莫 青，馬 軍，郭錦龍，王 偉，李愛(ài)魁

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

釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市微電網(wǎng)中的優(yōu)化應(yīng)用

莫 青1，馬 軍1，郭錦龍2，王 偉1，李愛(ài)魁1

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢430074；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)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(shí)際城市智能微電網(wǎng)工程開(kāi)展風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的研究，重點(diǎn)分析全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及運(yùn)行模式控制等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行分析，證明釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市微電網(wǎng)應(yīng)用中的可靠性和有效性。

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

智能微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源和負(fù)荷的一體化運(yùn)行，并通過(guò)和主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，平滑接入主網(wǎng)或獨(dú)立自治運(yùn)行，充分滿足用戶對(duì)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(shí)現(xiàn)從并網(wǎng)到離網(wǎng)的無(wú)縫切換，由分布式發(fā)電或儲(chǔ)能系統(tǒng)維持區(qū)域內(nèi)所有或部分重要負(fù)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(chǔ)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(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源的普及應(yīng)用，其出力間歇性愈加嚴(yán)重，通過(guò)采用儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效平滑可再生能源的輸出波動(dòng)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(jì)性[2-5]。因此，開(kāi)展釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市智能微電網(wǎng)中的優(yōu)化應(yīng)用研究具有必要性。

本文以某城市風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)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(biāo)，兼顧釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性，探討釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在園區(qū)智能微電網(wǎng)中的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和運(yùn)行模式控制等問(wèn)題，為未來(lái)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市園區(qū)智能微電網(wǎng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 某城區(qū)微電網(wǎng)項(xiàng)目概述

某科技新城，占地面積66.8 km2，是一個(gè)城市功能完備的衛(wèi)星城，將容納30萬(wàn)人口?？萍汲菍⒅攸c(diǎn)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(kāi)展釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的優(yōu)化應(yīng)用研究，為了充分發(fā)揮分布式發(fā)電接入對(duì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組、100 kW/2 h釩電池儲(chǔ)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(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

依據(jù)科技城新能源研究院主樓重要負(fù)荷功率大小(80 kW)和供電時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)，包括由4個(gè)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(chǔ)能變流器(PCS)、儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)、配電柜等部分。在關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)對(duì)電堆結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 電堆結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

電堆作為釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心組件，其能量效率的高低直接影響到儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率[6]。在電堆材料性能暫時(shí)無(wú)突破性進(jìn)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(gè)突破口。針對(duì)電堆支路電流對(duì)系統(tǒng)電流效率和能量效率的負(fù)面影響，基于前期工作基礎(chǔ)[7]，對(duì)25 kW電堆進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(gè)模塊，兩個(gè)模塊之間通過(guò)隔板串聯(lián)。25 kW電堆性能參數(shù)如表1所示。

2.2 儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)主要提供微電網(wǎng)管理系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間信息的“上傳下達(dá)”作用，其一方面需要接收上級(jí)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(gè)儲(chǔ)能支路，另一方面需要實(shí)時(shí)采集釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，把相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上級(jí)微電網(wǎng)管理系統(tǒng)。在主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，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(shí)間≤20 ms)，此過(guò)程必然對(duì)儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)信息“上傳下達(dá)”的實(shí)時(shí)性提出更高要求。為滿足上述要求，在微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中除考慮硬接點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)外，儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(yùn)行的實(shí)時(shí)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(tái)[8-9]?；赩xWorks操作系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)的儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)主要上傳下達(dá)的信息如表2所示。

圖2 儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表2 儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)上傳下達(dá)的信息

3 釩電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)布置于地下環(huán)形停車場(chǎng)內(nèi)，占據(jù)4個(gè)扇形停車位，層高2 m，共計(jì)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(duì)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

100 kW/2 h釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包括由4個(gè)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(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)及配電柜等部分。每個(gè)電堆布置于一個(gè)電堆支架中，電堆支架為模塊化結(jié)構(gòu)。電堆機(jī)架采用框架式結(jié)構(gòu)，4個(gè)電堆依次水平擱置于噴涂有耐腐蝕油漆的電堆機(jī)架中部，總正、總負(fù)電解液進(jìn)出管路(DN100)均布置于電堆后部，并通過(guò)連接于電堆機(jī)架上的支架進(jìn)行支撐，防止總進(jìn)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(jìn)出液管(DN25)通過(guò)電堆上方和下方布線與總進(jìn)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(guò)高或過(guò)低都會(huì)引起電解液結(jié)晶析出，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為控制正負(fù)極電解液運(yùn)行溫度在合理范圍內(nèi)，在電堆正負(fù)極出液管路和儲(chǔ)液罐正負(fù)極回液管路之間各安裝有一套通過(guò)循環(huán)水進(jìn)行冷卻的臥式換熱器，外接的循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)水流過(guò)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(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)基于電解液溫度進(jìn)行合理控制。

為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確了解釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，管路系統(tǒng)上布置有耐腐蝕帶信號(hào)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(cè)的運(yùn)行狀態(tài)信息均上傳至儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)?；谪?fù)荷功率變化和對(duì)應(yīng)的控制策略，儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)下傳信號(hào)給變頻器控制循環(huán)泵流量在合理范圍內(nèi)，達(dá)到電解液流量隨著負(fù)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(chǔ)液罐采用臥式結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)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(guò)U形液位管能夠?qū)崟r(shí)觀察電解液液位變化情況，在正負(fù)極電解液明顯失衡情況下，需要對(duì)其進(jìn)行再平衡。

