莫 青，馬 軍，郭錦龍，王 偉，李愛魁

(1.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430074；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001)

釩電池儲能系統(tǒng)在城市微電網(wǎng)中的優(yōu)化應用

莫 青1，馬 軍1，郭錦龍2，王 偉1，李愛魁1

(1.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430074；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001)

為改善城區(qū)配電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量，提高可再生能源在綠色節(jié)能建筑總能耗中所占比例，依托實際城市智能微電網(wǎng)工程開展風光儲微電網(wǎng)的研究，重點分析全釩液流電池儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及運行模式控制等問題。通過實際運行分析，證明釩電池儲能系統(tǒng)在城市微電網(wǎng)應用中的可靠性和有效性。

釩電池儲能系統(tǒng)；城市微電網(wǎng)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；運行模式

智能微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，能實現(xiàn)內(nèi)部電源和負荷的一體化運行，并通過和主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，平滑接入主網(wǎng)或獨立自治運行，充分滿足用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性的要求[1]。在城市園區(qū)供電中，智能微電網(wǎng)可以在與大電網(wǎng)脫離后實現(xiàn)從并網(wǎng)到離網(wǎng)的無縫切換，由分布式發(fā)電或儲能系統(tǒng)維持區(qū)域內(nèi)所有或部分重要負荷的供電，發(fā)揮出智能微電網(wǎng)在提高供電可靠性方面的作用。儲能系統(tǒng)作為智能微電網(wǎng)中的核心組成部分，發(fā)揮重要作用。特別是隨著風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源的普及應用，其出力間歇性愈加嚴重，通過采用儲能系統(tǒng)能夠有效平滑可再生能源的輸出波動性，提高可再生能源的利用率，保證用戶用電的可靠、低碳和經(jīng)濟性[2-5]。因此，開展釩電池儲能系統(tǒng)在城市智能微電網(wǎng)中的優(yōu)化應用研究具有必要性。

本文以某城市風光儲微電網(wǎng)工程設(shè)計、建設(shè)和運行為例，以提高園區(qū)配電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量為目標，兼顧釩電池儲能系統(tǒng)運行特性，探討釩電池儲能系統(tǒng)在園區(qū)智能微電網(wǎng)中的關(guān)鍵部件設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和運行模式控制等問題，為未來釩電池儲能系統(tǒng)在城市園區(qū)智能微電網(wǎng)中的規(guī)模化應用提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 某城區(qū)微電網(wǎng)項目概述

某科技新城，占地面積66.8 km2，是一個城市功能完備的衛(wèi)星城，將容納30萬人口?？萍汲菍⒅攸c發(fā)展光電子信息、生物醫(yī)藥、能源環(huán)保、現(xiàn)代裝備制造和高科技農(nóng)業(yè)等五大產(chǎn)業(yè)。

本文選取該科技城新能源研究院主樓開展釩電池儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的優(yōu)化應用研究，為了充分發(fā)揮分布式發(fā)電接入對電網(wǎng)的積極作用，提高可再生能源在建筑總能耗中所占比例，科技城新能源研究院主樓建設(shè)一套含380 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)、12 kW垂直軸風力發(fā)電機組、100 kW/2 h釩電池儲能系統(tǒng)、微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)等部件的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，提供主樓重要負荷所需電能，提高配電網(wǎng)的供電可靠性，改善電能質(zhì)量?？萍汲侵悄芪㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 釩電池儲能系統(tǒng)關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)科技城新能源研究院主樓重要負荷功率大小(80 kW)和供電時間要求(2～3 h)，主樓微電網(wǎng)配置100 kW/2 h全釩液流電池儲能系統(tǒng)，包括由4個25 kW電堆串聯(lián)組成的電堆串、管路系統(tǒng)(含傳感器)、冷卻系統(tǒng)、釩電池電解液、100 kW儲能變流器(PCS)、儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)、配電柜等部分。在關(guān)鍵部件設(shè)計方面，重點對電堆結(jié)構(gòu)和儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

