摘 要

随着风能，太阳能等可再生能源的飞速发展，世界能源危机得到一定缓解，但新能源发电始终存在电能质量差，并网困难等缺点。而大规模储能技术是解决这一问题的有效手段之一。全钒液流电池（VRB）是能满足新时代储能系统要求的大容量储能电池。VRB具有容量大，效率高，寿命长，响应快，环境友好等诸多优势，因而在大规模储能系统领域具有重要的战略地位。为了便于电力系统设计与运算分析，建立能应用于电气领域研究的VRB等效模型具有重大的理论和现实意义。本文建立起了5kW/3kWh全钒液流电池的等效损耗模型，主要内容如下：

首先，讲述全钒液流电池在国内外的发展历史，指出了VRB的当前研究热点和未来发展方向。然后讨论了国内外对VRB建模的研究现状，将现有的模型大致分为三类：电化学模型，等效电路模型及综合等效模型，并且举例分析了一些典型的模型，总结了各类建模方法的优缺点。

为建立VRB等效损耗模型，先是对VRB做出了简要概述，重点介绍其物理结构、工作原理与工作过程，总结了VRB的技术特点与优势。在此基础上，结合各物理机制以及VRB的电化学分析以及水力热工分析，建立了VRB的等效损耗模型，并确定了5kW/3kWh电池组的各项参数。对该模型进行了仿真实验，研究其充放电特性以及电解液流量对电池运行特性的影响等。验证了该模型可动态反映VRB的外特性，且可指导泵的优化，具有工程实用性。最后对全钒液流电池等效电气模型的未来发展方向做出了分析与展望。

关键词：储能系统；全钒液流电池；等效损耗模型；仿真

Abstract

With the rapid development of renewable energy like wind energy and solar energy, the world energy crisis has been alleviated to some extent. However, the new energy power generation always has poor power quality, connection difficulties and some other disadvantages. Developing the large scale energy storage technology is an effective way to solve this problem. All-vanadium redox flow battery (VRB) is a battery with a large capacity and power. It can meet the requirements of energy storage system in the new era. And it has a high efficiency, long life, fast response, environmental friendliness and some other advantages. It is very important in the field of large-scale energy storage system. In order to facilitate the power system design and operation analysis, establishing an VRB equivalent model which can be applied to the electrical field is very important and necessary. In this paper, the equivalent loss model of 5kW / 3kWh all-vanadium redox flow battery is analyzed and established. The main contents are as follows:

First of all, the development history of all-vanadium redox flow battery at home and abroad is described, and the current research hotspot and future development direction of VRB are pointed out. Then the paper will discuss the research status of VRB modeling at home and abroad. The existing models are roughly divided into three categories: electrochemical model, equivalent circuit model and comprehensive equivalent model. The typical models are analyzed with examples.

For the establishment of the equivalent loss model, the paper first gives a brief overview of VRB, focusing on its physical structure, working principle and working process, and summarizes the technical characteristics and advantages of VRB. On this basis, combined with the physical mechanism, electrochemical analysis and hydrodynamics analysis of VRB, the equivalent loss model of VRB is established, and the parameters of 5kW / 3kWh battery pack are determined. The simulation experiments are carried out to study the charging and discharging characteristics of the model and the influence of electrolyte flow on the operation characteristics of the battery. It is verified that the model can dynamically reflect the external characteristics of VRB, and can guide the optimization of pump, which has engineering practicability. Finally, the future development of the equivalent electrical model of all-vanadium redox flow battery is analyzed and prospected.

Key words: energy storage system; all-vanadium redox flow battery; equivalent loss model; simulation

目录

第一章 绪论1

1.1 课题的研究背景1

1.2 全钒液流电池的发展与现状1

1.3 全钒液流电池建模研究现状3

1.4 本文主要研究内容与方向6

第二章 全钒液流电池概述8

2.1 基本结构8

2.2 工作原理9

2.3 主要技术特点10

2.4 本章小结11

第三章 全钒液流电池等效模型的建立12

3.1 VRB的等效损耗模型12

3.2 等效损耗模型的建立13

3.2.1 电容与电阻的确定13

3.2.2 电池SOC值及电堆电压额定确定14

3.2.3 泵损电流的确定15

3.3 5kW/3kWh全钒液流电池的参数选择16

3.4 本章小结16

第四章 全钒液流电池等效模型的仿真18

4.1 MATLAB/SIMULINK仿真模型搭建18

4.2 充放电外特性研究18

4.3 电解液流量对电池特性的影响21

4.4 本章小结22

第五章 结论23

参考文献24

致谢26

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

工业革命以来，世界各国对能源的需求量越来越大，而能源问题一直伴随着工业发展的始末。能源在促进经济社会发展上有举足轻重的地位。随着工业化进程的推展，传统化石能源正在面临枯竭，且大量燃烧化石能源带来的环境污染问题也是当今世界面临的难题之一。要想缓解能源问题，需要寻找新的能源。然而核能的大规模发展有着很多的限制，化石能源的大量开采则会带来一系列的环境问题。在此背景下，世界各国都在致力于发展可再生能源，主要包括风能和太阳能。我国虽然能源资源总量比较丰富，但是存在能源利用率低下、环境污染严重等问题，并且人口众多，人均资源拥有量不足，所以我国的能源危机也较为严重。于是大力推进清洁能源发展成为了时代发展潮流，这我国的经济持续发展、环境保护等都具有一定的促进作用。然而，可再生能源包括风能、太阳能等的特征之一便是不够稳定，且受环境影响严重。由此带来的电能质量差，安全性差，难以并网运行等缺点是发展可再生能源的难题。为了有效地运用可再生能源，大规模储能技术必须得到足够重视。

储能系统具有削峰填谷、消纳不稳定的可再生能源、构建智能电网以及保障偏远地区供电等作用。大规模储能技术是实现持续，稳定，安全利用可再生能源的重要手段。从市场的角度来说，需要储能电池具有大功率，大容量，性价比高等技术特点；从长期应用发展的角度来说，大规模储能电池必须具有较高的安全性，较长的使用寿命，以及较小的环境负荷等特点^[1]。从市场和应用的要求出发，国内外的科研机构都对储能技术展开了深入的研究。到目前研究和开发了很多类型的储能技术，并且有些已经应用于市场。常见的大规模储能技术有液流电池储能技术，抽水储能技术，压缩空气储能技术等。然而后两者通常会受到地点等诸多因素限制，于是氧化还原液流电池是当前大规模存储电能的主流选择。具有污染小，布置灵活等诸多优点。其中的全钒液流电池（VRB）具有诸多技术优势，例如容量和输出功率较大，且可以分开设计，消除交叉污染，无限的生命周期以及高能效等，因而受到业界的广泛关注。