适用于液流电池储能系统的电池管理系统

2021-07-05李峰

上海电气技术 2021年2期

李峰

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海 200070

1 储能系统对比

电能是信息社会重要的、必不可缺的二次能源,是经济可持续发展的保障。风能、太阳能、潮汐能等可再生能源被认为是未来电能的有效来源,在世界范围内被大量使用。为保证可再生能源发电系统的稳定供电,应以蓄电储能的方式进行调节[1]。目前,主流的储能方式有电磁储能、物理储能、化学储能,化学储能包括锂电池储能、液流电池储能、钠硫电池储能、铅酸电池储能等[2]。锂电池储能近几年得到了广泛的推广和应用,初具规模[3]。液流电池作为一种化学储能电池,在世界范围内得到了关注,目前还处于应用前期[4]。

无论是锂电池储能系统还是液流电池储能系统,主要构成基本相同,包括电池组、电池管理系统、能量转换系统、电网、监控系统、其它辅助设备等[5]。不同类型电池的化学储能系统,主要差异体现在电池管理系统上。

锂电池储能系统原理如图1所示,液流电池储能系统原理如图2所示。

图1 锂电池储能系统原理

锂电池储能系统在运行过程中,不需要外部参与电池自身化学反应过程的控制。液流电池储能系统在运行过程中,需要外部参与电池自身化学反应过程的控制,由此液流电池储能系统对电池管理系统提出了更高的要求。

液流电池管理系统与锂电池管理系统有很大的不同。锂电池管理系统主要实现对锂电池的监测、均衡管理,以及荷电状态与健康状态等的估算,液流电池管理系统除了实现对电池的监测、荷电状态与健康状态等的估算外,更侧重于对电池电化学反应过程的调节和控制,在保证液流电池正常化学反应的前提下,进一步提升电池性能,延长寿命。由此,液流电池管理系统更准确地应称为液流电池控制系统。具体而言,液流电池管理系统需要对电解液管道、气路阀、流量、压力等进行控制,对电池堆进出口温度进行控制,实现电堆、管道、电解液罐等的报警和保护等[6]。

2 液流电池管理系统要求

由上述分析可知,适用于液流电池储能系统的电池管理系统需要满足以下要求:

(1) 具有模块化结构,可以根据容量进行灵活配置,满足大规模储能系统对电池管理系统的性能要求[7];

(2) 具有安全冗余功能[8];

(3) 软件、硬件按照功能进行划分,具备独立的功能模块[9];

(4) 除具备常规的电池状态监控功能外,还需要参与电池化学反应的控制,对电堆温度、管道阀门、电解液流量和压力等进行控制。

3 系统总体方案

笔者以250 kW液流电池储能系统为例,设计适用于兆瓦级以上液流电池储能系统的电池管理系统。250 kW液流电池储能系统有八个电堆,包括正负极电解液罐、管道、泵、阀门、传感器等部件。

针对前述要求,液流电池管理系统硬件按功能进行划分,具体硬件构架如图3所示。电池管理系统硬件板卡安装在金属箱体内,方便维护、搬运,同时具有屏蔽电磁干扰的功能。

图3 液流电池管理系统硬件架构

正、负极控制卡用于采集正、负极电解液罐体状态信息,以及正、负极管道阀门位置、压力、流量等状态信息,通过数据分析处理,控制阀门开闭,下发正、负极管道泵的变频控制信号,同时具有报警保护功能。温度采集卡用于采集电解液罐、管道、电堆等部件的实时温度,通过数据计算,控制相应阀门开闭,以及冷却系统输出的冷却液流量、温度等,并且具有温度监测报警保护功能。电堆采集卡采集电堆电压、电流等信息,并计算电池荷电状态。通信卡通过内部RS 485或串行外设接口总线方式,实现控制卡、采集卡之间的信息交互。外部通信采用控制器局域网或传输控制协议/网际协议,实现通信卡与终端监控台的数据交互。背卡为所有板卡提供直流24 V电源,同时实现电池管理系统不同板卡通信地址的硬件设置,并实现程序的统一。

上述硬件方案可以根据实际液流电池储能系统的电池数量进行板卡的增减,并可以应用于兆瓦级以上液流电池储能系统,能够根据储能系统容量对电池管理系统进行灵活配置。

液流电池更适用于兆瓦级以上储能系统,充放电次数可达10 000次以上。通过更换正负极的电解液,可以实现瞬间再充电。液流电池支持过充过放而不损坏电池,寿命长[10]。

兆瓦级以上液流电池储能系统通常是由小储能单元通过并联方式组成的大容量储能系统,每个储能单元是相对独立的一个系统。兆瓦级以上液流电池管理系统解决方案如图4所示。

图4 兆瓦级以上液流电池管理系统解决方案

兆瓦级以上液流电池管理系统解决方案是电池管理系统在兆瓦级以上液流电池储能系统中的具体应用。由于电池管理系统采用了模块化结构,可以根据储能系统容量进行灵活配置,因此降低了储能系统中电池管理系统设计方案的复杂性,减少了电池管理系统的成本。由于电池管理系统内部已互相解耦,因此当某一个电池管理系统单元出现故障时,不会影响系统的整体运行和稳定性。从运营角度看,这一系统具备本地监控和远程监控能力,实现了本地无人值守和远程监控。