1. 研究目的与意义（文献综述）

1 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 设计的目的及意义

随着生活水平的不断提高以及工业用电的不断加大，特别是夏季的华东华南地区，电力供应难以为继，屡屡出现限电事件。而另一方面，传统发电方式，譬如水电、火电等日趋饱和，除了核电，再难有增加的潜力。最近几年，国家在新能源方面投入大量人力物力，包括太阳能光伏电池、风能、潮汐能等。该三种能源被认为是未来电能的主要来源，但是它们在电力供应方面严重受制于气候、天气、地理条件等因素的影响。以风电为例，受风力大小、风向等影响大，导致其稳定性、可靠性、可控性差。而储能可以对其进行有功无功支持，很好的改善风电电力波动大等问题，提高电能质量。

目前，在大规模储能用二次电池方面，业界比较看好的主要三种电池是锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池（vrb）。日本 ngk 的钠硫电池技术比较成熟，产品供不应求，但国内来说，研究单位主要是上海硅酸盐研究所，应用尚属起步阶段。锂离子电池用于储能技术，示范项目较多，特别是在国家风光储一期示范项目中，锂离子电池占了87.5%（占 16mw 中的 14mw）。全钒液流电池核心技术已转移到国内，并在张北示范项目中崭露头角，成为除锂电外的唯一中标储能电池。在全钒液流电池反面，国内做的最早的是中国工程物理研究院电子工程所，目前做的最好的机构主要是北京普能、大连融科，各自拥有的优势不同。全钒液流电池具有循环寿命长、规模可控、易选址、国内钒资源较为丰富，在未来清洁能源发电领域有较大的发展前景。

1.2 国内外的研究现状

相比锂离子电池，全钒液流电池的历史简单的多，主要分三个阶段：

2. 研究的基本内容与方案

2 设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 设计的基本内容及目标

全钒液流电池(VRB)这种大型的电力存储装置,在含有众多分布式电源的微电网中应用时,其并网控制系统必须控制VRB的恒流或者恒功率放电,否则会大大影响蓄电池的寿命。在推挽Boost电路及单相并网逆变器基础上,并计及VRB端电压较低的情况,设计一种VRB的并网控制系统,实现了VRB电池的恒流放电和并网运行。

2.2拟采用的技术方案及措施

2.2.1 全钒液流电池的工作原理

全钒液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）是单金属系统的氧化还原液流电池，电解液是由金属钒的不同价态的离子所组成的氧化还原电对的硫酸溶液，正负极由离子交换隔膜分开，在正极电解液中包含的是 、钒离子，负极电解液中包含的是 、钒离子，正负极电解液分别存储在两个储液罐中，工作时通过直流泵将电解液压入电堆中，两个氧化还原电对间的电势差是发生氧化还原反应的驱动力，通过电解液中的 H 离子透过隔膜的定向迁移来实现电荷平衡，如图2-1全钒液流电池储存的总能量取决于活性化学物质的量，与溶液的量有关，功率大小与电池堆电极面积成比例。

图 2-1 全钒液流电池原理

全钒液流电池正电极上发生的氧化还原反应为：

（1）

全钒液流电池负电极上发生的氧化还原反应为:

（2）

当不同价态的钒离子在电极上发生氧化还原反应时，会产生一个标准电位在温度为 298K 时，正电极的和之间的氧化还原反应产生的 ＝＋1.004V，负电极的 V2 /V3 之间的氧化还原反应产生的 ＝－0.255V，因此为 1.259V。

2.2.2 全钒液流电池主要技术特点

全钒液流电池具有规模大、寿命长、响应快、低维护、在室温下运行更换和维修

费用低、效率高、安全可靠等特点，很适合作为大规模电力储能，是一种潜力大的新型环保储能电池。

1) 规模大

额定功率和额定能量是相互独立的，该系统可通过改变储液罐中电解液的容量，

能够满足大规模电能的储存和高效转化需求；通过调整电堆中并联的单电池的个数和单电池电极的面积，可以得到满足需求的额定放电功率。

2)寿命长

电池的正负极反应都在液相中实现，不发生相变正负极电极不参与电化学反应，充放电过程仅改变溶液中钒离子的价态，因此在理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环，电池的使用寿命长。国际上建成的 VRB 实验电堆，经过13000 次循环充放电，验证系统的稳定性和技术可靠性，其它储能电池的充放电次数只有几千次。由于电解液无其它金属杂质，在运行老化后经过电解可以直接恢复体系活性，替换隔膜还可再次延长寿命，这意味着全钒液流电池的替换成本远低于其他任何一种化学电池。

