田 武，劉 莉，孫 峰，史松杰，田明輝

試驗研究

全釩液流電池仿真建模及充放電特性研究

田 武1，劉 莉1，孫 峰2，史松杰1，田明輝1

（1.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

在微電網(wǎng)的構(gòu)成中，儲能裝置是一個極其重要的單元。全釩液流電池作為一種較新的儲能設(shè)備，具有容量大、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長等優(yōu)點，并已被應(yīng)用于工程實際中。利用電力系統(tǒng)計算仿真軟件PSCAD／EMTDC建立了液流電池的仿真模塊。在此基礎(chǔ)上，搭建了352 kW的儲能仿真模型，著重研究了儲能系統(tǒng)中全釩液流電池在各種條件下的充放電特性。通過與實際系統(tǒng)的對比，驗證了所搭建模型的正確性和有效性。

全釩液流電池；充放電特性；儲能模型；PSCAD／EMTDC

在微電網(wǎng)的構(gòu)成中，分布式儲能系統(tǒng)是一個極其重要的組成部分［1-4］，其在微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島運行時起到削峰填谷及控制頻率和電壓幅值的作用。作為三大主要儲能電池之一的全釩液流電池，以其能量效率高、循環(huán)壽命長、可深度充放電、環(huán)境友好、易于維護(hù)和單位能量成本低等優(yōu)點，將成為電源調(diào)峰，光電大規(guī)模轉(zhuǎn)換，電動交通等領(lǐng)域最具發(fā)展前景的規(guī)模儲能技術(shù)之一［5］。檢驗全釩液流電池工作性能的一個重要指標(biāo)，就是其充放電特性。只有不同條件下的充放電特性均能滿足要求，才能作為合格的儲能電池。本文從全釩液流電池的等效電路模型入手，借助仿真軟件PSCAD／EMTDC，搭建了全釩液流電池各個主要PSCAD仿真模塊，并建立352 kW的儲能仿真模型。研究在不同參數(shù)下儲能系統(tǒng)中全釩液流電池充放電特性的2個重要指標(biāo)，電壓波形和荷電狀態(tài)波形。為充分了解全釩液流電池的工作特性及微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的搭建做出有益的補充和準(zhǔn)備工作。

1 全釩液流電池等效電路模型

全釩液流電池的等效模型有多種：文獻(xiàn)［6］從電化學(xué)的角度，構(gòu)造了液流電池的等效模型。文獻(xiàn)［7］根據(jù)液流電池工作的機械原理，建立了釩液流電池的機械模型。關(guān)于全釩液流電池的等效電路模型也一直在完善。本文的全釩液流電池等效電路模型如圖1所示。

在此等效電路模型中，Rreaction和Rresistive代表等效內(nèi)阻損耗。SOC（State Of Charge）稱為荷電狀態(tài)，其表示Cv2＋或Cvo2＋占正、負(fù)極中的總釩離子濃度的百分比。荷電狀態(tài)SOC與釩離子濃度之間的表達(dá)式為

圖1 釩液流電池等效電路模型

圖1 中，電池堆電勢可以等效為一個受控的電壓源。電池堆電勢Vstack與荷電狀態(tài)SOC間的關(guān)系可表示為

式中：Vequilibrium為單體釩液流電池正負(fù)極的標(biāo)準(zhǔn)電勢差；R＝8.314 J／K·mol，為摩爾氣體常數(shù)；F＝96 485.338 3 c／mol，是法拉第常數(shù)；T＝（t＋273.15）℃，為絕對溫度；Ipump與Rfixed表示可變、固定寄生損耗。Rfixed可由堆棧電壓和固定功率損耗算出，其對應(yīng)關(guān)系為

式中：Vb為VRB工作時的端電壓；K與泵損耗常數(shù)有關(guān)，由4%泵損耗算出。

2 全釩液流電池PSCAD仿真建模

本文選用352 kW液流電池建模，取PN＝352 kW，根據(jù)文獻(xiàn)［8］中Pstack的求解，代入數(shù)據(jù)可得

參考釩液流電池實際直流出口電壓范圍為400～680 V，選取電壓UN為540 V，則電流IN為652 A。仿真步長Δt取0.001 s，TN＝2 h。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過PSCAD軟件可以搭建SOC計算仿真模型，如圖2所示。

對于堆棧電壓Vstack與荷電狀態(tài)SOC，根據(jù)化學(xué)能斯特方程得到Vstack計算公式為式中：取t＝24.85℃；Vequilibrium＝1.302 V；堆棧數(shù)量取390，其他參數(shù)如公式（2）中所述。通過PSCAD可搭建Vstack仿真模型如圖3、圖4所示。

