钒电池储能系统在城市微电网中的优化应用

2016-04-05郭锦龙李爱魁

电源技术 2016年6期

关键词：电堆电解液储能

莫青，马军，郭锦龙，王伟，李爱魁

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430074；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001)

钒电池储能系统在城市微电网中的优化应用

莫青1，马军1，郭锦龙2，王伟1，李爱魁1

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430074；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001)

为改善城区配电网的供电可靠性和电能质量，提高可再生能源在绿色节能建筑总能耗中所占比例，依托实际城市智能微电网工程开展风光储微电网的研究，重点分析全钒液流电池储能系统的关键部件设计、系统结构布局优化及运行模式控制等问题。通过实际运行分析，证明钒电池储能系统在城市微电网应用中的可靠性和有效性。

钒电池储能系统；城市微电网；结构优化；运行模式

智能微电网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求[1]。在城市园区供电中，智能微电网可以在与大电网脱离后实现从并网到离网的无缝切换，由分布式发电或储能系统维持区域内所有或部分重要负荷的供电，发挥出智能微电网在提高供电可靠性方面的作用。储能系统作为智能微电网中的核心组成部分，发挥重要作用。特别是随着风力发电、光伏发电等可再生能源的普及应用，其出力间歇性愈加严重，通过采用储能系统能够有效平滑可再生能源的输出波动性，提高可再生能源的利用率，保证用户用电的可靠、低碳和经济性[2-5]。因此，开展钒电池储能系统在城市智能微电网中的优化应用研究具有必要性。

本文以某城市风光储微电网工程设计、建设和运行为例，以提高园区配电网的供电可靠性和电能质量为目标，兼顾钒电池储能系统运行特性，探讨钒电池储能系统在园区智能微电网中的关键部件设计、系统结构布局优化和运行模式控制等问题，为未来钒电池储能系统在城市园区智能微电网中的规模化应用提供理论支撑和技术参考。

1 某城区微电网项目概述

某科技新城，占地面积66.8 km2，是一个城市功能完备的卫星城，将容纳30万人口。科技城将重点发展光电子信息、生物医药、能源环保、现代装备制造和高科技农业等五大产业。

本文选取该科技城新能源研究院主楼开展钒电池储能系统在微电网中的优化应用研究，为了充分发挥分布式发电接入对电网的积极作用，提高可再生能源在建筑总能耗中所占比例，科技城新能源研究院主楼建设一套含380 kW光伏发电系统、12 kW垂直轴风力发电机组、100 kW/2 h钒电池储能系统、微网能量管理系统等部件的智能微电网系统，提供主楼重要负荷所需电能，提高配电网的供电可靠性，改善电能质量。科技城智能微电网系统结构示意图如图1所示。

图1 微电网系统拓扑结构

2 钒电池储能系统关键部件优化设计

依据科技城新能源研究院主楼重要负荷功率大小(80 kW)和供电时间要求(2～3 h)，主楼微电网配置100 kW/2 h全钒液流电池储能系统，包括由4个25 kW电堆串联组成的电堆串、管路系统(含传感器)、冷却系统、钒电池电解液、100 kW储能变流器(PCS)、储能就地监控系统、配电柜等部分。在关键部件设计方面，重点对电堆结构和储能就地监控系统进行了优化设计。

2.1 电堆结构模块化设计

电堆作为钒电池储能系统的核心组件，其能量效率的高低直接影响到储能系统的运行效率[6]。在电堆材料性能暂时无突破性进展的情况下，电堆结构优化是提高系统能量效率的一个突破口。针对电堆支路电流对系统电流效率和能量效率的负面影响，基于前期工作基础[7]，对25 kW电堆进行模块化结构设计。25 kW电堆由52节单电池组成，其中26节单电池组成一个模块，两个模块之间通过隔板串联。25 kW电堆性能参数如表1所示。

2.2 储能就地监控系统优化设计

储能就地监控系统主要提供微电网管理系统和储能系统之间信息的“上传下达”作用，其一方面需要接收上级微电网管理系统的调度指令，把电网调度指令分配至各个储能支路，另一方面需要实时采集钒电池储能系统运行数据，监控整个储能系统的运行状态，把相关数据上传至上级微电网管理系统。在主网发生故障时，微电网系统必须快速、稳定、可靠地由并网状态切换到离网状态(并离网切换时间≤20 ms)，此过程必然对储能就地监控系统信息“上传下达”的实时性提出更高要求。为满足上述要求，在微网系统设计过程中除考虑硬接点的优化设计外，储能就地监控系统开发平台的调整也具有必要性。

