全钒液流电池储能系统的优化设计

全钒液流电池储能系统的优化设计
张学庆
（上海电力设计院有限公司，上海 200025）
摘要：全钒液流电池全称为全钒离子氧化还原液流电池，较之其他二次电池，具有自己的一些特点，如组装设计灵活，便于利用模块的组合调整其储能容量；可快速响应，大功率输出；电池系统易于维护，安全稳定；无有害物质产生，环境友好；自放电小；可进行深度充放电以及循环次数多、寿命长等。

全钒液流电池储能系统布置灵活，但需考虑设备房间应具有防酸和废液汇集的功能。

变流器需着重考虑设备房间的通风、散热性能；根据其具体功率和结构，有时还需考虑设备房间的电磁屏蔽措施。

监控系统则需根据全钒液流电池自身的特点对电池管理系统（BMS）等子系统进行优化设计，并与整个储能装置的监控系统进行优化整合。

关键词：储能；变流器；钒液流电池
Optimizition Design of All-Vanadium Redox Flow Battery
Energy Storage System
ZHANG Xueqing
（Shanghai Electric Power Design Institute Co Ltd, Shanghai 200025, China）
Abstract: Compared with other kinds of secondary batteries, all-vanadium redox flow battery (VRB) has its own characteristics. The arrangement and design of VRB are very flexible, which largely benefit the association of different modules, and make the capacity of the battery may be large or small as the customer’s wish. The battery system can respond at a high speed and output great power. The battery system is safe, stable and easy to maintain. Self-discharging is slight. Has a long life-cycle, high efficiency and cheap price, etc.. The arrangement of VRB is flexible, but the room should have anti-acid and waste collection function. As a high-power power electronic equipment, the arrangement of PCS should pay special attention on the heat dissipation system. According to the actual power and structure of PCS, maybe take some electromagnetic shielding measure in the equipment room. Control and supervision system should be optimal designed, including BMS and other subsystems.
Keywords: battery energy storage system, BESS, PCS, vanadium redox flow battery, VRB
1 全钒液流电池储能技术简介
全钒液流电池全称为全钒离子氧化还原液流电池，全钒液流电池中的两个氧化-还原电对的活性物质，分别装在两个储液罐中的溶液中，各用一个泵，使溶液流经电池，并在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应，单电池通过双极板串联成堆，如图1所示。

作为储能电源，全钒液流电池主要可应用于
作者简介：张学庆（1982—），男，大学本科，工程师，从事电力工程设计， E-mail：zhangxq@
电厂（电站）调峰电源系统、大规模的光电转换系统、风能发电的储能电源以及边远地区储能系统、不间断电源或应急电源系统等。

图1 钒电池原理示意图
全钒液流电池作为储能系统，具有的特征如下：
（1）电池系统组装设计灵活，易于模块组合，蓄电规模可大可小。

全钒液流电池的活性物质以液体状态贮存于电堆外部的储液罐中，容量取决于外部储液中活性物的容量和浓度，其功率输出和能量储存部分是相互独立的，可根据适宜的地理环境条件设计建设；充电可通过增加电解液体积来实现。

如边远地区以柴油机发电为主要电源，全钒液流电池可用于按需求来调节电网，实现输出功率的稳定。

（2）电池系统可高速响应，高功率输出。

全钒液流电池充、放电可在很短的时间内完成，通过更换溶液，可实现电池的即时充电；通过电堆的不同组合，可以实现不同的输出电压；负载变化时或放电深度增加时，可用附加电池维持输出电压恒定；能量效率高。

（3）电池系统易于维护，安全稳定。

所有单电池的反应物不存在固相反应，容易保证电堆的一致性和均匀性；电池的电解液均置于相同的储液罐中，每个电池的放电状态是相同的；同样，其工作温度为室温条件，所以电池系统安全稳定。

（4）环境友好。

电池的活性溶液可重复使用，不存在环境污染；电池系统在放置和工作时，无CO2等析出。

此外，与传统的二次电池相比，全钒液流电池的电极反应过程无相变发生，可以进行深度充放电；由于正、负极活性物质分开存储，可以最大程度上降低存放过程中的自放电，具有效率高、寿命长、价格便宜等特点。

