面保護BMS的正常運行：并聯(lián)單點接地；屏蔽信號線；通信采用屏蔽雙絞線；傳感器，信號轉換，執(zhí)行單元EMC均遵照國標三級標準。
圖一張：BMS控制箱內部結構
四、電網接入系統(tǒng)標準
1.流體釩電池儲能系統(tǒng)PCS設計
PCS用于儲能裝置與電網系統(tǒng)之間的雙向能量傳輸，充電時PCS將系統(tǒng)交流整流為直流給電池充電，放電時PCS將電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟娚纤碗娋W。根據流體釩電池充放電特性和并網要求，以往單向PWM整流器和單向PWM逆變器將不再適用。而傳統(tǒng)的DC/AC也影響輸出的電壓等級，加大控制難度，造成更大的功耗。雙向DC/DC是大多數二次能源發(fā)電時需要添加的模塊，以解決其特性較軟的特點。我們的PCS采用雙向DC/AC逆變器，在雙向DC/AC與釩電池系統(tǒng)中間添加一級雙向DC/DC電路。
1.1雙向DC/DC電路設計
雙向DC/DC電路的拓撲為雙向Buck-Boost電路，如圖2所示，兩個IGBT為互補PWM工作。調整PWM占空比大小，控制能量在直流總線和電池之間流動。
圖2雙向DC/DC電路部分原理圖
如圖2所示，當處于電池放電狀態(tài)時，上橋臂二極管有電流通過，開關管關斷，下橋臂開關管工作于PWM模式，二極管關斷，即DC/DC工作于Boost狀態(tài)；當電池充電時，上橋臂開關管工作于PWM模式，二極管關斷，下橋臂二極管有電流通過，開關管關斷，即DC/DC工作于Buck狀態(tài)。電池側的電抗起平滑波形作用。
1.2雙向DC/AC電路設計
圖3 雙向DC/AC電路以及與電網的連接部分原理圖
雙向DC/AC整流/逆變電路與電網之間的連接如圖3所示，電路主要為三相PWM整流器結構。圖3中所示隔離變壓器T主要起匹配電壓和隔離作用，同時也充當交流濾波器。設計變壓器時，添加漏感Ld的設計，Ld和電容C1,C2,C3構成交流濾波單元。當PCS以孤島方式工作時，孤島QF把孤島負載和電網隔開，以防電網突然恢復對系統(tǒng)有沖擊。
1.3控制策略
采用直流電壓（或電流）外環(huán)和交流電流內環(huán)的控制方法，以滿足電池充電的要求。外環(huán)采用PID線性控制器，目的是使直流電壓穩(wěn)定于參考值。內環(huán)的作用是依照外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，實現單位功率因數正弦波電流控制。孤島運行時也采用雙環(huán)控制方法，外環(huán)為輸出的交流電壓有效值，內環(huán)為輸出交流電壓瞬時值。
2.系統(tǒng)運行實驗報告
以崇明前衛(wèi)村50kW柔性儲能輸電系統(tǒng)為例，其主要技術參數如下：額定工作電壓380V，額定容量50kW，直流側電壓35V-400V，直流側電流10A-100A。實驗結果如圖4、5、6所示。
圖4 恒流60A充電波形
圖5 孤島運行輸出功率12kW電壓及電流波形
圖6 并網恒流放電電流THD曲線
試驗結論：由圖4可見PCS輸出紋波系數小；圖5為孤島運行輸出功率12kW電壓及電流波形，負載端采用三相較均衡的電阻負載，輸出電壓無超調，波形平滑，完全能滿足孤島運行的要求；由圖6可見并網恒流放電電流總諧波畸變率THD滿足國際上對并網逆變器饋入電網的電流規(guī)定。實驗表明，該柔性儲能輸電系統(tǒng)運行靈活，可以實現將多余電力儲存，在用電高峰時放出的目的，節(jié)約能源。
五、小結
本文涉及的流體釩電池儲能系統(tǒng)以相關的國家標準和行業(yè)標準為基準，以實用性為目標，前期進行周密的設計、模擬計算、分析，結合先進的規(guī)模化加工制造設備及技術，以及詳實有效的驗證手段來實現產品的研發(fā)和生產，對相關PCS廠家提出與流體釩電池系統(tǒng)配套的電網接入標準要求，通過示范應用對產品進行嚴格的應用性能測試和系統(tǒng)優(yōu)化升級，已經具備產業(yè)化推廣的價值，也希望本文對從事流體釩電池儲能事業(yè)的同仁有所幫助。
感謝上海市經信委對上海崇明前衛(wèi)村兆瓦級太陽能光伏電站釩液流儲能試驗基地項目的大力支持，感謝上海綠能環(huán)保能源科技有限公司在儲能應用項目上的全力支持。
