大规模全钒液流储能电池系统及其控制方法和应用

摘要

本发明涉及全钒液流储能电池系统集成领域，特别是大规模全钒液流储能电池系统设计及其相应的运行控制方法。大规模全钒液流储能电池系统由若干个不同或者相同功率规模的电池单元系统组成，单元系统之间通过液体管路连接，通过调节液体连接管路上阀门以及电池模块的进出口阀门，实现电池系统不同功率规模、不同容量需求的运行模式，以及全钒液流储能电池单元系统的独立运行。本发明设计的大规模全钒液流储能电池柔性系统主要针对太阳能、风能发电应用过程中对储能规模需求的不稳定性，延长电池模块和电解液的使用寿命、降低大规模全钒液流储能电池系统的功耗。

权利要求

1.大规模全钒液流储能电池系统，其由m个，m≥2的全钒液流储能电池单元系统构成；

每个单元系统均由正极电解液储罐（1），负极电解液储罐（2），循环泵（3），阀门（4），n个全钒液流储能电池模块（5）构成；正极电解液储罐（1）通过二条管路分别与全钒液流储能电池模块（5）的正极电解液入口和出口连接，在全钒液流储能电池模块（5）的正极电解液入口与正极电解液储罐（1）间的连接管路上设置有循环泵（3），在循环泵（3）与正极电解液储罐（1）之间设置阀门（4）；负极电解液储罐（2）通过二条管路分别与全钒液流储能电池模块（5）的负极电解液入口和出口连接，在全钒液流储能电池模块（5）的负极电解液入口与负极电解液储罐（2）间的连接管路上设置有循环泵（3），在循环泵（3）与负极电解液储罐（1）之间设置阀门（4）； 所述n≥1；全钒液流储能电池模块（5）为n＞1时，全钒液流储能电池模块（5）液路之间连接方式为串联、并联或串并联结合； 其特征在于：在不同的全钒液流储能电池单元系统间设有如下所述的6条相互连接的液体管路；

不同的电池单元系统间的正极电解液储罐（1）通过管路连通，称之为a，连通管路上设置有阀门（4）；

不同的电池单元系统间的负极电解液储罐（2）通过管路连通，称之为b，连通管路上设置有阀门（4）；

不同的电池单元系统间的正极电解液出口通过管路连通，称之为c，连接点位于正极电解液储罐（1）的出口阀门和循环泵（3）之间，连通管路上设置有阀门（4）； 不同的电池单元系统间的负极电解液出口通过管路连通，称之为d，连接点位于负极电解液储罐（2）的出口阀门和循环泵（3）之间，连通管路上设置有阀门（4）； 不同的电池单元系统间的正极电解液入口通过管路连通，称之为e，连接点位于正极电解液储罐（1）的入口阀门和全钒液流储能电池模块正极电解液出口阀门之间，连通管路上设置有阀门（4）； 不同的电池单元系统间的负极电解液入口通过管路连通，称之为f，连接点位于负极电解液储罐（2）的入口阀门和全钒液流储能电池模块负极电解液出口阀门之间，连通管路上设置有阀门（4）。

2.按照权利要求1所述系统，其特征在于：全钒液流储能电池模块（5）为n＞1时，在全钒液流储能电池模块（5）的正极电解液入口和出口、以及负极电解液入口和出口处分别设 置有阀门(4)。

3.按照权利要求1所述系统，其特征在于：系统由m＞2的全钒液流储能电池单元系统构成时，所述6条对应的相互连接液体管路在不同的全钒液流储能电池单元系统间形成依次串联结构。

4.一种权利要求1所述全钒液流储能电池系统的运行控制方法，其特征在于：通过控制不同单元系统连接管路上的阀门以及全钒液流储能电池模块的进出口阀门，实现任意单元系统的正负极电解液进入其他单元系统的全钒液流储能电池模块或/和任意单元系统内从电池模块流出的正负极电解液进入其他单元系统的正负极电解液储罐或/和任意单元系统的正负极储罐中的电解液可以进入相邻单元系统内的正负极储罐，达到不同功率规模和不同容量需求的运行需求。

5.一种权利要求1所述全钒液流储能电池系统的应用，其特征在于：所述大规模全钒液流储能电池系统应用于太阳能和/或风能发电储能。

说明书

大规模全钒液流储能电池系统及其控制方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及全钒液流储能电池系统集成领域，特别是大规模全钒液流储能电池系统在太阳能、风能发电应用中的储能及稳定输出设计及其运行控制方法。

