电力系统储能及全钒液流电池的应用进展

全钒液流电池因其安全可靠、使用寿命长、环境友好、电池均匀性好、可实时直接监测其充放电状态等特点,已成为规模储能技术领域的首选技术之一。本文对储能技术的研究背景、储能在电力系统中的作用进行了分析,并重点对全钒液流电池储能技术在电力系统中的应用进行了概述。     

全钒液流电池储能仿真模型及荷电状态监测方法研究

作为电化学储能技术之一的全钒液流电池(VRB),因其具有寿命长、安全性高、布置灵活等特点,是未来最有潜力实现长寿命、低成本的大规模储能技术.本文总结了电路模型和电化学模型两类全钒液流电池储能仿真模型:电路模型多是以固定的电路元件模拟电池回路串并联而成,电化学模型则是描述电池内部参数变化的数学模型.同时,本文总结了全钒液流电池常用的荷电状态(SOC)监测方法:开路电压法、电流积分法与卡尔曼滤波算法的基本原理及使用方法.SOC监测方法是对部分仿真模型的补充,以期构建更为完善的全钒液流电池储能系统.     

全钒液流电池在充电结束搁置阶段的开路电压变化

本工作通过对全钒液流电池的充电-搁置实验,对电池搁置阶段的开路电压变化进行探索。实验发现,全钒液流电池的开路电压变化与非液流储能电池有所不同,主要由跃降、缓慢下降、缓慢上升和趋于稳定四个过程组成。本工作首先对全钒液流电池开路电压的四个过程逐步进行分析,然后重点针对开路电压出现缓慢上升的原因及影响因素进行探索。实验结果表明全钒液流电池开路电压缓慢上升的过程与电池内电解液体积占比和流量有关,是全钒液流电池在充电结束搁置阶段的重要特征。电池内电解液体积占比越小,开路电压缓慢上升过程越长,上升幅度越小。电解液流量越大,开路电压缓慢上升过程越短,上升幅度越小。     

新型径向流动全钒液流电池单元数值模拟北大核心CSCD

全钒液流电池因其选址自由、效率高、寿命长以及安全性高等特点,广泛应用于大规模储能领域,然而现有电池结构单一,无法满足储能领域高速发展的需求。为提高全钒液流电池电化学性能,采用数值模拟方法,针对新型径向流动全钒液流电池单元,建立电池单元内部电化学反应与热质传递耦合作用数学物理模型,获得了不同电解液进口数量下新型电池单元内部多物理场耦合输运特性分布规律,包括电解液速度场、压降、离子浓度以及电极电势的分布规律。结果表明,电池电解液进口数量的增加,可以有效改善电解液在多孔电极内的输运性能,提升多孔电极内部离子浓度分布均匀性,削弱离子浓度极化现象,提高电极电势,增强电池性能。同时,在多孔电极入口处设置电解液分配管,可以有效减小电解液流动阻力,提升电解液分配均匀性,进一步提升电池性能。仿真模拟的研究结果可为全钒液流电池结构的优化设计提供参考。     

光伏系统液流电池储能优化配置北大核心CSCD

液流电池具有长时储能成本低、系统安全性高等特点,适用于大规模长时储能的应用场景,通过对液流电池系统进行合理的规划配置,可以平抑新能源发电系统的间歇性和波动性,对于保障电网安全稳定运行具有重要意义。目前缺乏基于液流电池技术特性和运行特性展开的新能源系统与液流电池优化配置方法研究,随着我国能源快速转型,充分发挥液流电池技术及运行特点,优化配置新能源系统中液流电池容量,对建立新型电力系统有着积极作用。本工作以光伏与液流电池联合发电的局域网为研究对象,提出了适用于光伏系统的液流电池储能优化配置方法,通过对液流电池系统中各个模块系统的运行特性、系统初投资和全寿期运维成本进行了深入地研究分析,基于液流电池系统具有功率与容量模块相分离的特点,对大规模液流电池系统的功率和容量配比进行了优化设计。综合液流电池系统模块优化设计的结果,对光伏与液流电池联合发电的局域网系统进行运行策略优化,在保证局域网供电稳定运行的同时,以液流电池系统初投资与全寿期运行成本之和最小为目标函数,求解得到优化液流电池优化配置方案。算例应用表明,大规模液流电池系统功率和容量配置为1 MW/8 MWh时为经济性最优的兆瓦级液流电池模块设计,25年运行期LCOE为0.292元/kWh;在本工作应用的局域网中储能优化配置的目标函数在储能配置为20 MW/160 MWh方案达到最优解。     

