（1.上海前威新能源发展有限公司,上海 202177;2.上海林洋储能科技有限公司,上海 201201）
摘要：本文以流体钒电池为核心，探讨了流体钒电池关键材料、电堆及系统的产业化要求，分析电池管理系统和双向逆变器应具备的监控功能，提出电网接入系统标准要求，籍此介绍了上海前威新能源发展有限公司、上海林洋储能科技有限公司在流体钒电池系统研发、生产、应用等方面充分合作所作的细致工作。
关键词：流体钒电池；关键材料；电池管理；双向逆变器；接入标准
作者简介：戴成鸿（1955-），男，工程师，从事太阳能、风能储能技术现场管理工作
Study on the Application of Vanadium Flow Battery Energy Storage System
DAI Cheng-hong1, ZHOU han-tao2
(1. Shanghai Qianwei New Energy Development Co., Ltd., Shanghai 202177, China
2. Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 201201, China)
Abstract: Based on careful and thorough cooperation works of battery management system, power conditioning system as well as system standard for interconnecting distributed resources with electric power systems by Shanghai Qianwei New Energy Development Co., Ltd. and Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., this article discuss the technology requirements on the its key materials, stack and system of vanadium flow battery from application point of view.
Key words: vanadium Flow Battery；key materials；battery management；power conditioning system；connection standard
引言
众所周知，发电必须与用电时时匹配。发电场装机容量通常是固定不变的，但是每天用电高峰一般在白天至傍晚，后半夜则是低谷，而每年的用电高峰时期在夏季伏天，时间很短，因此发电公司为解决峰值用电问题，装机容量远高于平均用电量，一次性投入大资产利用率低，即便如此在紧张时期还需要大范围拉闸限电保证民用，给工业生产造成很大影响。另外太阳能发电输出不稳定，风力发电与用电需求时差矛盾突出，影响并网推广。基于流体钒电池的储能系统，具有储能功率大、功率与容量独立设计、充放电响应时间短、储能效率高、使用寿命长、充放电性能稳定、易于监控、工作条件温和、无起火爆炸危险、环境友好、回收再利用方便等优点，能有效配合电网削峰填谷降低发电机组损耗，达到稳定电网、提高电网效率的目的，加快风力、太阳能等间歇式新能源发电的并网推广，促进智能电网建设，解决海岛、基站、哨所等离网场合的电力供应等等。
本文从应用角度针对流体钒电池的关键材料、电堆及系统、电池管理系统、双向逆变系统展开论述。
一、流体钒电池关键材料
