钒液流电池在微电网并网运行中的仿真研究

贾 华，安 婷，张 飞

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010)

钒液流电池在微电网并网运行中的仿真研究

贾 华，安 婷，张 飞

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010)

随着越来越多大规模光伏、风电等新能源的并网运行，其输出功率随机波动性给电网的安全运行带来的影响也愈发严重，利用储能技术来平滑风电场、光伏电站输出功率的波动是有效手段之一，对储能媒介建模及其控制的深入研究至关重要。介绍了钒液流电池(Vanadium Redox Flow Battery，VRB)的工作原理，在Matlab/Simulink中建立其模型，得到在恒流充放电条件下VRB堆栈电压变化曲线。将该模型应用在微电网并网运行模式中，证明了其可行性。

全钒液流电池；微电网；并网；运行

微网作为一种新型的互联网络结构，能够完成自我控制、管理和保护工作，既可以与大电网断开连接、单独工作，也可以与大电网并联运行，其运行方式的灵活性大大提高了负荷侧的供电可靠性。我国地缘广阔，部分地区自然条件恶劣，难以保证理想的供电，提高供电可靠性的成本又十分昂贵，若能在负荷集中的区域建立微电网，并与储能系统配合工作，可为用户提供一定的用电保障。因此，储能系统在微网发展过程中有十分广阔的市场前景。鉴于钒液流电池 (Vanadium Redox Flow Battery，VRB)的众多优点，例如规模大、寿命长、效率高、安全可靠等，本文选择钒液流电池作为储能元件，分析其工作原理，建立仿真模型，得到充放电曲线图。提出当微电网在联网运行模式下VRB储能系统的控制策略并对其进行仿真，以证明其可行性。

1 VRB储能系统建模仿真

1.1 钒液流电池的建模

VRB储能系统主要由钒电堆、正负极电解液及输送管道、充放电控制系统等部件组成，其工作原理如图1所示。在VRB工作时，循环泵将电解液从储液罐中压入钒电堆内，通过外部充放电系统的控制完成氧化还原反应，反应结束后电解液又被送回到储液罐中，活性物质不断地循环流动，从而完成VRB充放电过程。

图1 钒液流电池结构

在构建VRB模型时应考虑到所建模型的精度和复杂度，从而做出权衡。本文中选用VRB的系统损耗模型来进行仿真研究。该模型有以下特点：①荷电状态(SOC)反映电池中剩余能量的多少，随着电池充放电过程成为一个不断变化的状态变量；②堆栈电压用一个受控电压源模拟，受SOC大小和电池单体电压影响；③充放电过程中存在的电堆损耗，分为内部损耗和外部的泵损，内部损耗由和表示，泵损由固定损耗和外部变化损耗表示；与SOC和电池堆栈电流有关；⑤VRB的动态响应能力用电极电容表示[1]。

1.2 充放电特性仿真

在Matlab/Simulink中搭建钒液流电池模型，在本次实验中，单电池39个，其额定电压为50 V，额定电流为50 A，工作电压范围为40～64 V；以恒定电流50 A进行一个周期充放电，VRB仿真模型如图2所示。

图2 VRB仿真模型

在整个充放电过程中，开路电压随时间变化的曲线如图3所示。充放电初期，由于电池的等效内阻分压引起液流电池的端口电压在很短的时间内变化，在SOC=0.2～0.8时，VRB电压成线性变化，电池效率较高，一般控制充放电深度在此范围内。充电和放电转换的时候存在一定的电压降落，是因为电池电流方向发生变化，使等效串联内阻和上的压降方向变化而产生的。

图3 一个充放电周期电池端电压

2 VRB储能系统中双向变流器的控制

微电网与大电网并联运行时，因为有外电网做支撑，电网内出现电压、频率的扰动、负荷波动等情况时，都由大电网调节其平衡，当蓄电池充电时，蓄电池仅相当于一个负载，只需对其进行充电控制，当蓄电池放电时，本文采用PQ控制策略[2-3]。具体采用功率外环、电流内环的实现方式，控制结构如图4所示。

图4 基于有功电流/无功电流PQ控制

VRB储能系统由逆变器流入到交流网络中的有功功率和无功功率瞬时值可以表示为：

3 仿真验证

在Matlab/Simulink仿真环境中建立钒液流电池双向变流器模型，根据上述钒电池的仿真结果，在钒液流电池工作的线性区，其状态较为稳定，为简化将其等效成一个50 V的理想电压源，此部分的仿真目的是验证在微电网并网工作模式下，所建立的储能系统的双向变流器能够满足设计要求。在仿真电路中电池模型后接IGBT逆变器，设定有功功率、无功功率的参考值为1、-0.6 kW，LCL滤波器参数设定为500 μH、20 μF、100 μH，变压器变比为50 V/380 V，使用恒定负载，其功率为0.1 MW。仿真模型如图5所示。

图5 整体仿真

如图6所示，在0.3 s时有功功率和无功功率能基本维持在给定的功率值附近波动。

图6 蓄电池有功和无功功率实际值

如图7所示，逆变器输出的电压、电流值可以很好地维持稳定，并且三相电压、电流对称。

图7 蓄电池联网运行时电压和电流实际值

4 结论

本文设计了钒液流电池的模型以及储能系统并网运行时的双向变流器，设计了控制器及仿真电路的具体参数，仿真结果表明：钒电池的模型可为钒电池的操作运行提供工程指导，储能系统的双向变流器在并网运行时恒功率控制策略也基本满足控制要求，对于电网的有效运行具有一定的参考意义。

[1]沈洁，李广凯，候耀飞，等.钒液流电池建模及充放电效率分析[J].电源技术，2013，37(6):1-3.

[2]毕大强，葛宝明．基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制[J].电力系统自动化,2010,34(13):72-78.

[3]杨占刚.微网实验系统研究[D].天津:天津大学,2010:37-45.

[4]王长贵,崔容强,周篁.新能源发电技术[M].北京：中国电力出版社,2003:86-97.

[5]李国杰,唐志伟,聂宏展,等.钒液流储能电池建模及其平抑风电波动研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):115-119.

Simulation of vanadium redox flow battery in on-grid of micro grid

With more and more large-scale photovoltaic,wind power and other new energy operating in parallel with the grid,the influence of volatility of the output power on the safe operation of power grid is becoming more and more serious.The working principle of the VRB was introduced,and the model of VRB was established in Matlab/Simulink.The model was simulated by the toolbox of Matlab with constant current,getting the stack voltage curve of the VRB.Its feasibility is proved by applying it in the control of on-grid.

VRB;micro grid;on-grid;operation

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1237-02

2015-12-15

贾华(1963—)，男，内蒙古自治区人，硕士，副教授，主要研究方向为控制理论及应用。