全钒液流电池功率/能量响应能力的测试与分析

陈继忠，来小康，惠 东，李 蓓，王坤洋，李又宁

（中国电力科学研究院，北京 100192）

随着可再生能源发电和用电负荷的增加，迫 切需要解决电力系统所面临的可靠性、安全性和 经济性等问题。储能技术被认为是有效提高可再生能源的并网比例、缓解电网压力等问题的关键手段之一[1-4]。

传统储能电池在应用配置时，经常面临着功率和能量两个性能参数间的权衡。依照实际需求，储能系统在电力系统中的应用可分为功率型和能量型。功率型应用的储能系统通常用于分钟级的可再生能源的输出功率的平滑，如风能和太阳能发电场等。能量型应用的储能系统通常用于小时级的电能存储和释放，如削峰填谷等。全钒液流电池的功率和能量可分别独立设计：能量的多少取决于电解液罐中电解液的体积；而功率的大小取决于电堆的尺寸和数量。这就意味着，可以通过增加电解液罐的个数和电解液的体积提升全钒液流电池能量，通过增加电堆数量提升其功率等级[5-6]。

钒电池现已开展了电极、隔膜和电解液等关键材料以及电池特性、数学建模和系统优化等方面的研究[7-12]。随着储能技术的发展，兆瓦级全钒液流电池示范工程的建立，在通过对已经开展的钒电池单体和电池组特性研究得到的不同SOC 输出功率响应、响应时间350 µs 和能量效率等特性参数基础上[13-15]，尚需要进一步掌握钒电池系统对需求响应能力的特性，如削峰填谷应用中的充放电能量响应能力以及平滑可再生能源输出应用中的充放电功率响应能力，以便为用户提供更好的建议和指导[15-21]。

本项研究工作基于商业化的5 kW/10 kW·h 全钒液流电池系统，通过全钒液流电池的倍功率、SOC和充放电能量等特性，开展了全钒液流电池的功率/能量响应能力的实验研究。

1 实验对象和方法

1.1 实验对象

全钒液流电池是将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中，电池在进行充、放电时，电解液通过泵的作用由外部储液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。本研究的实验对象是北京普能世纪有限公司提供的5 kW/10 kW·h 全钒液流电池系统，如图1所示。

图1 5 kW/10 kW·h 全钒液流电池系统测试现场Fig.1 The test site of 5 kW/10 kW·h VRFB

该电池主要由电堆、电解液和循环系统3 部分构成：①电堆是提供电化学反应的场所，是实现储能系统电能和化学能相互转换的场所；②电解液为钒离子的硫酸溶液，在充放电过程中不同价态钒离子进行氧化还原反应，将电能转化为化学能；③循环系统主要包括泵和循环管路，循环系统为电池提供基本的运行条件。其系统规格见表1。

表1 5 kW/10 kW·h 全钒液流电池系统规格Table 1 The 5 kW/10 kW·h VRFB specifications

1.2 测试条件及仪器

全钒液流电池测试平台主体包括：硬件平台——环境模拟设备（重庆四达公司），充放电测试设备（美国Bitrode 公司）；软件平台——美国Bitrode 电池测试系统软件VisuaLCN，美国必测高低温箱控制软件TCCA。

电池充放电仪，美国Bitrode Corp，型号为FTV4-300-100，输出电压为5～100 VDC，输出电流范围为±300 ADC，电流控制精度为满量程的0.1%；高低温室，重庆四达公司，型号为SDJ/W580，温度-50～130 ℃，温度偏差为±2.0 ℃。

1.3 测试方法

约束条件：充放电功率≤1.5倍的额定功率，单体电池充电截止电压Vcell-cha=1.55 V，单体电池放电截止电压Vcell-dis=1 V，环境温度10～35 ℃。

测试方法为恒功率充放电模式，全钒液流电池放置在恒温25 ℃环境中；采用0.6、0.8、1.0、1.2和1.4倍额定功率（P）充电，充电初始条件为SOC=0，充电截止条件为SOC=100%或电压达到电堆充电上限截止电压58.9VDC；放电初始条件为SOC=100%，采用0.6、0.8、1.0、1.2 和1.4倍额定功率放电，放电截止条件为SOC=0 或电压达到电堆放电下限截止电压38VDC。

2 实验结果与讨论

2.1 测试结果

测试结果如图2所示，右侧的一簇曲线为充电曲线，左侧的一簇为放电曲线。在0.6P 时，充放电SOC 曲线的重合范围是0～100%，随着充放电功率的增加，相同功率充放电截止时的SOC 重合范围逐渐减少，在1.4P 时，充电SOC 曲线截至在40.7%，放电SOC 曲线截至在49.5%，充放电SOC 曲线不存在重合区域。

