賈 華，安 婷，張 飛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

釩液流電池在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行中的仿真研究

賈 華，安 婷，張 飛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

隨著越來(lái)越多大規(guī)模光伏、風(fēng)電等新能源的并網(wǎng)運(yùn)行，其輸出功率隨機(jī)波動(dòng)性給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)的影響也愈發(fā)嚴(yán)重，利用儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)平滑風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站輸出功率的波動(dòng)是有效手段之一，對(duì)儲(chǔ)能媒介建模及其控制的深入研究至關(guān)重要。介紹了釩液流電池(Vanadium Redox Flow Battery，VRB)的工作原理，在Matlab/Simulink中建立其模型，得到在恒流充放電條件下VRB堆棧電壓變化曲線。將該模型應(yīng)用在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式中，證明了其可行性。

全釩液流電池；微電網(wǎng)；并網(wǎng)；運(yùn)行

微網(wǎng)作為一種新型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠完成自我控制、管理和保護(hù)工作，既可以與大電網(wǎng)斷開(kāi)連接、單獨(dú)工作，也可以與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，其運(yùn)行方式的靈活性大大提高了負(fù)荷側(cè)的供電可靠性。我國(guó)地緣廣闊，部分地區(qū)自然條件惡劣，難以保證理想的供電，提高供電可靠性的成本又十分昂貴，若能在負(fù)荷集中的區(qū)域建立微電網(wǎng)，并與儲(chǔ)能系統(tǒng)配合工作，可為用戶提供一定的用電保障。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中有十分廣闊的市場(chǎng)前景。鑒于釩液流電池 (Vanadium Redox Flow Battery，VRB)的眾多優(yōu)點(diǎn)，例如規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、效率高、安全可靠等，本文選擇釩液流電池作為儲(chǔ)能元件，分析其工作原理，建立仿真模型，得到充放電曲線圖。提出當(dāng)微電網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略并對(duì)其進(jìn)行仿真，以證明其可行性。

1 VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)建模仿真

1.1 釩液流電池的建模

VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由釩電堆、正負(fù)極電解液及輸送管道、充放電控制系統(tǒng)等部件組成，其工作原理如圖1所示。在VRB工作時(shí)，循環(huán)泵將電解液從儲(chǔ)液罐中壓入釩電堆內(nèi)，通過(guò)外部充放電系統(tǒng)的控制完成氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后電解液又被送回到儲(chǔ)液罐中，活性物質(zhì)不斷地循環(huán)流動(dòng)，從而完成VRB充放電過(guò)程。

圖1 釩液流電池結(jié)構(gòu)

在構(gòu)建VRB模型時(shí)應(yīng)考慮到所建模型的精度和復(fù)雜度，從而做出權(quán)衡。本文中選用VRB的系統(tǒng)損耗模型來(lái)進(jìn)行仿真研究。該模型有以下特點(diǎn)：①荷電狀態(tài)(SOC)反映電池中剩余能量的多少，隨著電池充放電過(guò)程成為一個(gè)不斷變化的狀態(tài)變量；②堆棧電壓用一個(gè)受控電壓源模擬，受SOC大小和電池單體電壓影響；③充放電過(guò)程中存在的電堆損耗，分為內(nèi)部損耗和外部的泵損，內(nèi)部損耗由和表示，泵損由固定損耗和外部變化損耗表示；與SOC和電池堆棧電流有關(guān)；⑤VRB的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力用電極電容表示[1]。

1.2 充放電特性仿真

在Matlab/Simulink中搭建釩液流電池模型，在本次實(shí)驗(yàn)中，單電池39個(gè)，其額定電壓為50 V，額定電流為50 A，工作電壓范圍為40～64 V；以恒定電流50 A進(jìn)行一個(gè)周期充放電，VRB仿真模型如圖2所示。

圖2 VRB仿真模型

在整個(gè)充放電過(guò)程中，開(kāi)路電壓隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。充放電初期，由于電池的等效內(nèi)阻分壓引起液流電池的端口電壓在很短的時(shí)間內(nèi)變化，在SOC=0.2～0.8時(shí)，VRB電壓成線性變化，電池效率較高，一般控制充放電深度在此范圍內(nèi)。充電和放電轉(zhuǎn)換的時(shí)候存在一定的電壓降落，是因?yàn)殡姵仉娏鞣较虬l(fā)生變化，使等效串聯(lián)內(nèi)阻和上的壓降方向變化而產(chǎn)生的。

圖3 一個(gè)充放電周期電池端電壓

2 VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向變流器的控制

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，因?yàn)橛型怆娋W(wǎng)做支撐，電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)電壓、頻率的擾動(dòng)、負(fù)荷波動(dòng)等情況時(shí)，都由大電網(wǎng)調(diào)節(jié)其平衡，當(dāng)蓄電池充電時(shí)，蓄電池僅相當(dāng)于一個(gè)負(fù)載，只需對(duì)其進(jìn)行充電控制，當(dāng)蓄電池放電時(shí)，本文采用PQ控制策略[2-3]。具體采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式，控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于有功電流/無(wú)功電流PQ控制

VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)由逆變器流入到交流網(wǎng)絡(luò)中的有功功率和無(wú)功功率瞬時(shí)值可以表示為：

3 仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立釩液流電池雙向變流器模型，根據(jù)上述釩電池的仿真結(jié)果，在釩液流電池工作的線性區(qū)，其狀態(tài)較為穩(wěn)定，為簡(jiǎn)化將其等效成一個(gè)50 V的理想電壓源，此部分的仿真目的是驗(yàn)證在微電網(wǎng)并網(wǎng)工作模式下，所建立的儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向變流器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。在仿真電路中電池模型后接IGBT逆變器，設(shè)定有功功率、無(wú)功功率的參考值為1、-0.6 kW，LCL濾波器參數(shù)設(shè)定為500 μH、20 μF、100 μH，變壓器變比為50 V/380 V，使用恒定負(fù)載，其功率為0.1 MW。仿真模型如圖5所示。

圖5 整體仿真

如圖6所示，在0.3 s時(shí)有功功率和無(wú)功功率能基本維持在給定的功率值附近波動(dòng)。

圖6 蓄電池有功和無(wú)功功率實(shí)際值

如圖7所示，逆變器輸出的電壓、電流值可以很好地維持穩(wěn)定，并且三相電壓、電流對(duì)稱(chēng)。

圖7 蓄電池聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電壓和電流實(shí)際值

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了釩液流電池的模型以及儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的雙向變流器，設(shè)計(jì)了控制器及仿真電路的具體參數(shù)，仿真結(jié)果表明：釩電池的模型可為釩電池的操作運(yùn)行提供工程指導(dǎo)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向變流器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)恒功率控制策略也基本滿足控制要求，對(duì)于電網(wǎng)的有效運(yùn)行具有一定的參考意義。

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Simulation of vanadium redox flow battery in on-grid of micro grid

With more and more large-scale photovoltaic,wind power and other new energy operating in parallel with the grid,the influence of volatility of the output power on the safe operation of power grid is becoming more and more serious.The working principle of the VRB was introduced,and the model of VRB was established in Matlab/Simulink.The model was simulated by the toolbox of Matlab with constant current,getting the stack voltage curve of the VRB.Its feasibility is proved by applying it in the control of on-grid.

VRB;micro grid;on-grid;operation

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1237-02

2015-12-15

賈華(1963—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷皯?yīng)用。