全釩液流電池電堆串聯(lián)運(yùn)行對漏電電流的影響

全釩液流電池電堆串聯(lián)運(yùn)行對漏電電流的影響張蓉蓉;劉宗浩;周博然;劉靜豪;史松杰【摘要】通過建立全釩液流電池多電堆串聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)等效模型，模擬計算了多電堆串聯(lián)電池系統(tǒng)內(nèi)各電堆內(nèi)部及電堆盤管間的漏電電流分布情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各串聯(lián)電堆的內(nèi)部漏電電流同單個電堆相比，漏電電流的分布規(guī)律發(fā)生了變化.針對這一現(xiàn)象,分別對系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)電堆數(shù)量、電堆外接盤管等效電阻及每個電堆內(nèi)所含單電池數(shù)量等漏電影響因素，建立全釩液流電池儲能系統(tǒng)Simulink等效模型，對多電堆串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真.通過對仿真結(jié)果分析得到結(jié)論:系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)電堆數(shù)越多，電堆外接盤管等效電阻越小，系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)各電堆所含單電池數(shù)越多，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)各電堆漏電電流分布變化越大.該研究為全釩液流電池的多電堆串聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計以及風(fēng)險防范等方面提供了參考依據(jù).【期刊名稱】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2019(043)008【總頁數(shù)】4頁(P1377-1380)【關(guān)鍵詞】全釩液流電池;漏電電流分布;仿真;系統(tǒng)設(shè)計【作者】張蓉蓉;劉宗浩;周博然;劉靜豪;史松杰【作者單位】大連融慧能源科技有限公司，遼寧大連116025;大連融慧能源科技有限公司，遼寧大連116025;大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司，遼寧大連116025;國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司，遼寧大連116023;大連融慧能源科技有限公司,遼寧大連116025;國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽110006【正文語種】中文【中圖分類】TM911隨著風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)規(guī)模的日益擴(kuò)大，為保證電能質(zhì)量，提高新能源利用率，相應(yīng)配套的儲能系統(tǒng)規(guī)模也越來越大。電化學(xué)儲能方式以其成本低、建設(shè)周期短、安裝方便等特點(diǎn)，近年來在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1-5］。全釩液流電池儲能技術(shù)作為近年來崛起的電化學(xué)儲能技術(shù)的代表，具有安全，環(huán)保，使用壽命長，功率和容量單元可單獨(dú)設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來大規(guī)模推廣的電化學(xué)儲能技術(shù)之一［6-8］。全釩液流電池具有典型的液流電池結(jié)構(gòu)，正負(fù)極電解液分別將正極和負(fù)極不同電位點(diǎn)連接形成離子短路，在電池系統(tǒng)內(nèi)部形成漏電環(huán)流，系統(tǒng)效率下降，并導(dǎo)致一系列材料熱穩(wěn)定、老化問題［9］。大量研究［10-12］表明，在液流電池電堆內(nèi)串聯(lián)單電池數(shù)量越多，電堆內(nèi)公共流道和分支流道上通過的漏電電流也就越大，電堆效率越低；公共流道漏電電流由外向內(nèi)，漏電電流逐漸增大，分支流道漏電電流由外向內(nèi)逐漸減小。減小電堆內(nèi)單電池數(shù)量有利于降低電堆內(nèi)的漏電損耗［13-14］。在實(shí)際工程應(yīng)用中，單一電堆往往不能滿足實(shí)際需求，需要通過電堆的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)高電壓、大功率的輸出。而以往關(guān)于漏電電流的研究往往集中在單一電堆層面，針對電堆組成系統(tǒng)運(yùn)行后的漏電電流變化卻鮮有研究。