背景技术

[0002] 随着经济的高速发展，能源、资源与环境之间的矛盾日益突出，普及应用太阳能、风能等可再生能源发电技术是解决我国能源安全、实现节能减排基本国策的重要途径，是国民经济可持续发展的重大需求。由于太阳能和风能等可再生能源发电系统具有不稳定性和不连续性的非稳态特性，其发电量会产生显著变化，需要开发和建设配套的高效储能技术来保证发电和供电的连续性和平稳性。与其他储能技术相比，全钒液流储能电池具有能量转化效率高、蓄电容量大、选址自由、可深度放电、安全环保、维护费用低等优点，已成为大规模高效储能技术的首选技术之一。

[0003] 全钒液流储能电池在太阳能、风能发电系统中的应用形式主要为：当太阳能、风能发电装置的功率超过设定输出功率时，需要将电能储存在全钒液流储能电池中；当太阳能、风能发电装置的功率达不到设定输出功率时，需要全钒液流储能电池放电来补充。因此，对于储能电池而言，其输入电流、功率、容量和输出电流、功率、容量等都是不确定的，如何应对这些操作条件变化所带来的影响，即柔性问题，是实际应用过程中必须要解决的问题。原因主要有以下几个方面：其一，电池模块有一定的循环使用寿命，对于不同的输入和输出功率，可适当选择一定数量的电池模块进行充放电，整个全钒液流储能电池系统参加运行不利于延长电池模块的使用寿命；其二，电解液同样有一定的循环使用寿命，对于较小的输入、输出容量，全部电解液进行充放电会加速电解液的容量衰减；其三，对于不同的功率规模，全钒液流储能电池系统对应的电解液流量也不同，当功率规模发生变化时，电解液流量不变，势必会造成泵的功率损耗。因此从降低全钒液流储能电池系统功耗和延长使用寿命方面考虑，需要对全钒液流储能电池系统进行柔性设计，并建立相应的控制方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决大规模全钒液流储能电池系统在可再生能源发电应用中存在的上述问题，提供了一种大规模全钒液流储能电池柔性系统设计及其相应的控制方法，在延长全钒液流储能电池系统使用寿命的同时，降低全钒液流储能电池系统的功耗。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 大规模全钒液流储能电池系统由若干功率、容量规模的单元系统组成，单元系统之间通过液体管路连接，通过调节液体连接管路上阀门以及电池模块的进出口阀门，实现大规模全钒液流储能电池系统不同功率规模、不同容量需求的运行模式。

[0007] 具体为：

[0008] 大规模全钒液流储能电池柔性系统，其由正整数m个，m≥2的全钒液流储能电池单元系统构成；每个单元系统均由正极电解液储罐，负极电解液储罐，循环泵，全钒液流储能电池模块，阀门构成；

[0009] 正极电解液储罐通过二条管路分别与全钒液流储能电池模块的正极电解液入口和出口连接，在全钒液流储能电池模块的正极电解液入口与正极电解液储罐间的连接管路上设置有循环泵，在循环泵与正极电解液储罐出口之间设置阀门；

[0010] 负极电解液储罐通过二条管路分别与全钒液流储能电池模块的负极电解液入口和出口连接，在全钒液流储能电池模块的负极电解液入口与负极电解液储罐间的连接管路上设置有循环泵，在循环泵与负极电解液储罐出口之间设置阀门；

[0011] 所述全钒液流储能电池模块为正整数n个，n≥1;全钒液流储能电池模块为n＞1时，全钒液流储能电池模块间为串联、并联或串并联结合；

[0012] 不同的电池单元系统间的正极电解液储罐通过管路连通，连通管路上设置有阀门；不同的电池单元系统间的负极电解液储罐通过管路连通，连通管路上设置有阀门；

[0013] 不同的全钒液流储能电池单元系统间的正极电解液出口通过管路连通，连接点位于正极电解液储罐的出口阀门和循环泵之间，连通管路上设置有阀门；不同的全钒液流储能电池单元系统间的负极电解液出口通过管路连通，连接点位于负极电解液储罐的出口阀门和循环泵之间，连通管路上设置有阀门；