对于所有利用标准模块串并组合成储能系统的技术，关键材料性能一致性是非常关键的也是最根本的。目前钠硫电池、锂电池、流体钒电池被认为是能构建规模化储能系统的主要电池技术。从目前情况来看，这些技术首先要解决关键材料的一致性问题，如果没有从材料这一基础上解决，仅从后续的管理系统上着手是达不到大系统高效、安全、长寿命需求的，这已是全球储能行业众多商家在深入发展各自的储能技术特别是规模化应用之后所达成的共识。我们在关键材料上制定了严格的生产工艺要求和技术标准，以满足大型储能系统的构建要求。流体钒电池的关键材料主要有四种：电解液、电极、双极板、隔膜。
1．电解液
电解液是流体钒电池的储能介质，对原材料质量控制、制备工艺控制、浓度选择及后处理都有严格要求。其原材料有五氧化二钒、硫酸、二氧化硫，五氧化二钒纯度需控制在99.8%以上，硫酸用分析纯。电解液的生产工艺是先将五氧化二钒同硫酸、二氧化硫反应生成四价钒，然后进入下一步工序电解成三价钒。电解液生产必须考虑二氧化硫气体的回收及五氧化二钒、硫酸等原材料的采购、运输、储存、使用等问题，涉及相关的环评、安评。我们建立了原材料采购标准及评测实验室，搭建了2吨/批电解液中试生产成套设备，并制定相关工艺流程及操作细则，将二氧化硫回收转为其它化工产品生产原料，通过了电解液生产的环评、安评审批，既保证了电解液质量，也杜绝了整个工艺流程任何废弃物排放。另外电解液的浓度选择（钒浓度，硫酸浓度，关键杂质离子控制）对电池系统运行的稳定性至关重要，需要在电解液失衡、温度稳定性、电性能三个方面平衡。
2．电极
作者认为，目前流体钒电池一致性最大的瓶颈在于如何保证电极材料的物理结构一致性。电极物理特性特别是不同区域的孔隙率、平面厚度保持一致性非常重要。其原因是电解液流过电极不同区域时的阻力不一致，因此流量不一致，导致传质极化不一样，甚至有可能形成死区，对电池的寿命损害极大。另外电极和双极板材料匹配时，厚度的差异过大会导致双极板在装配或使用过程破损，造成电堆内漏，电堆失效。针对这些问题，我们与电极生产厂家制定了严格的原材料生产工艺标准，特别涉及保证孔隙率一致性以及平整性。初级原料还需要进一步精加工，控制厚度均匀性，为此我们专门设计了厚度处理机械设备，保证电极厚度控制在±10丝以内，然后再需要经过严格的程序清除残留在电极中的碎纤维。
3．双极板
双极板是分隔两个单电池的关键部件，需要在机械强度、柔韧性、导电性、与电极框材料的兼容性四个方面平衡，主要分为三种：硬质石墨板、柔性石墨板、塑性导电板。硬质石墨板成本太高质地太脆，与电极框材料没有兼容性，密封问题突出，影响后续的装配、运输，完全不能适应流体钒电池产业化要求，特别是单节面积很大的流体钒电池，目前还有没厂家能够提供相对应的板材。柔性石墨板采用天然石墨层压制造，其最大的问题在于长期置于电解液中容易溶胀，边角易破损，机械强度不够，与电极框材料完全不兼容，密封困难。所以我们采用塑性导电板方案，它的优点能很好地平衡机械强度、柔韧性、导电性以及与电极框材料的兼容性，涉及配方、厚度的选择，为保证板材的一致性，需要仔细选择连续化工业生产设备混炼造粒机及连续成型机。
4．隔膜
目前，隔膜是流体钒电池成本结构中最大的一块，分为阳离子膜和阴离子膜两种。美国杜邦生产的Nafion阳离子膜物理和化学一致性都非常好，但Nafion膜也有其缺点，如对水非常敏感，尺寸变化较大，给电堆装配造成很大影响，甚至影响电堆中单电池的流体分配均匀性，另外Nafion膜的电流效率在97%左右，对电解液失衡及容量衰减的影响较大。目前阳离子膜还需要大幅降低价格，解决溶胀性问题，提高电流效率。阴离子交换膜正好弥补阳离子膜性能上的缺陷，成本及价格也要低。德国FuMA公司生产的阴离子膜的采用连续成型工艺，电流效率在99.5%以上，对水不敏感，有非常好的市场潜力，目前唯一需要确认的是其连续使用寿命，正在测试之中。中科院大连化学物理研究所已经研究出实验室级别高性能阴离子交换膜，假以时日在批量连续成型工艺上再取得突破，对流体钒电池的产业化推进帮助极大。作者认为，隔膜的树脂技术已经不是问题，成本也不是问题，关键是国产膜必须在连续成型工艺上取得突破，能生产出性能一致的工业化膜产品，才能打破国外产品的销售价格坚冰，将流体钒电池系统成本控制在每千瓦时五千以内。
