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。