2.2 功率响应能力

图2 全钒液流电池的倍功率充放电曲线Fig.2 Charge-discharge curve of VRFB by times Power

以充放电功率为X 轴，SOC 为Y 轴，连接充放电截止SOC，分别得到最大充电SOC 和最小放电 SOC 边界，如图3所示。在最小放电SOC 边界以上的任意SOC，全钒液流电池具备0.6～1.4P 内的放电功率响应能力。确定功率需求响应的一个阀值和一个基础曲线，其分别是最大充放电功率和具备对称充放电能量的功率响应能力的备用SOC 曲线。随着充放电功率的增加，最小放电和最大充电SOC曲线逐渐接近，直到两条边界曲线收敛在1.35P。被测实验系统的最大充放电功率为1.35倍额定功率。

在图3中，两个曲线分割出4个区域，分别是：①充电；②放电；③充放电；④非充非放电。从充放电功率响应能力出发，说明如下：①可充电区，VRFB 系统只能以小于1.4倍额定功率充电；②可放电区，VRFB 系统只能以小于1.4倍额定功率放电；③可充/放电区，VRFB 系统既可以以小于1.4倍额定功率充电也可以以小于1.4倍额定功率放电；④非充/放电区，VRFB 系统既不能以小于1.4倍额定功率充电也不能以小于1.4倍额定功率放电。

图3 全钒液流电池的功率响应能力Fig.3 Power response ability of VRFB

当全钒液流电池的SOC 处于图3 中备用SOC曲线时，该电池不但同时具有充放电功率响应能力，而且还具有对称的充放电能量。表1 给出了各功率等级的对称充放电能量。当电池处于SOC=50%状态时，0.6P 对称的充放电能量为±50%，随着充放电功率的增加，最大对称充放电能量逐渐减小，当充放电功率增加到1.2P，电池处于备用SOC=46%状态时，对称充放电能量仅为±13.1%。因此，以备用SOC 曲线为参考基准，调整电池工作状态，使其具备对称充放电能量的功率响应能力。

表1 全钒液流电池倍功率的充放电深度Table 1 Depth of charge-discharge of VRFB by times power

2.3 能量响应能力

全钒液流电池电解液的浓度和体积决定其对电能的储存量。对于既定电解液浓度和体积的全钒液流电池的能量响应能力，应从实际应用需求出发，采用可用能量和额定能量这两个参数进行研究。可用能量：在安全合理的使用条件下，全钒液流电池所能存储或释放的电能；额定能量：额定功率充放电，全钒液流电池所能存储或释放的电能。

在图4中，恒功率充放电曲线界定出具有恒功率（采用额定功率的倍数）充放电需求的能量响应能力，对于0.6P 功率需求的能量响应为100%可用能量，随着功率需求的增加，与功率需求相应的能量响应能力逐渐降低，直到1.35P 功率时，该系统将不具备与之相应的能量响应能力。恒功率最大充/放电曲线分别界定出具有恒功率充/放电需求的能量响应能力，恒功率充/放电需求的能量响应能力都高于恒功率充放电需求的能量响应能力，且全钒液流电池在0.6～1.2P 内，恒功率放电能量显著高于充电能量。此外，可在恒功率充或放电能量基础上，通过不大于0.6P 的充放电功率最大限度的存储或释放能量，分别实现功率和能量响应需求。

图4 全钒液流电池的恒功率能量响应能力Fig.4 Energy response ability of VRFB

3 结 论

本文开展了在电力系统应用中的全钒液流电池功率/能量响应能力的实验研究。

当全钒液流电池储能系统以输入输出功率作为首要指标的功率型应用时，在全SOC 范围内，全钒液流电池不具备大于1.35P 功率等级的同时充放电功率响应能力。以备用SOC 曲线为参考基准，调整电池工作状态，使其具备对称充放电能量的功率响应能力，满足可再生能源的功率平滑等功率型应用的需求。

当其以输入输出能量作为首要指标的能量型应用时，采用可用能量和恒功率充放电能量评价全钒液流电池系统能量响应能力。在恒功率充/放电能量基础上，通过不大于0.6P 的充放电功率最大限度的存储或释放能量，满足削峰填谷等能量型应用的需求。

[1] Lu N，Weimar M R，Makarov Y V，Ma J，Viswanathan V V. The wide-area energy storage and management system-battery storage evaluation[R]. Washington：Pacific Northwest National Laboratory，2009.

