第3章 全钒液流电池储能系统

全钒液流电池技术是目前各类型液流电池技术中最为成熟的技术。因其具有优异的安全性、长寿命、绿色环保等特性被普遍认为是大规模储能技术的首选之一。自从20世纪80年代提出全钒液流电池概念以来，国内外学术界及产业界针对全钒液流电池技术开展了较为系统的研究及开发。在全钒液流电池电化学反应机理、关键材料开发、能效转换效率影响因素及规律、电堆设计及优化原则等方面已经形成了丰富的积累，为全钒液流电池技术产业化奠定了良好基础。中国科学院大连化学物理研究所张华民研究员于2015年编著了《液流电池技术》一书，针对上述内容进行了深入而详尽的阐述。如需了解上述内容相关信息，请参考《液流电池技术》专著。本书将重点围绕全钒液流电池储能系统产品构成、运行管理及优化进展等方面开展论述。

纵观国内外已经实施的全钒液流电池储能系统示范项目或商业化项目，尤其是规模较大的储能系统项目，全钒液流电池储能系统的建设通常采用模块化设计、分层分级管理的思路。根据我国国家标准《全钒液流电池 术语》（GB/T 29840—2013）的定义，全钒液流电池储能系统是与电网直接连接的可以实现储存/释放能量功能的系统，该系统包括全钒液流电池、交流/直流逆变装置在内［1］。全钒液流电池储能系统在能量管理系统的调度管理下，实现预先设置的运行模式和功能。全钒液流电池储能系统结构如图3-1所示。根据功率和容量规模配置的不同，全钒液流电池储能系统由多套单元电池储能模块、能量管理系统、并网变压器、交流母线及主变压器等构成。多套单元电池储能模块通过变压器以并联方式汇入交流母线，然后通过储能系统主变压器升压接入电网。单元电池储能模块作为全钒液流电池储能系统中可以独立调度的最小单元，即可被单一启动、停止和充放电，也可以多套储能模块同时被调度，统一启动、停止和充放电。单元电池储能模块自身运行状态接受电池管理系统（Battery Management System，BMS）的调节管理，整个储能系统的运行调度接受能量管理系统（Energy Management System，EMS）统一调度管理，BMS与EMS之间通过通信实现电池运行状态信息的上传，并接受EMS的相关指令。EMS接受远程指令，比如电网调度中心AGC和AVC指令，根据电网运行需求调度整个储能系统完成参与电网调峰、调频以及调压等功能，促进电力系统运行稳定和经济性，极端情况下可以作为备用电源为重要负荷提供电力，改善供电可靠性。

图3-1 全钒液流电池储能系统结构示意图

单元电池储能模块是全钒液流电池储能系统的重要组成部分，也是整个储能系统实现相关功能的核心部分。单元电池储能模块由电池单元、电池管理系统（BMS）和储能变流器（Power Conversion System，PCS）构成，其中全钒液流电池单元由电堆（功率单元）、电解液及储罐（储能单元）、电解液管路以及泵阀等（电解液输送单元）构成。为了满足一定的电压及功率需求，全钒液流电池单元通常由两个或多个子单元串联构成。子单元功率单元由多个电堆串并联而成。为降低全钒液流电池单元内部的漏电损耗，根据全钒液流电池系统漏电规律和特点，每个子单元配置一套独立的储能单元和电解液输送单元。各子单元间电气串联，储能单元和电解液输送单元各自独立。子单元串联后，正负极母线接入储能变流器（PCS）直流侧。储能变流器具备整流和逆变的双向功能，其交流侧接入储能系统的交流母线，如图3-2所示。

图3-2 全钒液流电池单元示意图