李 峰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 儲能系統(tǒng)對比

電能是信息社會重要的、必不可缺的二次能源,是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的保障。風能、太陽能、潮汐能等可再生能源被認為是未來電能的有效來源,在世界范圍內(nèi)被大量使用。為保證可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電,應以蓄電儲能的方式進行調(diào)節(jié)[1]。目前,主流的儲能方式有電磁儲能、物理儲能、化學儲能,化學儲能包括鋰電池儲能、液流電池儲能、鈉硫電池儲能、鉛酸電池儲能等[2]。鋰電池儲能近幾年得到了廣泛的推廣和應用,初具規(guī)模[3]。液流電池作為一種化學儲能電池,在世界范圍內(nèi)得到了關注,目前還處于應用前期[4]。

無論是鋰電池儲能系統(tǒng)還是液流電池儲能系統(tǒng),主要構成基本相同,包括電池組、電池管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電網(wǎng)、監(jiān)控系統(tǒng)、其它輔助設備等[5]。不同類型電池的化學儲能系統(tǒng),主要差異體現(xiàn)在電池管理系統(tǒng)上。

鋰電池儲能系統(tǒng)原理如圖1所示,液流電池儲能系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 鋰電池儲能系統(tǒng)原理

鋰電池儲能系統(tǒng)在運行過程中,不需要外部參與電池自身化學反應過程的控制。液流電池儲能系統(tǒng)在運行過程中,需要外部參與電池自身化學反應過程的控制,由此液流電池儲能系統(tǒng)對電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

液流電池管理系統(tǒng)與鋰電池管理系統(tǒng)有很大的不同。鋰電池管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對鋰電池的監(jiān)測、均衡管理,以及荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)等的估算,液流電池管理系統(tǒng)除了實現(xiàn)對電池的監(jiān)測、荷電狀態(tài)與健康狀態(tài)等的估算外,更側(cè)重于對電池電化學反應過程的調(diào)節(jié)和控制,在保證液流電池正?；瘜W反應的前提下,進一步提升電池性能,延長壽命。由此,液流電池管理系統(tǒng)更準確地應稱為液流電池控制系統(tǒng)。具體而言,液流電池管理系統(tǒng)需要對電解液管道、氣路閥、流量、壓力等進行控制,對電池堆進出口溫度進行控制,實現(xiàn)電堆、管道、電解液罐等的報警和保護等[6]。

2 液流電池管理系統(tǒng)要求

由上述分析可知,適用于液流電池儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)需要滿足以下要求:

(1) 具有模塊化結(jié)構,可以根據(jù)容量進行靈活配置,滿足大規(guī)模儲能系統(tǒng)對電池管理系統(tǒng)的性能要求[7];

(2) 具有安全冗余功能[8];

(3) 軟件、硬件按照功能進行劃分,具備獨立的功能模塊[9];

(4) 除具備常規(guī)的電池狀態(tài)監(jiān)控功能外,還需要參與電池化學反應的控制,對電堆溫度、管道閥門、電解液流量和壓力等進行控制。

3 系統(tǒng)總體方案

筆者以250 kW液流電池儲能系統(tǒng)為例,設計適用于兆瓦級以上液流電池儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)。250 kW液流電池儲能系統(tǒng)有八個電堆,包括正負極電解液罐、管道、泵、閥門、傳感器等部件。

針對前述要求,液流電池管理系統(tǒng)硬件按功能進行劃分,具體硬件構架如圖3所示。電池管理系統(tǒng)硬件板卡安裝在金屬箱體內(nèi),方便維護、搬運,同時具有屏蔽電磁干擾的功能。