全钒液流电池电气模型建模与验证

为准确把握全钒液流电池的实际应用特性,基于全钒液流电池原理,采用建模与仿真软件建立了全钒液流电池的电气模型,并结合5kW全钒液流电池样机系统将仿真与试验充放电电压结果进行比较。结果表明,该模型能较好地模拟线性情况下全钒液流电池的充放电电压特性和暂态特性,验证了模型的准确性和适用范围。     

基于两级全钒液流电池的风电储能系统的功率优化分配控制

为更好地利用储能系统平抑风电功率波动,采用了两级全钒液流电池(VRB)储能的功率优化分配及控制策略。基于直驱型永磁同步风电系统的工作原理及系统变流器的控制策略,建立了全钒液流电池等效电路模型,采用基于VRB组荷电状态(SOC)的双模式切换的双闭环控制策略,通过比较每级电池组荷电状态值确定优选目标,以VRB组最大充放电功率为电池组安全充放电的约束条件,提出两级VRB组的功率优化分配控制策略,利用Matlab/Simulink仿真平台,在变风速条件下对不同荷电状态的两级VRB储能系统平抑风电功率波动进行仿真,并与功率平均分配策略作对比。结果表明,两级VRB储能系统功率优化分配控制策略能有效平抑风电机组功率波动,同时,还确保了电池组工作于安全运行区域,有效地减少了VRB组的充放电次数,延长了电池组的寿命。     

全钒液流电池开创中国储能应用新局面——专访大连融科储能技术发展有限公司销售总监张宇博士

作为全球全钒液流电池领域的领先企业,大连融科储能技术发展有限公司(以下简称"融科储能")一直致力于为客户提供安全、可靠、高效、经济和环保的能源。经过多年的创新研究和示范项目的成功实践,融科储能在大型风电/光伏电站、智能微电网、电动汽车充电站、孤岛、绿色建筑、     

全钒液流电池健康状态(SOH)特性北大核心CSCD

电池系统健康状态(SOH)特性的准确掌握和评估对于提高电池储能系统的可调度特性和运行的经济性具有重要意义,是新型储能系统大规模应用非常重要的一个指标。本研究基于自主开发的全钒液流电池系统测试平台,模拟全钒液流电池系统实际运行工况开展了近2年的充放电实验。本文对全钒液流电池测试平台2年内的容量、能量效率,平均价态及电池内阻变化进行了总结和分析。实验数据表明,在本研究运行工况下全钒液流电池系统年度SOH降低幅度大约为4%,能量效率保持基本稳定。分析发现,平均价态变化使得放电末期浓差极化内阻快速增加是导致全钒液流电池系统容量衰减的主要原因,同时全钒液流电池系统SOH表现出与其他固态电池非常明显的差异性,即全钒液流电池的SOH是可100%恢复的。     

钒氧化还原液流储能电池

介绍了钒氧化还原液流储能电池(VRB)的原理及特点,并与其他储能电池体系进行了比较;论述了VRB的国内外研发现状。由于VRB具有循环寿命长、能量效率高、深度放电性能好、运行费用少及环境危害小等优点,使VRB非常适合用于风力发电场及太阳能光伏发电站以及电网调峰等的储能,其开发及在储能领域应用具有十分重要意义。     

Modeling of a Vanadium Redox Flow Battery for power system dynamic studies

Vanadium Redox Flow Battery (VRB) is an electrochemical energy storage system based on a reversible chemical reaction within a sealed electrolyte. Several models have been developed which now offer a good understanding of the VRB operating principles; this knowledge is important to evaluate its performance when applied in power systems. However, these models depend on parameters that are difficult to obtain experimentally or in data sheets. In this regard, this article presents a new VRB model based on the stack efficiency curves, usually determined by the manufacturer. This model is especially useful for computing intensive applications, such as power system dynamic studies, in order to maintain a low run-time. Finally, the simulation results obtained through the proposed model are compared with laboratory results of an experimental VRB system, showing a striking resemblance with only a little relative error arising from them.     

