[发明专利]全钒液流电池系统的储能单元以及提高储能单元直流侧电压的方法

说明书

全钒液流电池系统的储能单元以及提高储能单元直流侧电压的方法，属于液流电池领域，用于解决储能单元内部各电池模块间的SOC差异的问题，要点是电池模块Mi的正/负极电解液分别自电池模块Mi所对应的正/负极电解液储罐经由第一电解液循环管路输送分配至电池模块Mi内各个电堆后，通过所述第二电解液循环管路将各个所述电堆的极性相同电解液输送至与所输送的电解液极性保持一致的电池模块Mi+1所对应的电解液储罐内，效果是能够有效提高储能单元的直流侧电压，提升交流侧输出电压，降低系统损耗。

技术领域

本发明属于液流电池领域，具体的说是涉及一种全钒液流电池系统的储能单元以及提高储能单元直流侧电压的方法。

背景技术

不同应用领域针对储能系统产品的功率及容量有不同的需求，如针对家庭用户，为满足需求侧响应及谷电峰用等功能需求，储能系统的功率一般要达到数千瓦级和数十千瓦级；针对分布式发电及智能微网系统和工商业用户，储能系统的功率一般要达到百千瓦级和兆瓦级；针对可再生能源发电领域和电力系统调峰领域，储能系统的容量需求要达到兆瓦级和百兆瓦级以上。

其中，电堆是全钒液流电池系统充放电，实现电能与化学能转化的场所，是全钒液流电池系统实现充放电的最小单位。从目前国内和国际生产和开发全钒液流电池产品的公司情况来看，单个电堆的额定功率大约在千瓦级和数十千瓦级，比如，日本住友电工公司生产的电堆最大达到42kW，大连融科储能技术发展有限公司生产的电堆最大电堆达到33.5kW。针对百千瓦级、兆瓦以上级等更大规模电池储能系统，通常采用模块化设计成组方案。如通过电堆在电气方面串并联，并公用一套电解液系统的方式构成单个电池模块(详见示意图1)；多个电池模块通过电气串并联，并与储能变流器连接，组成一个可以调度的电池储能单元，实现充放电。(详见图2)多个储能单元通过能量管理系统进行集中调度，构成兆瓦级储能系统。通过上述模块化设计方案可以满足兆瓦以上级储能系统的需求。

储能单元的运行效率、可靠性和经济性决定了大规模储能系统运行的效率、可靠性和经济性。从提高运行效率、经济性角度出发，储能单元直流侧电压范围不宜过低。直流侧电压过低，将会导致交流侧运行电流过高，线损情况严重，效率受到不利影响。

为提高储能单元直流侧电压，一种措施是提高单个电池模块的直流侧电压，另一种措施是增加电池模块的串联数量。针对单个电池模块，各电堆之间通过公用电解液管路相连，而电解液可以导电的技术特性使得电堆间产生漏电电流。漏电电流与电池模块的直流侧总电压有关。但是电堆串联数量越多，电池模块直流侧电压越高，产生的漏电电流越大，电池模块内部能量自损耗越高，对能量转换效率产生不利影响。同时漏电电流过大也会导致电堆内部和电解液管路局部放热集中，电堆和管路系统故障率增加，对系统的稳定可靠运行产生不利影响。因此，电池模块的直流侧电压不宜过高。通过计算和优化发现，单个全钒液流电池模块的直流侧电压宜不高于320V。

另一种方案是通过将电池模块串联，其可以有效提高储能单元的直流侧输出电压。然而储能单元在运行过程中，因为各电池模块所使用的电堆、电解液流量、压力、温度等存在差异性而必然会导致电池模块间电解液离子状态出现差异，产生电池模块运行的不一致性问题。该差异性主要表现为储能单元内部各电池模块间的SOC差异。电池模块间SOC的差异对于储能单元的总体性能会产生不利影响。比如当电池模块间SOC差异较大时，储能单元在充电过程中当高SOC电池模块的SOC达到上限时，低SOC电池模块还有部分可充容量没有被充电利用。在放电时，低SOC电池模块必然最先放电至最低SOC下限，而高SOC电池模块还有部分容量没有释放。上述问题的存在会导致储能单元的可充电容量和可放电容量表现出一定程度的降低。另外，当SOC差异到一定程度后，还需要对储能单元进行停机维护，影响电池储能系统设备的实际利用率，不利于全钒液流电池储能系统产品的应用。

发明内容

鉴于现有技术中储能单元内部各电池模块间的SOC差异的问题，本发明的一个目的是要提出一个能够有效解决上述问题的储能单元：即