二、流体钒电池电堆及系统
1．电堆设计
流体钒电池电堆需要解决以下几个问题：电堆外形；组装结构；电极框结构。
电堆外形首先要考虑其视觉效果，这是所有工业化产品都非常注重的，尤其是发达国家对商品的美学考虑十分到位，也是国内比较欠缺的。另外电堆的外形还要考虑方便运输、安装、维修，在电堆外形成型时，其运输、安装、维修的方案也应该同时完成。
电堆的组装结构第一关系到组装是否顺畅，如果组装结构不合理，会极大影响装堆的质量及时间，组装过程越简单越可行越可靠，为此要需要制定专门的组装工艺流程。第二，电堆运行过程由于温度波动热胀冷缩，内部受力和部件尺寸会有相应变化，电堆的力学设计就显得非常重要，首先需要测试组装的力有多大，其次组装螺杆的数量、粗细、位置都要精确计算，再次，螺杆的压力弹簧垫是维持电堆运行稳定的关键元件之一，压力弹簧垫的正常工作区间需要与电堆的力学变化区间相匹配，最后，电堆端板的材质、厚度、强度、重量需要仔细衡量。第三，维修拆堆是否方便，如果结构设计不合理，电堆拆卸后很多并没有损坏的元器件都需要更换，会造成非常高的更换成本，实用性差。
电极框结构涉及效率结构、密封结构、注塑结构以及注塑材料。电极框结构首先考虑电堆性能需要，解决传质和漏电电流之间的矛盾，选取合适和流道尺寸，其次是密封结构，包括内、外密封结构，软密封与硬密封的结合，密封防线的多重设置。设计工作的第一步是采用机械加工的方式制造电极框，通过装堆、测试运行证明是可行的，第二步增加合理的注塑成型结构，方可开模注塑，从设计到完成整个过程至少需要六个月的时间。流体钒电池电堆是由几十片电极框组成，对其精度要求很高，而电极框是塑料的，精度控制很难，大批量生产必须采用注塑的工艺。电极框的注塑材料需要与双极板的塑性材料匹配，在组装电堆之前双极板与电极框已经焊接，因此单片电池之间不需要其它的密封方式。
2．电池系统设计
电池系统设计涉及泵、管路、储罐以及冷却系统。
泵选型与电极框的流道设计有很大相关性，其流量应该能满足电堆工作需要，太低了电池性能差，电解液利用率低；流量太高电堆内部压力太大，对电池的密封、外部管路的密封和双极板的机械性能要求越高。因此泵的选型也是需要平衡的，需要考虑电池效率、密封、稳定性等等多重因素。
管路主要涉及尺寸、密封方式、传感器位置及连接等等。储罐主要涉及尺寸、密封性、正负互通、排液、进液方式、冷却系统等等。由于流体钒电池电解液对高温敏感，因此需要温控系统控制电解液温度在合适的范围内。电解液温度采取储罐内控制，而不是在管路中控制（散热面积小，流体阻力大，损耗较大）。储罐进液方式采用偏离中心的低处水平进液，让电解液在储罐内旋转流动，既可以保证冷却器的冷却效果，又不形成死角。
如下为10kW电堆测试性能表以及储能系统的框架图，在10kW额定功率下工作时，能量效率在80%以上。
表1 10kW电堆测试性能
|
电流 |
150A |
175A |
||||||
|
循环 |
输出功率 /kW |
电压效率 /% |
电流效率 /% |
能量效率 /% |
输出功率 /kW |
电压效率 /% |
电流效率 /% |
能量效率 /% |
|
1 |
9.46 |
86.8 |
95.2 |
82.7 |
11.02 |
85.1 |
95.7 |
81.4 |
|
2 |
9.48 |
86.9 |
95.5 |
83.0 |
11.03 |
84.8 |
95.8 |
81.2 |
|
3 |
9.39 |
87.1 |
94.6 |
82.5 |
11.04 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
4 |
9.48 |
86.9 |
95.5 |
82.9 |
11.02 |
84.9 |
95.7 |
81.2 |
|
5 |
9.49 |
86.9 |