圖2 SOC計算仿真模型

圖3 堆棧電壓公式常數(shù)項仿真模型

圖4 堆棧電壓PSCAD仿真模塊

由于受控源輸出電壓電流為kV、kA級別，所以，對于Ipump與Vstack仿真模型中都需要乘以0.001來平衡受控源輸出量單位引起的誤差。將以上各仿真模塊組合，得到全釩液流電池PSCAD仿真模型。

3 儲能單元系統(tǒng)模型特性分析

3.1 儲能單元系統(tǒng)充電特性分析

設(shè)置儲能SOC＝0.2。先采用電流源進(jìn)行充電，在儲能系統(tǒng)端口處設(shè)置一直流電流源，主電路模型如圖5所示。

a.設(shè)定輸入電流源為0.079 kA，頻率為0 Hz，此時進(jìn)行充電。為方便比較不同電流情況下充電效果，分別令電流源電流為0.05 kA和0.09 kA，仿真得到堆棧電壓Vstack和電池電荷容量SOC變化波形如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，Vstack和SOC的上升速度、幅值變化大小，曲線的密疏與充電電流的大小成正相關(guān)。

圖5 儲能模塊主電路模型

圖6 充電電流源為0.079 kA、0.05 kA、0.09 kA時Vstack變化圖

圖7 充電電流源為0.079 kA、0.05 kA、0.09 kA時SOC變化圖

b.當(dāng)采用電壓源進(jìn)行充電時，主電路模型與電流源一樣。當(dāng)SOC＝0.2時，令直流電壓源功率為0.352 MW，取充電電壓分別為0.54 kV、0.5 kV、0.58 kV。通過仿真得到不同電壓下Vstack與SOC變化情況，如圖8、圖9所示。

通過對不同電壓下充電狀態(tài)分析可知，在功率一定的條件下，充電電壓越接近堆棧平均電壓540V，充電越緩慢。電壓過低則不會充電，在電池允許范圍內(nèi)，電壓越高，堆棧電壓與SOC變化越快。

圖8 不同充電電壓下SOC變化曲線

圖9 不同充電電壓下Vstack變化曲線

3.2 儲能單元系統(tǒng)放電特性分析

a.在圖5模型的基礎(chǔ)上，用外界電阻替換電池端口處的充電電源，測試電池在放電狀態(tài)下的輸出特性。通過電阻大小反映輸出功率大小。令輸出端口電阻分別為100Ω、1 000Ω、3 000Ω。不同電阻情況下的SOC與端口Udc變化曲線如圖10、圖11所示。

圖10 不同電阻情況下SOC變化曲線

圖11 不同電阻情況下Udc變化曲線

b.由圖10、圖11可知，外界電阻越大，端口輸出電壓越高，電壓曲線越密集且越趨近于開路電壓。同時，由于電阻大，致使輸出電流小，輸出功率變小，荷電狀態(tài)SOC下降速度變緩。

4 結(jié)束語

基于PSCAD／EMTDC軟件，建立了液流電池的各個仿真子模塊，在此基礎(chǔ)上，搭建了一個352kW的儲能系統(tǒng)仿真模型，對儲能系統(tǒng)中全釩液流電池在各種條件下的充放電特性，尤其是電壓波形和荷電狀態(tài)波形作了詳細(xì)研究。研究發(fā)現(xiàn)所建儲能單元模型的充放電特性符合實際要求，驗證了所搭建模型的正確性和有效性。為充分了解全釩液流電池的工作特性及微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的搭建做出了有益的補充和準(zhǔn)備工作。

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Research on VRB Simulation Model and Charge?discharge Characteristics

TIANWu1，LIU Li1，SUN Feng2，SHISong?jie1，TIAN Ming?hui1
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

In themicrogrid，the energy storage device is a very important unit.As a new energy storage device，all vanadium redox flow battery（VRB）has the advantages of large capacity，high conversion efficiency，long service life and are applied to practical engineer?ing.In this paper，the simulationmodel of VRB is established by using the power system calculation simulation software PSCAD／EMT?DC.Based on thismodel，a 352 kW storage simulationmodel is built and the charging?discharging characteristics of VRB under the dif?ferent conditions are researched in detail.The accuracy and effective of thismodel is verified by comparing with the actual system.

VRB；Charging?discharging characteristics；Energy storagemodel；PSCAD／EMTDC

TM911.1

A

1004-7913（2015）07-0009-03

田 武（1989—），男，碩士，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化研究。

2015-03-15）