2.1 電堆結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計

電堆作為釩電池儲能系統(tǒng)的核心組件，其能量效率的高低直接影響到儲能系統(tǒng)的運行效率[6]。在電堆材料性能暫時無突破性進展的情況下，電堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高系統(tǒng)能量效率的一個突破口。針對電堆支路電流對系統(tǒng)電流效率和能量效率的負面影響，基于前期工作基礎(chǔ)[7]，對25 kW電堆進行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。25 kW電堆由52節(jié)單電池組成，其中26節(jié)單電池組成一個模塊，兩個模塊之間通過隔板串聯(lián)。25 kW電堆性能參數(shù)如表1所示。

2.2 儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)主要提供微電網(wǎng)管理系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)之間信息的“上傳下達”作用，其一方面需要接收上級微電網(wǎng)管理系統(tǒng)的調(diào)度指令，把電網(wǎng)調(diào)度指令分配至各個儲能支路，另一方面需要實時采集釩電池儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，把相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上級微電網(wǎng)管理系統(tǒng)。在主網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)系統(tǒng)必須快速、穩(wěn)定、可靠地由并網(wǎng)狀態(tài)切換到離網(wǎng)狀態(tài)(并離網(wǎng)切換時間≤20 ms)，此過程必然對儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)信息“上傳下達”的實時性提出更高要求。為滿足上述要求，在微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計過程中除考慮硬接點的優(yōu)化設(shè)計外，儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)平臺的調(diào)整也具有必要性。

基于此考慮，為了保證微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的實時性和可靠性，摒棄了傳統(tǒng)的PLC工作系統(tǒng)，改為采用基于VxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式平臺[8-9]?；赩xWorks操作系統(tǒng)的嵌入式平臺的儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)主要上傳下達的信息如表2所示。

圖2 儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

表2 儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)上傳下達的信息

3 釩電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化

根據(jù)科技城新能源研究院主樓微電網(wǎng)系統(tǒng)整體建設(shè)方案，100 kW/2 h釩電池儲能系統(tǒng)布置于地下環(huán)形停車場內(nèi)，占據(jù)4個扇形停車位，層高2 m，共計面積78 m2?？紤]到占地為非規(guī)則性布局，為合理、充分地利用空間面積，針對釩電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局進行了優(yōu)化設(shè)計。

100 kW/2 h釩電池儲能系統(tǒng)包括由4個25 kW電堆串聯(lián)而成的電堆串、管路系統(tǒng)(含傳感器)、冷卻系統(tǒng)、電解液、儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)及配電柜等部分。每個電堆布置于一個電堆支架中，電堆支架為模塊化結(jié)構(gòu)。電堆機架采用框架式結(jié)構(gòu)，4個電堆依次水平擱置于噴涂有耐腐蝕油漆的電堆機架中部，總正、總負電解液進出管路(DN100)均布置于電堆后部，并通過連接于電堆機架上的支架進行支撐，防止總進出液管路由于重力引起彎曲變形造成的電解液泄露。電堆進出液管(DN25)通過電堆上方和下方布線與總進出液管路連接。

通常情況下，釩電池電解液適宜的工作溫度為5～35℃，過高或過低都會引起電解液結(jié)晶析出，影響系統(tǒng)的正常運行。為控制正負極電解液運行溫度在合理范圍內(nèi)，在電堆正負極出液管路和儲液罐正負極回液管路之間各安裝有一套通過循環(huán)水進行冷卻的臥式換熱器，外接的循環(huán)泵驅(qū)動循環(huán)水流過臥式換熱器，帶走電解液散發(fā)的熱量，從而降低電解液溫度。循環(huán)水流量和流速由儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)基于電解液溫度進行合理控制。