95.6 |
83.1 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
6 |
9.47 |
87.1 |
95.3 |
83.0 |
11.01 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
7 |
9.48 |
86.9 |
95.4 |
82.9 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
8 |
9.49 |
86.9 |
95.5 |
83.0 |
11.01 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
9 |
9.47 |
87.1 |
95.4 |
83.0 |
11.03 |
84.9 |
95.9 |
81.4 |
|
10 |
9.48 |
86.8 |
95.4 |
82.9 |
11.00 |
84.8 |
95.7 |
81.2 |
|
平均值 |
9.47 |
86.9 |
95.4 |
82.9 |
11.02 |
84.9 |
95.8 |
81.3 |
三、电池管理系统功能设计
流体钒电池要具有实际应用价值，其本身必须有一套电池管理系统（BMS），用以实现电池系统的自动化运行监控。我们的管理系统包括传感器、信号转换、控制器、执行单元和人机界面，通过其实现：对电池的启动、停止和保护；控制电池的运行逻辑；监测和控制电池运行参数；充当中间站，实现储能系统各个部分的连接。BMS主控制器为可编程逻辑控制器（PLC），所有过程控制和保护系统都由PLC提供，有本地硬盘数据记录，掉电后数据不会丢失。
1． BMS功能设计
BMS通过设定，提供所有的过程控制需求，包括电解液供应系统、电堆的控制。细分如下：操作方式选择；设备的开启和关闭；安全报警和跳闸；流入电堆的电解液温度和流量控制；开/关所有电动阀门；充放电状态的确定；和双向逆变器（PCS）的通信；与后台的通讯，向远程终端提供数据及报警信息。
2． 设计指标
BMS系统采用可编程逻辑控制器，关联相关输入参数，判断电池的运行状态，对超出正常值和关联关系异常的参数启动相应执行单元（高低电平的硬接点输出及接触器控制），实现系统启停和保护。BMS采用闭环控制，实时监测电池各个参数，通过继电器、接触器、冷水机、变频器、泵，实现各个电池参数控制在最佳状态。BMS与PCS连接的通讯接口为RS485，使用MODBUS规约，BMS与PCS为高低电平的硬接点控制，为远程监控提供定制的报告和报警功能。
如下表所示为流体钒电池BMS待测量及性能指标：
待测量名称
待测量被测点
测量范围
采集分辨率
精度等级
电解液温度
管路2处罐内2处
0～100 ℃
0.03 ℃
1%
压力
管路2处
0～300 kPa
0.09 kPa
1%
流量
管路2处
0～25 m3/h
0.006 m3/h
1%
液位
罐顶2处
0～2 m
0.0005m
1%
电流
动力线正极接线端1处
-300～+300A
0.3A
1%
电压
单电堆电压
0～80V
0.03V
0.5%
3． 操作方式
BMS 管理系统采用手动和自动两种方式，电池调试、检修时用手动，系统启动后，电池运行正常，采用自动控制，无需人工干预。管理系统支持就地和远程控制。远程控制通过将数据传给后台，再由后台为客户或现有的控制系统提供数据交换信息。远程模式下，命令和设置点会被下载到PLC上，PLC再向客户提供运行数据，包括所有过程参数值、状态信息、报警信息。
4． 紧急停机开关
系统提供紧急停机开关，不管BMS处于何种状态，启动急停开关后，BMS将导致下列动作发生：双向逆变器（PCS）快速关闭；所有泵迅速减速；所有电动阀门随后关闭。一旦启动紧急停止开关，整个系统只有在错误清除后才能够重启。重启需要手动操作。
5． 抗干扰措施