本文在全釩液流電池單堆漏電規(guī)律的基礎(chǔ)上，搭建多電堆串聯(lián)運(yùn)行儲能系統(tǒng)Simulink等效電路模型，分析電堆串聯(lián)運(yùn)行時不同位置電堆漏電電流偏移情況及其變化規(guī)律，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。1單堆模型目前，常見的液流電池電堆結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次包含端板、進(jìn)液板、集流板、雙極板、電極框、炭氈電極、隔膜等，如圖1所示。正負(fù)極電解液通過外部進(jìn)液口進(jìn)入，并通過每節(jié)單電池電極框的公共流道分配到每個單電池的分支流道，進(jìn)入電極參與反應(yīng)，然后經(jīng)另一側(cè)分支流道匯入公共流道，最后通過電堆出液口流出。圖1電堆結(jié)構(gòu)電極框結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在運(yùn)行過程中，電極框的公共流道與分支流道內(nèi)的空間被電解液充滿，并形成了離子漏電通路，公共流道與分支流道內(nèi)的電解液阻值，為漏電通路上的電阻。在本仿真過程中，正極電解液電阻率為2.3x10-2Q?m,負(fù)極電解液電阻率為3.1x10-2Q?m,根據(jù)公式R=pL/S，得到正負(fù)極公共流道內(nèi)電解液等效電阻分別為0.29和0.39Q,正負(fù)極分支流道內(nèi)電解液等效電阻分別為147.59和198.93Q。圖2電極框公共流道與分支流道電堆內(nèi)部等效電路如圖3所示。其中，Rma、Rta分別代表堆內(nèi)正極電解液公共流道與分支流道等值阻抗；Rmc、Rtc分別代表堆內(nèi)負(fù)極電解液公共流道與分支流道等值阻抗；E代表堆內(nèi)單電池電動勢；Re代表單電池等效內(nèi)阻。圖3電堆內(nèi)部漏電等效電路仿真模擬了含有26節(jié)單電池的電堆在開路電壓(OCV)為1.5V時，堆內(nèi)分支流道及公共流道漏電電流的分布情況。由圖4可知，其中，橫坐標(biāo)分別是公共流道和分支流道按照從電堆正極到電堆負(fù)極依次排序的編號，縱坐標(biāo)為漏電電流值(正負(fù)表示電流方向)，由于負(fù)極電解液電阻率較高，正極流道漏電電流絕對值高于負(fù)極，但整體規(guī)律相似：公共流道漏電電流的方向一致，兩側(cè)漏電電流值較小，越靠近中心漏電電流值越大，左右呈軸對稱；電堆左右兩側(cè)分支流道漏電電流方向相反，且由外向內(nèi)逐漸減小，呈中心對稱形式。大量研究表明，隨著電堆內(nèi)串聯(lián)單電池數(shù)量的增加，中間公共流道的漏電電流與兩側(cè)分支流道的漏電電流會越來越大。圖4堆內(nèi)漏電電流分布情況2系統(tǒng)模型在實(shí)際應(yīng)用過程中，電堆會根據(jù)不同功率及電壓等級需求串并聯(lián)成一個系統(tǒng)來運(yùn)行，并聯(lián)的系統(tǒng)通常由相同支路并聯(lián)而成，因此，本文只分析電堆串聯(lián)運(yùn)行情況，模擬了一組8個電堆串聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5仿真系統(tǒng)模型當(dāng)多個電堆通過串并聯(lián)組成系統(tǒng)運(yùn)行時，為保證各電堆內(nèi)電解液的流量及流速的一致性，電解液需要電堆外部的管路形成〃儲罐-電堆-儲罐”液路閉環(huán)，其中直接與電堆連接的管路稱為盤管。在該系統(tǒng)內(nèi)部，電解液由儲罐通過盤管分別輸送給各個電堆。電堆串聯(lián)運(yùn)行后，每個電堆都處于不同電位點(diǎn)，而此時充滿電解液的盤管再一次將不同電位點(diǎn)連通，形成系統(tǒng)內(nèi)漏電流離子通路。仿真模型中使用的盤管內(nèi)直徑為24.8mm，正極盤管等效電阻Rpa為46.94Q/m,負(fù)極盤管等效電阻Rpc為63.27Q/m。實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)如表1所示。表1仿真參數(shù)公共流道等效電阻/0.290.39OCV/V1.5分支流道等效電阻/147.59198.93項目正極負(fù)極參數(shù)3電堆串聯(lián)運(yùn)行與單堆運(yùn)行對比3.1串聯(lián)電堆數(shù)對漏電電流的影響由漏電電流等效電路模型可知，正負(fù)極液路形式相似，其漏電電流分布規(guī)律也近似—致，這里以正極電解液漏電情況為代表進(jìn)行分析。如圖6所示，S1、S2......S10為系統(tǒng)內(nèi)的串聯(lián)電堆從系統(tǒng)正極至負(fù)極的編號，S0為對比電堆，代表不含外部液路單一運(yùn)行的電堆，且各個電堆型號參數(shù)均相同。