Polymer Electrolyte Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries: Fundamentals and Applications

Electrochemical energy storage systems are considered as one of the most viable solutions to realize large-scale utilization of renewable energy. Among the various electrochemical energy storage systems, flow batteries have increasingly attracted global attention due to their flexible structural design, high efficiencies, long operating life cycle, and independently tunable power and energy storage capacity. Although promising, a number of challenges including the high cost of flow battery materials hinder the broad market penetration of flow battery technology. Polymer electrolyte membrane, as a key component in flow batteries providing pathways for charge carriers transport and preventing electrolytes crossover, takes over 25% of the entire cost of the battery system. Apparently, the membrane not only plays pivotal roles in the operation characteristics of a flow battery, but also largely influences the financial cost of the battery system. To provide insights and better understanding of membranes towards enhancing their performance and cost-effectiveness, we therefore present recent advances and research outcomes on the development of polymer electrolyte membranes as well as their applications in flow batteries, particularly all-vanadium redox flow batteries. Various aspects of polymer electrolyte membranes including functional requirements, characterization methods, materials screening and preparation strategies, transport mechanisms, and commercialization progress are presented. Finally, perspectives for future trends on research and development of polymer electrolyte membranes with relevance to flow batteries are highlighted.     

含液流电池的微网环境经济调度模型及应用

鉴于储能技术的应用可提高微网运行的经济性与可靠性,将含液流电池的微网作为研究对象,建立了基于机会约束规划的含液流电池的微网环境经济调度模型,该模型以微网运行成本与污染物治理费用最小为优化目标,以旋转备用容量在某一置信水平下满足系统可靠性要求作为概率约束条件,采用基于自适应变异的改进遗传算法对模型进行求解,并采用蒙特卡洛模拟法处理模型中的概率约束条件。实例应用结果表明,模型具有合理性与有效性。     

Towards understanding the poor thermal stability of V electrolyte solution in Vanadium Redox Flow Batteries

The V⁵⁺ electrolyte solution from Vanadium Redox Flow Batteries was studied by variable temperature ¹⁷O and ⁵¹V Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and density functional theory (DFT) based computational modeling. It was found that the V⁵⁺ species exist as hydrated penta co-ordinated vanadate ion, i.e. [VO₂(H₂O)₃]¹⁺. This hydrated structure is not stable at elevated temperature and change into neutral H₃VO₄ molecule via a deprotonation process and subsequently leading to the observed V₂O₅ precipitation in V⁵⁺ electrolyte solutions.     

脉冲负载下电网储能电池最优容量配置方法研究

针对传统脉冲负载下电网储能电池容量配置方法调频能力差、频率波动大的问题,研究了一种新的脉冲负载下电网储能电池最优容量配置方法。分析脉冲负载下电网储能电池多角度最优容量,判定储能电池的容量、有效功率、充放电速率,研究储能电池最优容量倍率特性,对脉冲负载下电网储能电池参与脉冲负载下电网进行两次调配,进而去除调频死区,实现电网储能电池最优容量配置。与传统方法进行实验对比,结果表明,研究的最优容量配置方法在负载脉冲下具有很强的电网调频能力,调频频率波动更小,为电网储能电池最优容量配置方法提供有利科学依据。     

基于改进型运行策略的独立微电网容量优化配置

建立独立微电网对于解决离岸岛屿等传统供电不便地区的可靠自主供用电问题具有非常显著的实用性。针对风/光/蓄/柴独立微电网,提出了一种考虑系统净负荷大小的改进型运行控制策略,通过权重法将系统经济性和环保性指标整合并加入可靠性经济惩罚共同作为优化目标,考虑多种约束条件,建立基于改进型运行策略的风/光/蓄/柴独立微电网容量优化配置模型,并采用混合量子遗传算法(HQGA)对我国沿海某岛地区独立微网实施优化配置。结果表明,与采用常规运行策略的配置结果相比,所提运行策略具有正确性和优越性。     

考虑下垂控制策略的孤岛微网最优潮流

考虑到孤岛微网与传统大电网最优潮流的不同,提出一种基于下垂控制策略的孤岛微网最优潮流,构建了下垂控制分布式电源的孤岛微网模型,并建立了以系统发电成本最小和负荷能力最大为优化目标的孤岛微网最优潮流,同时利用模糊数学方法对多目标函数进行了处理,并以改进的33节点微网为例进行仿真模拟,利用最优潮流的经典计算方法——内点法对模型进行求解。结果表明,所提优化方法在求解孤岛微网最优潮流方面具有有效性和实用性。