為實時準確了解釩電池儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)，管路系統(tǒng)上布置有耐腐蝕帶信號輸出的傳感器，包括溫度傳感器、電位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器及變頻器等。傳感器監(jiān)測的運行狀態(tài)信息均上傳至儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)?；谪摵晒β首兓蛯目刂撇呗裕瑑δ芫偷乇O(jiān)控系統(tǒng)下傳信號給變頻器控制循環(huán)泵流量在合理范圍內(nèi)，達到電解液流量隨著負荷功率變化而智能調(diào)整的目的。

考慮高度限制以及電解液容量需求，電解液儲液罐采用臥式結(jié)構(gòu)。儲液罐頂部和側(cè)面分別配置有檢修口、回液口以及U形液位管。通過U形液位管能夠?qū)崟r觀察電解液液位變化情況，在正負極電解液明顯失衡情況下，需要對其進行再平衡。

電堆正負極耳引出的電纜采用電堆上方的橋架敷設(shè)至PCS接線端子，實現(xiàn)強電和弱電(信號線)有效隔離。儲能系統(tǒng)防雷和接地設(shè)計按照現(xiàn)行國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057和《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》GB 50065的規(guī)定執(zhí)行。

4 釩電池儲能系統(tǒng)運行模式

4.1 并網(wǎng)運行模式

在主網(wǎng)正常的情況下，分布式發(fā)電并網(wǎng)運行，其所發(fā)電能全部送上主樓380 V配電系統(tǒng)。其中，光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行模式可為：

(1)平滑功率輸出模式。當白天日照強度高，發(fā)電超過額定功率的80%(上限可調(diào))時，對儲能系統(tǒng)進行充電；當日照強度低，發(fā)電低于額定功率的50%(下限可調(diào))時，儲能系統(tǒng)運行在放電模式，達到最大放電深度(可調(diào))時，停止放電。

(2)削峰填谷模式。晚上負荷低時電網(wǎng)對儲能系統(tǒng)進行充電，白天負荷高時由儲能系統(tǒng)放電以增加出力，改善電力的供需矛盾，提高發(fā)電設(shè)備的利用率。

4.2 微電網(wǎng)(孤網(wǎng))運行模式

當主網(wǎng)發(fā)生故障或處于檢修狀態(tài)時，分布式發(fā)電采用微網(wǎng)孤島運行方式，選取機房、照明電源等大樓重要負荷作為微網(wǎng)的負荷。斷開與主網(wǎng)的連接開關(guān)，根據(jù)發(fā)電能力、儲能容量及負荷情況構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過微電網(wǎng)運行控制，實現(xiàn)風光儲協(xié)調(diào)運行、儲能優(yōu)化運行、離網(wǎng)削峰填谷等不同運行方式，滿足微網(wǎng)負荷的可靠供電，實現(xiàn)無縫切換。通過微電網(wǎng)孤島運行最大限度提高能源的利用率節(jié)能減排，同時提高供電可靠性。

5 釩電池儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的實際運行分析

100 kW/2 h釩電池儲能系統(tǒng)從2013年12月投運至2014年1月，完成充放電循環(huán)次數(shù)25次，累計發(fā)電量5 030 kWh，充電量6 770 kWh，綜合能量效率為74.3%?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，釩電池儲能系統(tǒng)各設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，接入電網(wǎng)公共連接點電能質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標準，其余性能指標達到設(shè)計要求。

示范運行階段，重點對釩電池儲能系統(tǒng)并離網(wǎng)運行模式的無縫切換進行了測試。測試表明，系統(tǒng)并離網(wǎng)切換時間小于100 ms，并離網(wǎng)切換過程中主樓重要負荷無斷電發(fā)生，保障了園區(qū)的供電可靠性，測試數(shù)據(jù)如圖3所示。在儲能系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)失電后，PCS可迅速改變狀態(tài)，系統(tǒng)在空載或者帶載情況下均能轉(zhuǎn)入離網(wǎng)狀態(tài)，并正常運行；而當網(wǎng)側(cè)恢復供電后，儲能系統(tǒng)會恢復到網(wǎng)側(cè)供電模式，離網(wǎng)運行結(jié)束。