[0014] 不同的全钒液流储能电池单元系统间的正极电解液入口通过管路连通，连接点位于正极电解液储罐的入口阀门和电池模块出口阀门之间，连通管路上设置有阀门；不同的全钒液流储能电池单元系统间的负极电解液入口通过管路连通，连接点位于负极电解液储罐的入口阀门和电池模块出口阀门之间，连通管路上设置有阀门；

[0015] 在不同的全钒液流储能电池单元系统间形成6条相互连接的液体相通管路。

[0016] 全钒液流储能电池模块为n＞1时，在全钒液流储能电池模块的正极电解液入口和出口、以及负极电解液入口和出口处分别设置有阀门。

[0017] 系统由m＞2的全钒液流储能电池单元系统构成时，所述6条对应的相互连接液体管路在不同的全钒液流储能电池单元系统间形成依次串联结构。

[0018] 所述全钒液流储能电池系统的运行控制方法，通过控制不同单元系统连接管路上的阀门以及电池模块的进出口阀门，实现任意单元系统的正负极电解液可以进入其他单元系统的电池模块，任意单元系统内从电池模块流出的正负极电解液可以进入其他单元系统的正负极电解液储罐，任意单元系统的正负极电解液可以进入相邻单元系统内的正负极储罐，达到不同功率规模和不同容量需求的运行需求。

[0019] 本发明的全钒液流储能电池系统可应用于太阳能和/或风能发电储能。

[0020] 本发明具有如下优点：

[0021] 1.本发明通过全钒液流储能电池单元系统的耦合设计，建立大规模全钒液流储能电池柔性系统，实现大规模全钒液流储能电池系统不同功率、不同容量的需求，有利于延长电池模块和电解液的使用寿命。

[0022] 2.本发明通过切换全钒液流储能电池单元系统液体管路及其单元系统之间液体连接管路上的阀门，实现不同功率、不同容量的全钒液流储能电池系统的运行，操作简单，易于实现。

[0023] 3.本发明针对太阳能、风能发电应用过程中对储能规模需求的不稳定性，采用变频技术根据运行功率规模调节电解液流量，在满足电解液流量的前提下降低全钒液流储能电池系统的功耗。

附图说明

[0024] 图1为全钒液流储能电池单元系统流程示意图；

[0025] 图2为本发明包括两个单元系统的全钒液流储能电池柔性系统流程示意图；

[0026] 图3为本发明包括三个单元系统的全钒液流储能电池柔性系统流程示意图。

[0027] 图中：1正极电解液储罐， 2负极电解液储罐，3循环泵，4阀门，5电池模块。

具体实施方式

[0028] 大规模全钒液流储能电池系统按照应用所需的最大功率、容量需求进行构建，由若干功率规模的全钒液流储能电池单元系统组成，每个单元系统分别由电解液储罐、循环泵、若干电池模块、阀门及电解液管路组成。

[0029] 如图2所示全钒液流储能电池系统由2个电池单元系统构成；每个单元系统均由正极电解液储罐1，负极电解液储罐2，循环泵3，阀门4，电池模块5构成；

[0030] 正极电解液储罐1通过二条管路分别与全钒液流储能电池模块5的正极电解液入口和出口连接，在全钒液流储能电池模块5的正极电解液入口与正极电解液储罐1间的连接管路上设置有循环泵3，在循环泵3与正极电解液储罐1之间设置阀门4；

[0031] 负极电解液储罐2通过二条管路分别与全钒液流储能电池模块5的负极电解液入口和出口连接，在全钒液流储能电池模块5的负极电解液入口与负极电解液储罐2间的连接管路上设置有循环泵3，在循环泵3与负极电解液储罐1之间设置阀门4；

[0032] 所述的液流储能电池单元系统的正负极电解液储罐底部设有两个出口，其中一个与循环泵相连，另一个通过液体管路与其他单元系统相应的正负极电解液储罐的底部出口相连；电解液储罐顶部设有电解液入口；