圖6串聯(lián)電堆數(shù)對漏電電流的影響由圖6可見，電堆串聯(lián)組成系統(tǒng)運(yùn)行后，系統(tǒng)內(nèi)各個電堆漏電流的分布規(guī)律與單個獨(dú)立運(yùn)行電堆S0相比，無論是公共流道漏電電流分布還是分支流道的漏電電流分布都發(fā)生了一定的變化。公共流道方面：在同一電堆內(nèi)，距離盤管越近的公共流道的漏電電流，相對于標(biāo)準(zhǔn)電堆S0的變化越大；而在同一系統(tǒng)內(nèi)，越靠近串聯(lián)首末端的電堆公共流道漏電電流變化越大。分支流道方面：在同一電堆內(nèi)，距離盤管越近的分支流道漏電電流，相對于標(biāo)準(zhǔn)電堆S0的變化越大；而在同一系統(tǒng)內(nèi)，越靠近串聯(lián)首末端的電堆分支流道漏電電流變化越大。位于串聯(lián)中間位置的電堆內(nèi)漏電電流分布情況與電堆S0接近，串聯(lián)兩側(cè)的電堆內(nèi)漏電電流變化方向也分別向兩個方向發(fā)生偏移，系統(tǒng)整體漏電電流分布近似以電堆S0的漏電電流分布曲線為中心呈對稱變化。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)電堆數(shù)增加時，電堆內(nèi)漏電電流的整體變大，尤其是最外側(cè)電堆與盤管直接相連的公共流道和分支流道的漏電電流會越來越大。圖7獨(dú)立電堆內(nèi)漏電電流示意圖電堆內(nèi)部分支流道及公共流道漏電電流流向如圖7所示。其中，為了顯示清晰，便于理解，將正負(fù)極液路化簡。當(dāng)單一電堆獨(dú)立運(yùn)行且不含外部管路時，電解液將電堆內(nèi)不同電位點(diǎn)連通形成漏電電流離子通路，且電位差越大，漏電電流越大；夕卜側(cè)分支流道承擔(dān)的電位差較大，中間分支流道承擔(dān)的電位差較小，因此分支流道漏電電流由外向內(nèi)逐漸減?。欢擦鞯缆╇婋娏鞣植家?guī)律則是電流由高電位流向低電位時先匯流、后分流形成的，因此兩側(cè)漏電電流小而中間漏電電流大。堆內(nèi)分支流道及公共流道的漏電電流呈對稱分布，漏電電流在堆內(nèi)形成環(huán)流，對外的漏電電流總和為0。當(dāng)電堆通過串并聯(lián)組成系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行時，漏電電流不再是單堆內(nèi)部環(huán)流，即單堆對外漏電電流之和不再為0，原本的對稱性也會受到破壞，而單堆對外漏電電流之和就表現(xiàn)為與之相連的盤管漏電電流。此時，對應(yīng)盤管漏電電流越大，單堆對外漏電電流之和也就越大，單堆對稱性的破壞也就越嚴(yán)重，漏電電流偏移程度也越大。在系統(tǒng)中，每個電堆可認(rèn)為是一個小的電池單元，盤管就相當(dāng)于分支流道，同樣起到了連接不同電位點(diǎn)的作用，因此盤管漏電電流分布規(guī)律可類比于分支流道漏電電流分布規(guī)律，即串聯(lián)首末端的漏電電流較大。因此，在系統(tǒng)內(nèi)部位于串聯(lián)首末端的電堆漏電電流變化較大。3.2系統(tǒng)盤管長度對各電堆漏電電流的影響通過盤管連通各個電堆，系統(tǒng)漏電電流回路由單個電堆擴(kuò)展到系統(tǒng)，漏電損耗進(jìn)一步加大。為了降低盤管對系統(tǒng)漏電電流的影響，需要增加盤管的等效電阻；根據(jù)電阻公式R=pL/S可知，在不改變盤管內(nèi)徑的情況下，增加盤管長度可增加盤管的等效電阻。在圖5所示系統(tǒng)基礎(chǔ)上，只改變盤管長度，分析系統(tǒng)漏電電流的變化情況，如圖8所示。從圖8中可見，在同一系統(tǒng)中，只改變盤管長度，系統(tǒng)內(nèi)各電堆的漏電電流分布情況也隨之發(fā)生變化。盤管長度越長，等效電阻越大，夕卜側(cè)電堆的公共流道以及分支流道的漏電電流偏移程度也就越小。圖8不同長度盤管對漏電電流的影響綜上所述，電堆串聯(lián)系統(tǒng)的盤管漏電流分布規(guī)律與堆內(nèi)分支流道漏電電流分布規(guī)律類似，因此，正如電堆內(nèi)串聯(lián)單電池數(shù)量越多、分流道漏電電流越大的規(guī)律一樣，系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)電堆越多，盤管漏電電流也就越大；盤管漏電電流越大，對應(yīng)電堆內(nèi)公共流道與分支流道的漏電電流變化也就越大。當(dāng)盤管等效電阻無限大時，盤管等效電路相當(dāng)于開路，各電堆內(nèi)漏電電流分布情況會無限接近單堆獨(dú)立運(yùn)行情況。3.3電堆所含單電池節(jié)數(shù)對漏電電流的影響大量研究顯示，單堆內(nèi)串聯(lián)單電池數(shù)量越多，單堆整體漏電損耗越大。