3)成本低

全钒液流电池电解液的主要材料钒的储量大，价格便宜，电池关键材料的制备将逐步实现国产化，VRB 系统成本可远低于燃料电池等化学电源。

4)效率高

由于正负极活性物质分开存储在不同的储液罐中，杜绝电解液存放过程自放电消耗可能性，电池系统能量效率可以达到 75%～85%。

5)安全可靠

全钒液流电池通过储液罐中钒离子的不同价态的氧化还原电对之间互相转化来实 现电能的充放，是唯一由同种元素组成的电化学储能系统，不存在正负级电池间不同种类活性物质相互渗透产生的污染，不会引起爆炸。由于电池电解液是循环流动的，电池不会出现热失控的现象，温度对全钒液流电池性能的影响作用相比对铅蓄电池要小得多，在温度的恢复后电池性能也完全恢复。

6)其他

全钒液流电池电化学极化较小，使得电池能够实现大电流充放电，可见，全钒液流电池在寿命，效率，费用，安全方面，完全满足风能储能系统的技术要求。

2.2.3 全钒液流电池的数学模型

目前电池储能系统的模型主要有两类：一类是由理想电压源和等效内阻串联组成

的基本模型、在此原理模型基础上考虑荷电状态（State of Charge，SOC）影响的改进模型以及考虑过电压的戴维南模型，这些模型的参数一般为常量；另一类是四阶动态（Giglioli）模型，以及考虑充放电过程的非线性特性的改进模型，这些动态模型考虑了电池储能系统充放电过程的非线性特性，其参数设置比较复杂，适用于对精度要求较高的情况。文献[39-44]中提出如图 2-2 的 VRB

模型，为考虑荷电状态的改进戴维南模型。荷电状态（SOC）代表活性化学物质数量，为一个受充放电影响的变量；电堆开路电压被等效成一个受控电压源，其大小受 SOC 的变化影响；泵的损耗被等效成一个受控电流源，电流的大小与荷电状态与电堆电流的大小有关。电堆的损耗分为内部损耗和外部的泵损。内部损耗包括反应电动力等效的阻抗 及模拟传质阻抗、隔膜阻抗、溶液阻抗、电极阻抗和双极板阻抗的 。占内部损耗的 60%，占内部损耗的 40%；外部泵损分为为固定损耗和变化损耗，固定损耗由 来模拟，变化损耗

由受控电流源 来模拟，表征泵的损耗。电堆的电流越大、而 SOC 越小时，泵消耗的功率越大。； 表示电极间的电容，用来模拟暂态过程。

图 2-2 全钒液流电池电气模型

以 SOC 来表示电池的荷电状态，即：

（3）

式中：为电池剩余容量， 为电池满充容量。SOC 的取值范围为 0~1，当 SOC=0 时表示电池放电完全，当 SOC=1 时表示电池完全充满。SOC 随着充放电而变化

（4）

（5）

式中： 为仿真步长， 为额定时间，为储能系统在额定功率下进行充电所需的时间。设充电时stI 为正，则 ΔSOC 为正， SOC 值不断增加；放电时stI 为负， ΔSOC 为负，SOC 值不断减少。