基于此考虑，为了保证微电网系统运行的实时性和可靠性，摒弃了传统的PLC工作系统，改为采用基于VxWorks操作系统的嵌入式平台[8-9]。基于VxWorks操作系统的嵌入式平台的储能就地监控系统总体设计框图如图2所示。储能就地监控系统主要上传下达的信息如表2所示。

图2 储能就地监控系统设计

表2 储能就地监控系统上传下达的信息

3 钒电池储能系统结构布局优化

根据科技城新能源研究院主楼微电网系统整体建设方案，100 kW/2 h钒电池储能系统布置于地下环形停车场内，占据4个扇形停车位，层高2 m，共计面积78 m2。考虑到占地为非规则性布局，为合理、充分地利用空间面积，针对钒电池储能系统结构布局进行了优化设计。

100 kW/2 h钒电池储能系统包括由4个25 kW电堆串联而成的电堆串、管路系统(含传感器)、冷却系统、电解液、储能就地监控系统及配电柜等部分。每个电堆布置于一个电堆支架中，电堆支架为模块化结构。电堆机架采用框架式结构，4个电堆依次水平搁置于喷涂有耐腐蚀油漆的电堆机架中部，总正、总负电解液进出管路(DN100)均布置于电堆后部，并通过连接于电堆机架上的支架进行支撑，防止总进出液管路由于重力引起弯曲变形造成的电解液泄露。电堆进出液管(DN25)通过电堆上方和下方布线与总进出液管路连接。

通常情况下，钒电池电解液适宜的工作温度为5～35℃，过高或过低都会引起电解液结晶析出，影响系统的正常运行。为控制正负极电解液运行温度在合理范围内，在电堆正负极出液管路和储液罐正负极回液管路之间各安装有一套通过循环水进行冷却的卧式换热器，外接的循环泵驱动循环水流过卧式换热器，带走电解液散发的热量，从而降低电解液温度。循环水流量和流速由储能就地监控系统基于电解液温度进行合理控制。

为实时准确了解钒电池储能系统运行状态，管路系统上布置有耐腐蚀带信号输出的传感器，包括温度传感器、电位传感器、流量传感器、压力传感器及变频器等。传感器监测的运行状态信息均上传至储能就地监控系统。基于负荷功率变化和对应的控制策略，储能就地监控系统下传信号给变频器控制循环泵流量在合理范围内，达到电解液流量随着负荷功率变化而智能调整的目的。

考虑高度限制以及电解液容量需求，电解液储液罐采用卧式结构。储液罐顶部和侧面分别配置有检修口、回液口以及U形液位管。通过U形液位管能够实时观察电解液液位变化情况，在正负极电解液明显失衡情况下，需要对其进行再平衡。

电堆正负极耳引出的电缆采用电堆上方的桥架敷设至PCS接线端子，实现强电和弱电(信号线)有效隔离。储能系统防雷和接地设计按照现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057和《交流电气装置的接地设计规范》GB 50065的规定执行。

4 钒电池储能系统运行模式

4.1 并网运行模式

在主网正常的情况下，分布式发电并网运行，其所发电能全部送上主楼380 V配电系统。其中，光伏发电和储能系统的协调运行模式可为：

(1)平滑功率输出模式。当白天日照强度高，发电超过额定功率的80%(上限可调)时，对储能系统进行充电；当日照强度低，发电低于额定功率的50%(下限可调)时，储能系统运行在放电模式，达到最大放电深度(可调)时，停止放电。

(2)削峰填谷模式。晚上负荷低时电网对储能系统进行充电，白天负荷高时由储能系统放电以增加出力，改善电力的供需矛盾，提高发电设备的利用率。

4.2 微电网(孤网)运行模式

当主网发生故障或处于检修状态时，分布式发电采用微网孤岛运行方式，选取机房、照明电源等大楼重要负荷作为微网的负荷。断开与主网的连接开关，根据发电能力、储能容量及负荷情况构成微电网系统，通过微电网运行控制，实现风光储协调运行、储能优化运行、离网削峰填谷等不同运行方式，满足微网负荷的可靠供电，实现无缝切换。通过微电网孤岛运行最大限度提高能源的利用率节能减排，同时提高供电可靠性。