由于BMS属于弱电范畴，容易受到PCS的强电干扰，若控制信号失真，势必影响系统的正常运行，甚至系统崩溃。因此我们在如下几个方面保护BMS的正常运行：并联单点接地；屏蔽信号线；通信采用屏蔽双绞线；传感器，信号转换，执行单元EMC均遵照国标三级标准。
图一张：BMS控制箱内部结构
四、电网接入系统标准
1.流体钒电池储能系统PCS设计
PCS用于储能装置与电网系统之间的双向能量传输，充电时PCS将系统交流整流为直流给电池充电，放电时PCS将电池的直流电逆变为交流电上送电网。根据流体钒电池充放电特性和并网要求，以往单向PWM整流器和单向PWM逆变器将不再适用。而传统的DC/AC也影响输出的电压等级，加大控制难度，造成更大的功耗。双向DC/DC是大多数二次能源发电时需要添加的模块，以解决其特性较软的特点。我们的PCS采用双向DC/AC逆变器，在双向DC/AC与钒电池系统中间添加一级双向DC/DC电路。
1.1双向DC/DC电路设计
双向DC/DC电路的拓扑为双向Buck-Boost电路，如图2所示，两个IGBT为互补PWM工作。调整PWM占空比大小，控制能量在直流总线和电池之间流动。
图2双向DC/DC电路部分原理图
如图2所示，当处于电池放电状态时，上桥臂二极管有电流通过，开关管关断，下桥臂开关管工作于PWM模式，二极管关断，即DC/DC工作于Boost状态；当电池充电时，上桥臂开关管工作于PWM模式，二极管关断，下桥臂二极管有电流通过，开关管关断，即DC/DC工作于Buck状态。电池侧的电抗起平滑波形作用。
1.2双向DC/AC电路设计
图3 双向DC/AC电路以及与电网的连接部分原理图
双向DC/AC整流/逆变电路与电网之间的连接如图3所示，电路主要为三相PWM整流器结构。图3中所示隔离变压器T主要起匹配电压和隔离作用，同时也充当交流滤波器。设计变压器时，添加漏感Ld的设计，Ld和电容C1,C2,C3构成交流滤波单元。当PCS以孤岛方式工作时，孤岛QF把孤岛负载和电网隔开，以防电网突然恢复对系统有冲击。
1.3控制策略
采用直流电压（或电流）外环和交流电流内环的控制方法，以满足电池充电的要求。外环采用PID线性控制器，目的是使直流电压稳定于参考值。内环的作用是依照外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制。孤岛运行时也采用双环控制方法，外环为输出的交流电压有效值，内环为输出交流电压瞬时值。
2.系统运行实验报告
以崇明前卫村50kW柔性储能输电系统为例，其主要技术参数如下：额定工作电压380V，额定容量50kW，直流侧电压35V-400V，直流侧电流10A-100A。实验结果如图4、5、6所示。
图4 恒流60A充电波形
图5 孤岛运行输出功率12kW电压及电流波形
图6 并网恒流放电电流THD曲线
试验结论：由图4可见PCS输出纹波系数小；图5为孤岛运行输出功率12kW电压及电流波形，负载端采用三相较均衡的电阻负载，输出电压无超调，波形平滑，完全能满足孤岛运行的要求；由图6可见并网恒流放电电流总谐波畸变率THD满足国际上对并网逆变器馈入电网的电流规定。实验表明，该柔性储能输电系统运行灵活，可以实现将多余电力储存，在用电高峰时放出的目的，节约能源。
五、小结
本文涉及的流体钒电池储能系统以相关的国家标准和行业标准为基准，以实用性为目标，前期进行周密的设计、模拟计算、分析，结合先进的规模化加工制造设备及技术，以及详实有效的验证手段来实现产品的研发和生产，对相关PCS厂家提出与流体钒电池系统配套的电网接入标准要求，通过示范应用对产品进行严格的应用性能测试和系统优化升级，已经具备产业化推广的价值，也希望本文对从事流体钒电池储能事业的同仁有所帮助。
感谢上海市经信委对上海崇明前卫村兆瓦级太阳能光伏电站钒液流储能试验基地项目的大力支持，感谢上海绿能环保能源科技有限公司在储能应用项目上的全力支持。