圖3 液流電池管理系統(tǒng)硬件架構

正、負極控制卡用于采集正、負極電解液罐體狀態(tài)信息,以及正、負極管道閥門位置、壓力、流量等狀態(tài)信息,通過數(shù)據(jù)分析處理,控制閥門開閉,下發(fā)正、負極管道泵的變頻控制信號,同時具有報警保護功能。溫度采集卡用于采集電解液罐、管道、電堆等部件的實時溫度,通過數(shù)據(jù)計算,控制相應閥門開閉,以及冷卻系統(tǒng)輸出的冷卻液流量、溫度等,并且具有溫度監(jiān)測報警保護功能。電堆采集卡采集電堆電壓、電流等信息,并計算電池荷電狀態(tài)。通信卡通過內(nèi)部RS 485或串行外設接口總線方式,實現(xiàn)控制卡、采集卡之間的信息交互。外部通信采用控制器局域網(wǎng)或傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議,實現(xiàn)通信卡與終端監(jiān)控臺的數(shù)據(jù)交互。背卡為所有板卡提供直流24 V電源,同時實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)不同板卡通信地址的硬件設置,并實現(xiàn)程序的統(tǒng)一。

上述硬件方案可以根據(jù)實際液流電池儲能系統(tǒng)的電池數(shù)量進行板卡的增減,并可以應用于兆瓦級以上液流電池儲能系統(tǒng),能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)容量對電池管理系統(tǒng)進行靈活配置。

液流電池更適用于兆瓦級以上儲能系統(tǒng),充放電次數(shù)可達10 000次以上。通過更換正負極的電解液,可以實現(xiàn)瞬間再充電。液流電池支持過充過放而不損壞電池,壽命長[10]。

兆瓦級以上液流電池儲能系統(tǒng)通常是由小儲能單元通過并聯(lián)方式組成的大容量儲能系統(tǒng),每個儲能單元是相對獨立的一個系統(tǒng)。兆瓦級以上液流電池管理系統(tǒng)解決方案如圖4所示。

圖4 兆瓦級以上液流電池管理系統(tǒng)解決方案

兆瓦級以上液流電池管理系統(tǒng)解決方案是電池管理系統(tǒng)在兆瓦級以上液流電池儲能系統(tǒng)中的具體應用。由于電池管理系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構,可以根據(jù)儲能系統(tǒng)容量進行靈活配置,因此降低了儲能系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)設計方案的復雜性,減少了電池管理系統(tǒng)的成本。由于電池管理系統(tǒng)內(nèi)部已互相解耦,因此當某一個電池管理系統(tǒng)單元出現(xiàn)故障時,不會影響系統(tǒng)的整體運行和穩(wěn)定性。從運營角度看,這一系統(tǒng)具備本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控能力,實現(xiàn)了本地無人值守和遠程監(jiān)控。

4 實際驗證

上海某機械加工企業(yè)產(chǎn)線擴容,但變壓器容量未變,根據(jù)客戶實際運行情況,配置了額定功率為250 kW、容量為1 MWh的液流電池儲能系統(tǒng)。該儲能系統(tǒng)主要由八個電堆串并聯(lián)組成,有一套電池管理系統(tǒng),一臺額定功率為250 kW的直流/直流變換器、一臺額定功率為250 kW的儲能變流器。

由于液流電池儲能系統(tǒng)容量相對較小,并且由八個電堆組成,因此采用筆者設計的液流電池管理系統(tǒng)解決方案。出于維護方便和冗余考慮,控制卡冗余兩塊。硬件板卡共15塊,其中控制卡五塊、通信卡一塊、采集卡八塊、背卡一塊。用戶現(xiàn)場的電池管理系統(tǒng)控制箱如圖5所示。

圖5 電池管理系統(tǒng)控制箱

這一儲能項目最終交付使用后,現(xiàn)場實際運行驗證了電池管理系統(tǒng)的可行性和有效性,滿足液流電池儲能系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)束語

筆者通過對鋰電池儲能系統(tǒng)和液流電池儲能系統(tǒng)進行對比分析,設計了一種適用于不同容量液流電池儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng),并驗證了電池管理系統(tǒng)的可行性和有效性。這一電池管理系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構,可以根據(jù)液流電池儲能系統(tǒng)的容量進行靈活配置,滿足不同容量液流電池儲能系統(tǒng)的應用要求。