5 钒电池储能系统在微电网中的实际运行分析

100 kW/2 h钒电池储能系统从2013年12月投运至2014年1月，完成充放电循环次数25次，累计发电量5 030 kWh，充电量6 770 kWh，综合能量效率为74.3%。现场实测数据显示，钒电池储能系统各设备运转正常，接入电网公共连接点电能质量符合现行国家标准，其余性能指标达到设计要求。

示范运行阶段，重点对钒电池储能系统并离网运行模式的无缝切换进行了测试。测试表明，系统并离网切换时间小于100 ms，并离网切换过程中主楼重要负荷无断电发生，保障了园区的供电可靠性，测试数据如图3所示。在储能系统网侧失电后，PCS可迅速改变状态，系统在空载或者带载情况下均能转入离网状态，并正常运行；而当网侧恢复供电后，储能系统会恢复到网侧供电模式，离网运行结束。

图3 并离网无缝切换

基于钒电池储能系统工程前期的示范运行，针对储能系统工程应用在如下方面可实现进一步的优化。

(1)为实现钒电池储能系统的无人值守和实时监测，在系统设计中，可考虑增加系统工作状态信号的无线传输功能，如钒电池储能系统实时运行数据通过无线等方式传输至业主或设计人员手机相应的APP程序中，通过手机APP程序能够实时监控储能系统运行状态。

(2)为保证所有电堆进液流量的均一性，降低浓差极化效应，改善传质过程，进而提高电堆效率，可在电堆进液管处安装电动阀门(带比例调节阀)，配合电磁流量计，在储能就地监控系统的统一协调控制下实现所有电堆进液流量的均一。

(3)电解液在经过长期化学反应后有可能产生或引入杂质，包括副反应产生的杂质如高低温下的钒结晶体、材料腐蚀产生的杂质如石墨毡纤维、维护过程带入的杂质等。因此，电解液在经过长期运行后，需要对其进行过滤除杂。设计中可在储液罐出液管处并联备用出液管，其中过滤装置设置于备用出液管上，通过球阀能够实现电解液快速在线过滤。

(4)为降低支路电流对储能系统效率的负面影响，除了在电堆结构方面进行改进外，还可以通过增加支路管路的电阻实现，如加长支管长度、缩小管径以及破坏电解液连续流动等方式。

(5)正常情况下(并离网无缝切换需要)，钒电池储能系统一直处于运行状态(充电、放电或待机)，即电解液循环泵一直处于开启状态，其作为机械部件，长期运行必然会引起寿命缩短。鉴于此，在系统设计中，可考虑加入循环泵双备份设计，即正负极循环泵各两个，备份循环泵在主循环泵出现故障的情况下可快速启动。

6 结论

本文立足于科技城风光储微电网工程设计、建设和运行，从关键部件设计、系统结构布局优化及运行模式控制等方面对钒电池储能系统在城市微电网中的应用进行了分析，重点对电堆结构设计、储能就地监控系统优化设计、钒电池储能系统结构布局优化及运行模式分析开展了相关研究。实际运行表明，钒电池储能系统在微网能量管理系统的合理调度和储能就地监控系统的协调控制下，实现并网运行和微电网(孤网)运行两种工作模式的智能切换，能够有效提高城市园区可再生能源发电利用率，改善城市园区配网供电可靠性和电能质量，可安全、可靠、有序运行。

[1]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化, 2007,31(19):100-108.

[2]周林,黄勇,郭珂,等.微电网储能技术研究综述[J].电力系统保护与控制,2011,39(7):147-152.

[3]王文星,路进升.微电网储能电源的选择及混合应用[J].电源技术,2011,35(9):1697-1699.

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[6]马军,李爱魁,董波,等.提高全钒液流电池能量效率的研究进展[J].电源技术,2013,37(8):1485-1488.

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Optimal application of VRB energy storage system for urban microgrid

To solve the power supply reliability and power quality,a research on wind-solar-storage microgrid was made based on the engineering practice on the urban microgrid.The design of key components, structure optimization and operation modes of the VRB energy storage system were analyzed.The actual operation analysis demonstrates the practicability and effectiveness of the application of VRB energy storage system in microgrid.

VRB energy storage system;urban microgrid;structure optimization;operation modes

TM 912

1002-087 X(2016)06-1233-04