圖3 并離網(wǎng)無縫切換

基于釩電池儲能系統(tǒng)工程前期的示范運行，針對儲能系統(tǒng)工程應用在如下方面可實現(xiàn)進一步的優(yōu)化。

(1)為實現(xiàn)釩電池儲能系統(tǒng)的無人值守和實時監(jiān)測，在系統(tǒng)設(shè)計中，可考慮增加系統(tǒng)工作狀態(tài)信號的無線傳輸功能，如釩電池儲能系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)通過無線等方式傳輸至業(yè)主或設(shè)計人員手機相應的APP程序中，通過手機APP程序能夠?qū)崟r監(jiān)控儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)。

(2)為保證所有電堆進液流量的均一性，降低濃差極化效應，改善傳質(zhì)過程，進而提高電堆效率，可在電堆進液管處安裝電動閥門(帶比例調(diào)節(jié)閥)，配合電磁流量計，在儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下實現(xiàn)所有電堆進液流量的均一。

(3)電解液在經(jīng)過長期化學反應后有可能產(chǎn)生或引入雜質(zhì)，包括副反應產(chǎn)生的雜質(zhì)如高低溫下的釩結(jié)晶體、材料腐蝕產(chǎn)生的雜質(zhì)如石墨氈纖維、維護過程帶入的雜質(zhì)等。因此，電解液在經(jīng)過長期運行后，需要對其進行過濾除雜。設(shè)計中可在儲液罐出液管處并聯(lián)備用出液管，其中過濾裝置設(shè)置于備用出液管上，通過球閥能夠?qū)崿F(xiàn)電解液快速在線過濾。

(4)為降低支路電流對儲能系統(tǒng)效率的負面影響，除了在電堆結(jié)構(gòu)方面進行改進外，還可以通過增加支路管路的電阻實現(xiàn)，如加長支管長度、縮小管徑以及破壞電解液連續(xù)流動等方式。

(5)正常情況下(并離網(wǎng)無縫切換需要)，釩電池儲能系統(tǒng)一直處于運行狀態(tài)(充電、放電或待機)，即電解液循環(huán)泵一直處于開啟狀態(tài)，其作為機械部件，長期運行必然會引起壽命縮短。鑒于此，在系統(tǒng)設(shè)計中，可考慮加入循環(huán)泵雙備份設(shè)計，即正負極循環(huán)泵各兩個，備份循環(huán)泵在主循環(huán)泵出現(xiàn)故障的情況下可快速啟動。

6 結(jié)論

本文立足于科技城風光儲微電網(wǎng)工程設(shè)計、建設(shè)和運行，從關(guān)鍵部件設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及運行模式控制等方面對釩電池儲能系統(tǒng)在城市微電網(wǎng)中的應用進行了分析，重點對電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計、儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、釩電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及運行模式分析開展了相關(guān)研究。實際運行表明，釩電池儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的合理調(diào)度和儲能就地監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，實現(xiàn)并網(wǎng)運行和微電網(wǎng)(孤網(wǎng))運行兩種工作模式的智能切換，能夠有效提高城市園區(qū)可再生能源發(fā)電利用率，改善城市園區(qū)配網(wǎng)供電可靠性和電能質(zhì)量，可安全、可靠、有序運行。

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Optimal application of VRB energy storage system for urban microgrid

To solve the power supply reliability and power quality,a research on wind-solar-storage microgrid was made based on the engineering practice on the urban microgrid.The design of key components, structure optimization and operation modes of the VRB energy storage system were analyzed.The actual operation analysis demonstrates the practicability and effectiveness of the application of VRB energy storage system in microgrid.

VRB energy storage system;urban microgrid;structure optimization;operation modes

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1233-04

2015-12-08

山西省電力公司科技項目(WNJ131-0071)；中科院-湖北省2013年院地合作項目(WNZ141-0030)

莫青(1964—)，女，湖南省人，高級工程師，主要研究方向為節(jié)能技術(shù)及電力儲能系統(tǒng)。

馬軍，E-mail：majun@sgepri.sgcc.com.cn