[0033] 不同的电池单元系统间的正极电解液储罐1通过管路连通a，连通管路上设置有阀门4；

[0034] 不同的电池单元系统间的负极电解液储罐2通过管路连通b，连通管路上设置有阀门4；

[0035] 不同的全钒液流储能电池单元系统间的正极电解液出口通过管路连通c，连接点位于正极电解液储罐1的出口阀门和循环泵3之间，连通管路上设置有阀门4；

[0036] 不同的全钒液流储能电池单元系统间的负极电解液出口通过管路连通d，连接点位于负极电解液储罐2的出口阀门和循环泵3之间，连通管路上设置有阀门4；

[0037] 不同的全钒液流储能电池单元系统间的正极电解液入口通过管路连通e，连接点位于正极电解液储罐1的入口阀门和电池模块出口阀门之间，连通管路上设置有阀门4；

[0038] 不同的全钒液流储能电池单元系统间的负极电解液入口通过管路连通f，连接点位于负极电解液储罐2的入口阀门和电池模块出口阀门之间，连通管路上设置有阀门4；

[0039] 在不同的全钒液流储能电池单元系统间形成6条相互连接的液体相通管路[0040] 所述的全钒液流储能电池单元系统由5个10kW电池模块串联组成，每个电池模块的正负极电解液进出口都设有阀门。

[0041] 所述的全钒液流储能电池单元系统电解液的输送采用循环泵，根据不同运行功率规模，调节正负极电解液的流量。

[0042] 本发明设计的大规模全钒液流储能电池柔性系统主要针对太阳能、风能发电应用过程中对储能规模需求的不稳定性，延长电池模块和电解液的使用寿命、降低全钒液流储能电池系统的功耗。

[0043] 具体控制方法为：

[0044] 1．关闭液体连接管路上的标号为i”,j”,k”,l”,m”，n”的阀门，可以实现两个单元系统的独立运行（50kW/100 kWh）。

[0045] 2．当全钒液流储能电池系统满负荷运行时有两种运行方式：

[0046] 1）关 闭 液 体 连 接 管 路 上 的 阀 门i”,j”,k”,l”,m”，n”，打 开 阀 门a”,b”,c”,d”,e”,f”,g”,h”，单元系统在液体管路上是独立的，可以通过电路的连接形成100kW/200 kWh系统；

[0047] 2）打开阀门a”,d”,e”,g”,i”,j”,k”,l”,m”n”，关闭阀门b”, f”,c”,h”，两个单元系统的正极循环泵3从正极储罐1抽取电解液，分别经过电池模块5、5’后，都回到正极储罐1’，正极储罐1’内的电解液逐渐回到正极储罐1内，同理可得到负极侧的流程。此时两个单元系统在液体管路上是耦合的，形成100kW/200 kWh系统。

[0048] 3．当全钒液流储能电池系统所需功率较大，容量较小时可按如下操作：打开阀门e”,f”,g”,h” ，j”,k”,l”,m”，关闭阀门a”,b”,c”,d”，i”,n”,两个单元系统的正极循环泵从正极储罐1’抽取电解液，分别经过电池模块5、5’后，都回到正极储罐1’，同理可得到负极侧的流程，形成100kW/100 kWh系统；此时电解液储罐1、2内的电解液不参与充放电运行，减少了循环次数，延长了使用寿命。

[0049] 4．当全钒液流储能电池系统所需功率较小，容量较大时可按如下操作：打开阀门a”,d”,e”,g”,i”,k”,l”,n”，关闭阀门b”,c”,f”,h”,j”,m”,单元系统的正极循环泵从正极储罐1抽取电解液，经过电池模块5后，回到正极储罐1’，正极储罐1’内的电解液逐渐回到正极储罐1内，同理可得到负极侧的流程，形成50kW/200 kWh系统；此时单元系统内的电池模块5’不参加充放电运行，减少了使用次数，延长了使用寿命。

[0050] 5．全钒液流储能电池单元系统的运行功率规模还可以通过调节电池模块进出口的阀门进行调整，以适应不同运行功率规模的需求：

[0051] 1）当储能需求为30 kW时，一个50kW的单元系统单独运行就可满足需求，但是相对功率需求仍然较大，因此，关闭该单元系统内两个电池模块的进出口阀门，此时单元系统功率就变为30kW；

[0052] 2）当储能需求为70 kW时，需要两个50kW单元系统同时运行，但是也需要调节，一个单元系统满功率运行，关闭另一个单元系统内三个电池模块的进出口阀门，此时整个系统的功率就变为70kW；

[0053] 3）当全钒液流储能电池单元系统的运行功率规模发生变化后，采用变频技术调节电解液流量，在满足电解液流量的前提下，降低全钒液流储能电池系统的功耗。