但在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要直流側(cè)有較高的電壓輸出，如果單堆內(nèi)所串聯(lián)的單電池數(shù)目下降，那系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)串聯(lián)電堆數(shù)就需要增加，還是會加重系統(tǒng)整體漏電問題；但考慮到單堆串聯(lián)電池節(jié)數(shù)下降后，對單堆供應(yīng)電解液的盤管口徑也可以隨之下降，進(jìn)而增加盤管的等效電阻，這對系統(tǒng)整體漏電情況具有一定的改善作用，為了進(jìn)行綜合比較，進(jìn)行如下仿真。這里以總串聯(lián)單電池節(jié)數(shù)100節(jié)的系統(tǒng)為例，分別建立了含不同單電池的電堆，每個電堆的電解液由等長度盤管統(tǒng)一供應(yīng)，具體包括以下系統(tǒng)：①號系統(tǒng)：由20個含5節(jié)單電池的單堆串聯(lián)組成；②號系統(tǒng)：由10個含10節(jié)單電池的單堆串聯(lián)組成；③號系統(tǒng)：由5個含20節(jié)單電池的單堆串聯(lián)組成；④號系統(tǒng)：由4個含25節(jié)單電池的單堆串聯(lián)組成。相應(yīng)的，①號系統(tǒng)單堆所含單電池節(jié)數(shù)最少，單堆對應(yīng)的盤管截面積也最小；②號系統(tǒng)盤管截面積是①號系統(tǒng)截面積的兩倍，以此類推，由此可知，各系統(tǒng)總電解液流量是一致的。仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，單堆串聯(lián)單電池數(shù)量越多，電堆中間的公共流道及其外側(cè)的分支流道漏電電流越大；在同一系統(tǒng)中，位于串聯(lián)首末端的電堆的外側(cè)分流道及其中間的公共流道的漏電電流較大；同樣串聯(lián)100節(jié)單電池，內(nèi)部電堆所串聯(lián)的單電池數(shù)量越多，系統(tǒng)整體漏電電流越大，造成的漏電損耗也就越大。圖9系統(tǒng)內(nèi)單堆所含單電池數(shù)對漏電電流的影響4結(jié)論本文通過建立多電堆串聯(lián)運(yùn)行Simulink仿真模擬，得到系統(tǒng)內(nèi)電堆漏電電流的偏移規(guī)律及影響因素，即相同系統(tǒng)內(nèi)，串聯(lián)電堆數(shù)越多，連接盤管等效電阻越小，系統(tǒng)串聯(lián)首末端的電堆漏電電流偏移程度越大；系統(tǒng)串聯(lián)的電壓及流量等一致的情況下，單堆所含單電池越多，漏電電流的偏移問題越嚴(yán)重。由此可知，電堆串聯(lián)運(yùn)行后，內(nèi)部漏電平衡被打破并發(fā)生有規(guī)律的變化，增加了系統(tǒng)串聯(lián)首末端電堆單電池運(yùn)行的風(fēng)險，相對于其他位置電堆的首末節(jié)電池，更易出現(xiàn)過熱、老化等問題，嚴(yán)重時還會引起內(nèi)漏事故的發(fā)生。因此，在電池系統(tǒng)設(shè)計過程中，在滿足工藝、電解液流量等條件下，應(yīng)盡量減少單堆內(nèi)串聯(lián)單電池數(shù)量，同時增加盤管等外部連接管路的等效電阻；在對直流側(cè)電壓要求較低的情況下，應(yīng)盡量減少系統(tǒng)中串聯(lián)電堆的數(shù)量。基于以上特性對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，對改善系統(tǒng)串聯(lián)首末端電堆溫升問題，降低系統(tǒng)漏電損耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等具有重要意義。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】李建林，田立亭，來小康.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2015(23):15-25.汪海蛟，江全元.應(yīng)用于平抑風(fēng)電功率波動的儲能系統(tǒng)控制與配置綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(19):126-135.王成山，武震，李鵬.分布式電能存儲技術(shù)的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(16):1-8.李成，楊秀，張美霞，等.基于成本分析的超級電容器和蓄電池混合儲能優(yōu)化配置方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(18):20-24.王松岑，來小康，程時杰.大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(1):3-8.王曉麗，張宇，李穎，等.全釩液流電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2015，4(5):458-