[2] Cheng Shijie（程时杰），Wen Jinyu（文劲宇），Sun Haishun（孙海顺）.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J]. Electrotechnical Journal（电气应用），2005，24（4）：1-8.

[3] Denholm P，Ela E，Kirby B，Milligan M. The role of energy storage with renewable electricity generation[EB/OL]. http：//digitalcommons. library.unlv.edu/renew_pubs/5.

[4] International Energy Agency. Variability of wind power and other renewables ： Management options and strategies[R]. Paris ：International Energy Agency，2005.

[5] Kear G，Shah AA，Walsh F C. Development of the all-vanadium redox flow battery for energy storage：A review of technological, financial and policy aspects[J]. Int. J. Energy Res. doi：10. 1002/er. 1863（2011）.

[6] Electric Power Research Institute. Electricity energy storage technology options：A white paper primer on applications, costs and benefits[R]. Palo Alto：EPRI，2010.

[7] Electric Power Research Institute. Vanadium redox flow batteries：An in-depth analysis[R]. Palo Alto：EPRI，2007.

[8] Zhang Huamin（张华民），Wang Xiaoli（王晓丽）. Recent progress on vanadium flow battery technologies[J]. Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术）， 2013，2（3）：281-288.

[9] Zhang Yu（张宇），Zhang Huamin（张华民）. Latest progress on energy storage for grid system and vanadium flow battery technologies[J]. Advances in New and Renewable Energy（新能源进展），2013，1（1）：106-113.

[10] Chen Jizhong，Xu Ziqiang，Li Bei. Research on the characteristics of the vanadium redox-flow battery in power systems applications[J]. Journal of Power Sources，2013，241：396-399.

[11] Shah A A，Al-Fetlawi H，Walsh F C. Dynamic modelling of hydrogen evolution effects in the all-vanadium redox flow battery[J]. Electrochim Acta，2010，55：1125-1139 .

[12] Watt-Smith M J，Ridley P，Wills R G A，Shaha A A，Walsha F C. The importance of key operational variables and electrolyte monitoring to the performance of an all vanadium redox flow battery[J]. J. Chem. Technol. Biotechnol.，2013，88：126-138.

[13] Kaizuka T，Sasaki T. Evaluation of control maintaining electrical power quality by use of rechargeable battery system[C]//Columbus：IEEE PES Winter Meeting Columbus，2001.

[14] Chen Wei（陈伟），Meng Fanming（孟凡明），Li Xiaobin（李晓兵），Liu Xiaojiang（刘效疆），Ma Haibo（马海波）. Performance of 10 kW cell stack of vanadium redox flow battery[J]. Chinese Journal of Power Sources（电源技术），2013，37（8）：1347-1348.

[15] Chen Maobin（陈茂斌），Meng Fanming（孟凡明），Li Xiaobin（李晓兵），et al. Charge-discharge performance all-vanadium battery pack[J]. Chinese Journal of Power Sources（电源技术），2008，32（4）：225-227.

[16] Hu Guozhen（胡国珍），Duan Shanxu（段善旭），Cai Tao（蔡涛），Chen Changsong（陈昌松）. Sizing and cost analysis of photovoltaic generation system based on vanadium redox battery[J]. Transactions of China Electrotechnical Society（电工技术学报），2012，27（5）：260-267.

[17] Li Gengfeng（李更丰），Bie Chaohong（别朝红），Hua Bowen（华博文），Xie Haipeng（谢海鹏）. Reliability evaluation of distribution systems including micro-grids considering demand response[EB/OL]. [2013-02-04]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201302-34.

[18] Chen Jian（陈健），Wang Chengshan（王成山），Zhao Bo（赵波），Zhang Xuesong（张雪松）. Economic operation optimization of a stand-alone microgrid system considering characterristics of energy storage system[J]. Automation of Electric Power Systems（电力系统自动化），2012，36（20）：25-31.

[19] Li Bei（李蓓），Guo Jianbo（郭剑波）. A control strategy for battery energy storage system to level wind power output[J]. Power System Technology（电网技术），2012，36（8）：38-43.

[20] Wang Chengshan（王成山），Yu Bo（于波），Xiao Jun（肖峻），Guo Li（郭力）. Sizing of energy storage systems for output smoothing of renewable energy systems[J]. Proceedings of the CSEE（中国电机工程学报），2012，32（16）：1-8.

[21] Bao Guannan（鲍冠南），Lu Chao（陆超），Yuan Zhichang（袁志昌），Han Yingduo（韩英铎）. Load shift time optimization strategy of battery energy storage system based on dynamic programming[J]. Automation of Electric Power Systems（电力系统自动化），2012，36（12）：11-16.