经过优化的全钒液流电池储能系统能量效率可达75%～85%，理论上充放电循环次数最高可达13 000次以上，其性能高于现有的大多数类型的二次电池。

2 系统接线方式
全钒液流电池储能系统由以下几个部分构成。

2.1 电池系统
全钒液流电池系统包括正负极储液罐、电堆、管路、泵机和电池管理系统（BMS）等。

其中，电池系统的正常运行依赖于正负极电解液在储液罐和电堆间的循环流动，要求泵机在正常情况下均处于运行状态。

而BMS除了像其他二次电池的BMS一样需监测各电池（电堆）的端电压以外，还应具有电解液循环系统的控制和监视功能，并与变流器和监控系统上位机保持通信。

2.2 变流器（PCS）
储能电池的交直流双向转换和与电网或负载间的能量传输通过变流器（PCS）实现：在充电状态时，变流器在整流状态下运行，将电能从交流整流为直流后储存到电池中；在放电状态时，变流器在逆变状态下运行，将从直流逆变为交流后输送到电网或负载。

2.3 监控系统
监控系统是整个储能系统的监控、测量、信号和管理系统的核心部分，负责监控各个电池储能系统的运行状态，综合分析各种数据和信息，手动或自动向系统发出指令，控制整个电池储能系统的充放电状态，并设定充放电工作曲线。

监控系统应能适应储能系统各种运行方式，具备人机对话功能，与储能系统的各子系统通信，并可与上位机通信。

当整个液流电池储能系统接入中压配电系统时，还应配备升压变压器，整个系统即如图2所示。

图2 液流电池储能系统流程图
3 设备布置方式
3.1 电池本体布置
由于全钒液流电池的电解液有轻微的酸腐蚀性，其电解液储液罐、管路和泵机均需为防酸性设备，地坪应作防酸处理。

为防止发生事故时电解液渗出或泄露危及周边环境和其他设备安全，也为了能够在事故后便于后续处理，包括对电解液的回收利用，应在电池室内或室外布置专门的电解液回收池，回收池应做适当防酸处理，同时应合理设计电池室地坪高差或在房间周边布置导液槽，使泄露的电解液能够集中到废液回收池中。

如电解液容量不大时，废液回收池的容积可按照全部电解液的容积考虑；当电解液体积较大或需预留远景容量时，回收池容积可结合事故危险程度及事故处理程序综合评估后设定。

3.2 电气装置的接地
当储能系统为独立建筑时，建筑物周边应作水平或立体接地网，整个接地网接地电阻按不大于4 Ω设计。

建筑物内所有配电装置及电气设备、配电柜体等的金属外壳、底座及电缆支架，钢筋混凝土构架，金属构架的金属部分均应按规程规定接地。

液流电池储能系统本身为低压系统，按相关规程规范，一般的接地线如25×4 mm2或40×6 mm2的热镀锌接地扁钢已经能够满足要求。

当液流电池需升压接入电网时则需配中压或高压变压器及配电装置，此时应根据电压等级对接地线截面和动热稳定性进行校验。

3.3 变流器的布置
变流器一般与大功率逆变器采用同样的功率器件和组成结构，其主要区别在于功率器件触发和控制策
略的不同。

因此，变流器的布置可参照一般逆变器室布置要求，能够满足大功率发热设备的散热要求。

当变流器散热方式为风冷时，出于节能和散热效率的考虑，一般要求变流器采用上出风的散热结构，便于集中式的通风散热管路在变流器上方布置并与各个变流器的顶盖散热孔封闭连接，同时要求风机具备调速和按温启动的功能。

同时，逆变器应避免与其他二次和自动化通信设备同室布置，以避免大容量功率器件引起电磁干扰以及环境温升对其他设备的影响，同时也便于根据不同设备的特点，分室布置不同的暖通散热设备，以保证散热效果，保证设备的正常运行。

4 结论
全钒液流电池作为新型储能用电池，在系统组成、电气土建布置方面均有不同于其他类型二次电池的特点。

由于国内目前还没有针对全钒液流电池系统设计和布置方式的规程规范，今后应结合具体工程实践及时总结经验，指导全钒液流电池储能系统的设计，以推动这一技术在电力储能及用户备用电源等方面的推广和应用。

参考文献
[1] 任元会．工业与民用配电设计手册[M]．第3版．北京：中国电力出版社，2005．
[2] 崔艳华，孟凡明．全钒离子液流电池的应用研究[J]．电源技术，2000，（6）：356-358．。