釩液流電池在微電網并網運行中的仿真研究

賈 華，安 婷，張 飛

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭014010)

釩液流電池在微電網并網運行中的仿真研究

賈 華，安 婷，張 飛

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭014010)

隨著越來越多大規模光伏、風電等新能源的并網運行，其輸出功率隨機波動性給電網的安全運行帶來的影響也愈發嚴重，利用儲能技術來平滑風電場、光伏電站輸出功率的波動是有效手段之一，對儲能媒介建模及其控制的深入研究至關重要。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。將該模型應用在微電網并網運行模式中，證明了其可行性。

全釩液流電池；微電網；并網；運行

微網作為一種新型的互聯網絡結構，能夠完成自我控制、管理和保護工作，既可以與大電網斷開連接、單獨工作，也可以與大電網并聯運行，其運行方式的靈活性大大提高了負荷側的供電可靠性。我國地緣廣闊，部分地區自然條件惡劣，難以保證理想的供電，提高供電可靠性的成本又十分昂貴，若能在負荷集中的區域建立微電網，并與儲能系統配合工作，可為用戶提供一定的用電保障。因此，儲能系統在微網發展過程中有十分廣闊的市場前景。鑒于釩液流電池 (Vanadium Redox Flow Battery，VRB)的眾多優點，例如規模大、壽命長、效率高、安全可靠等，本文選擇釩液流電池作為儲能元件，分析其工作原理，建立仿真模型，得到充放電曲線圖。提出當微電網在聯網運行模式下VRB儲能系統的控制策略并對其進行仿真，以證明其可行性。

1 VRB儲能系統建模仿真

1.1 釩液流電池的建模

VRB儲能系統主要由釩電堆、正負極電解液及輸送管道、充放電控制系統等部件組成，其工作原理如圖1所示。在VRB工作時，循環泵將電解液從儲液罐中壓入釩電堆內，通過外部充放電系統的控制完成氧化還原反應，反應結束后電解液又被送回到儲液罐中，活性物質不斷地循環流動，從而完成VRB充放電過程。

圖1 釩液流電池結構

在構建VRB模型時應考慮到所建模型的精度和復雜度，從而做出權衡。本文中選用VRB的系統損耗模型來進行仿真研究。該模型有以下特點：①荷電狀態(SOC)反映電池中剩余能量的多少，隨著電池充放電過程成為一個不斷變化的狀態變量；②堆棧電壓用一個受控電壓源模擬，受SOC大小和電池單體電壓影響；③充放電過程中存在的電堆損耗，分為內部損耗和外部的泵損，內部損耗由和表示，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；⑤VRB的動態響應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，在本次實驗中，單電池39個，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進行一個周期充放電，VRB仿真模型如圖2所示。

圖2 VRB仿真模型

在整個充放電過程中，開路電壓隨時間變化的曲線如圖3所示。充放電初期，由于電池的等效內阻分壓引起液流電池的端口電壓在很短的時間內變化，在SOC=0.2～0.8時，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。充電和放電轉換的時候存在一定的電壓降落，是因為電池電流方向發生變化，使等效串聯內阻和上的壓降方向變化而產生的。

圖3 一個充放電周期電池端電壓

2 VRB儲能系統中雙向變流器的控制

微電網與大電網并聯運行時，因為有外電網做支撐，電網內出現電壓、頻率的擾動、負荷波動等情況時，都由大電網調節其平衡，當蓄電池充電時，蓄電池僅相當于一個負載，只需對其進行充電控制，當蓄電池放電時，本文采用PQ控制策略[2-3]。具體采用功率外環、電流內環的實現方式，控制結構如圖4所示。

圖4 基于有功電流/無功電流PQ控制

VRB儲能系統由逆變器流入到交流網絡中的有功功率和無功功率瞬時值可以表示為：

3 仿真驗證

在Matlab/Simulink仿真環境中建立釩液流電池雙向變流器模型，根據上述釩電池的仿真結果，在釩液流電池工作的線性區，其狀態較為穩定，為簡化將其等效成一個50 V的理想電壓源，此部分的仿真目的是驗證在微電網并網工作模式下，所建立的儲能系統的雙向變流器能夠滿足設計要求。在仿真電路中電池模型后接IGBT逆變器，設定有功功率、無功功率的參考值為1、-0.6 kW，LCL濾波器參數設定為500 μH、20 μF、100 μH，變壓器變比為50 V/380 V，使用恒定負載，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時有功功率和無功功率能基本維持在給定的功率值附近波動。

圖6 蓄電池有功和無功功率實際值

如圖7所示，逆變器輸出的電壓、電流值可以很好地維持穩定，并且三相電壓、電流對稱。

圖7 蓄電池聯網運行時電壓和電流實際值

4 結論

本文設計了釩液流電池的模型以及儲能系統并網運行時的雙向變流器，設計了控制器及仿真電路的具體參數，仿真結果表明：釩電池的模型可為釩電池的操作運行提供工程指導，儲能系統的雙向變流器在并網運行時恒功率控制策略也基本滿足控制要求，對于電網的有效運行具有一定的參考意義。

[1]沈潔，李廣凱，候耀飛，等.釩液流電池建模及充放電效率分析[J].電源技術，2013，37(6):1-3.

[2]畢大強，葛寶明．基于釩電池儲能系統的風電場并網功率控制[J].電力系統自動化,2010,34(13):72-78.

[3]楊占剛.微網實驗系統研究[D].天津:天津大學,2010:37-45.

[4]王長貴,崔容強,周篁.新能源發電技術[M].北京：中國電力出版社,2003:86-97.

[5]李國杰,唐志偉,聶宏展,等.釩液流儲能電池建模及其平抑風電波動研究[J].電力系統保護與控制,2010,38(22):115-119.

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，內蒙古自治區人，碩士，副教授，主要研究方向為控制理論及應用。