电化学反应 Nernst 方程：

（6）

式中：——电极电势（V）——标准电极电势（V）

——气体常数 8.3143J/K·mol

——绝对温度（K），常温时 T=298K

——法拉第常数，为 1mol 电子的电量，即 96500C/mol

——电极反应中得失的电子数，由式（1）和式（2）可知，在正、负电极的氧

化还原反应中得失的电子数均为 1，即 n=1

——还原型离子浓度（mol/L）

——氧化型离子浓度（mol/L）

根据 Nernst 方程以及正负极的化学反应方程式（2-1）、（2-2），可得电池的开路电压 为：

（7）

由化学反应方程式（2-1）知，对于正极：

（8）

由化学反应方程式（2-2）知，对于负极：

（9）

当正极和负极使用同样浓度的电解液可近似认为正负极反应动力学平衡，

则

代入上式得

（10）

在常温 T=298K 时，计算单节电池电压：

（11）

可见，在一定的氢离子浓度与温度下，单节电池电压与电池的充电状态 SOC有关。

由M 节电池串联组成的电池堆，其电堆的开路电压为

（12）

在硫酸容量浓度为 3mol/L 时，根据武汉南瑞 5k W 全钒液流电池系统参数，忽略电极的极化作用，得单电池的参数如下。

表 2-2 VRB 单电池参数

忽略电池成组造成的损耗，将单电池串联成 100k WVRB 系统参数如表 2-3 所示。

表 2-3 100k W VRB 系统参数

根据这些数据计算电池内的各个参数，由此得的电池模型为近似模型，计算过程如下。

由 H 离子的浓度得单电池开路电压

（13）

以额定功率放电达到 SOC =0.2时，=1024V，=97.7A由文献[44]中提到的比例关系，10%充电损耗包括 7%内部损耗和 3%附加损耗（1%固定损耗 2%变化损耗）

电堆的功率大小为

（14）

固定损耗

（15）

由 得表征固定损耗的电阻 =944.7

流经的电流大小为

（16）

变化损耗

（17）

，得

（18）

（19）

得k=0.0043

内部损耗

（20）

内部等效电阻得，包括和

每节电池的电容为 6F，则 800 个电池的电容为

2.2.4 全钒液流电池并网控制系统的设计

A主电路拓扑

本文设计的VBR并网控制系统的拓扑结构如图2-3所示，图中为低压侧VBR的端电压；变压器为高频变压器，初级线圈匝数与相同。与为直流接触器，闭合，断开时，VBR给直流负载供电，闭合，断开时，VBR并网运行。推挽DC/DC变换器工作在升压（Boost）状态，控制蓄电池的放电电流，保证蓄电池恒流放电。

图2-4为单相并网逆变器的拓扑结构，通过电压电流的双环控制策略，控制蓄电池并网的电流，实现并网电流与电网电压的同相位。

表2-4为图2-3及图2-4中所示的并网控制系统的主电路参数。

图2-3 VBR并网控制系统主电路拓扑

图2-4单相并网逆变器的主电路拓扑

表2-4并网控制系统的主电路参数

B推挽Boost电路的工作原理

推挽Boost主电路的拓扑如图2-4所示。开关管和开关管互差导通；开关管和开关管的占空比d大于0.5；为一个开关周期。

整个开关周期分为三个开关过程：，开关管均导通，变压器的初级相当于短路；，开关管导通，关断，电感电流通过；，电感电流通过。

输出电压与输入电压的关系为

（21）

C系统参数

并网控制电路中要保持电流的恒电流，电感电流必须连续，而且要满足纹波的要求，取0.5A，则

（22）

（23）

式中：为次级直流电压折算到初级时的平均电压。根据以上两个式子可得图2-3中电感0.225mH,为了保证电感电流纹波足够小，往往需要考虑1倍的裕量，综合选取=0.5mH。

D主电路控制器

VBR并网控制系统的控制策略如图2-6所示（PPL：锁相环）。推挽Boost电路中，直接采用电池侧的电流，与参考电流指令比较后，经过PI(比例积分)调解，产生PWM（脉宽调制）波直接控制开关管和开关管的导通，当电池电压低于30V时，直接断开开关管和开关管。

忽略变压器漏电感的影响，得到推挽电路的开环传递函数（s为复变量），即

（24）

图2-5推挽电路的控制策略

图2-6 并网逆变器的控制策略

加入PI调解，电流环控制参数=0.0026，=1.08，电流环补偿后的穿越频率为1.3k相角裕度为，能够很好地满足电流控制器的要求。

单相并网逆变器电路中，将推挽电路的电压输出与参考直流电压比较后，经过PI调解，并与电网频率的正弦值相乘，得到并网电流的参考指令。电流内环的控制器参数可按下式计算（为PWM的生成系数），即

（25）

（26）

3. 研究计划与安排

3进度安排

第1~2周：按照毕业设计任务书及要求，查阅国内外研究现状等文献；

第3周：撰写并提交毕业设计开题报告；

第4~5周：完成英文文献翻译；

4. 参考文献（12篇以上）

4阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1]沈宏，耿超，刘楠．国内外风电产业现状及其发展前景[j]. 河南科技学院学报，

2010.3：97-101.

[2]吴俊，李建设．风力发电并网对电网的影响[j]．南方电网技术，2010(4):48-52. [3]廖萍，李兴源．风电场穿透功率极限计算方法综述[j].电网技术，2008，32(10)：50-53.