電堆正負(fù)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電(信號(hào)線)有效隔離。儲(chǔ)能系統(tǒng)防雷和接地設(shè)計(jì)按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057和《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50065的規(guī)定執(zhí)行。

4 釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式

4.1 并網(wǎng)運(yùn)行模式

在主網(wǎng)正常的情況下，分布式發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式可為：

(1)平滑功率輸出模式。當(dāng)白天日照強(qiáng)度高，發(fā)電超過(guò)額定功率的80%(上限可調(diào))時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電；當(dāng)日照強(qiáng)度低，發(fā)電低于額定功率的50%(下限可調(diào))時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在放電模式，達(dá)到最大放電深度(可調(diào))時(shí)，停止放電。

(2)削峰填谷模式。晚上負(fù)荷低時(shí)電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，白天負(fù)荷高時(shí)由儲(chǔ)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(yùn)行模式

當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障或處于檢修狀態(tài)時(shí)，分布式發(fā)電采用微網(wǎng)孤島運(yùn)行方式，選取機(jī)房、照明電源等大樓重要負(fù)荷作為微網(wǎng)的負(fù)荷。斷開(kāi)與主網(wǎng)的連接開(kāi)關(guān)，根據(jù)發(fā)電能力、儲(chǔ)能容量及負(fù)荷情況構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)微電網(wǎng)運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行、儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行、離網(wǎng)削峰填谷等不同運(yùn)行方式，滿足微網(wǎng)負(fù)荷的可靠供電，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。通過(guò)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行最大限度提高能源的利用率節(jié)能減排，同時(shí)提高供電可靠性。

5 釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的實(shí)際運(yùn)行分析

100 kW/2 h釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)從2013年12月投運(yùn)至2014年1月，完成充放電循環(huán)次數(shù)25次，累計(jì)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(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，接入電網(wǎng)公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

示范運(yùn)行階段，重點(diǎn)對(duì)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并離網(wǎng)運(yùn)行模式的無(wú)縫切換進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明，系統(tǒng)并離網(wǎng)切換時(shí)間小于100 ms，并離網(wǎng)切換過(guò)程中主樓重要負(fù)荷無(wú)斷電發(fā)生，保障了園區(qū)的供電可靠性，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。在儲(chǔ)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(yùn)行；而當(dāng)網(wǎng)側(cè)恢復(fù)供電后，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)恢復(fù)到網(wǎng)側(cè)供電模式，離網(wǎng)運(yùn)行結(jié)束。

圖3 并離網(wǎng)無(wú)縫切換

基于釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工程前期的示范運(yùn)行，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)工程應(yīng)用在如下方面可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化。

(1)為實(shí)現(xiàn)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)人值守和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可考慮增加系統(tǒng)工作狀態(tài)信號(hào)的無(wú)線傳輸功能，如釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線等方式傳輸至業(yè)主或設(shè)計(jì)人員手機(jī)相應(yīng)的APP程序中，通過(guò)手機(jī)APP程序能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

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

(3)電解液在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期化學(xué)反應(yīng)后有可能產(chǎn)生或引入雜質(zhì)，包括副反應(yīng)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(hù)過(guò)程帶入的雜質(zhì)等。因此，電解液在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，需要對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾除雜。設(shè)計(jì)中可在儲(chǔ)液罐出液管處并聯(lián)備用出液管，其中過(guò)濾裝置設(shè)置于備用出液管上，通過(guò)球閥能夠?qū)崿F(xiàn)電解液快速在線過(guò)濾。

(4)為降低支路電流對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的負(fù)面影響，除了在電堆結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)外，還可以通過(guò)增加支路管路的電阻實(shí)現(xiàn)，如加長(zhǎng)支管長(zhǎng)度、縮小管徑以及破壞電解液連續(xù)流動(dòng)等方式。

(5)正常情況下(并離網(wǎng)無(wú)縫切換需要)，釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一直處于運(yùn)行狀態(tài)(充電、放電或待機(jī))，即電解液循環(huán)泵一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，其作為機(jī)械部件，長(zhǎng)期運(yùn)行必然會(huì)引起壽命縮短。鑒于此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可考慮加入循環(huán)泵雙備份設(shè)計(jì)，即正負(fù)極循環(huán)泵各兩個(gè)，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(dòng)。

6 結(jié)論

本文立足于科技城風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行，從關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及運(yùn)行模式控制等方面對(duì)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市微電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化及運(yùn)行模式分析開(kāi)展了相關(guān)研究。實(shí)際運(yùn)行表明，釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的合理調(diào)度和儲(chǔ)能就地監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和微電網(wǎng)(孤網(wǎng))運(yùn)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(yùn)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(xiàng)目(WNJ131-0071)；中科院-湖北省2013年院地合作項(xiàng)目(WNZ141-0030)

莫青(1964—)，女，湖南省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣?jié)能技術(shù)及電力儲(chǔ)能系統(tǒng)。

馬軍，E-mail：majun@sgepri.sgcc.com.cn