流道结构与电解液流动状态对VRB性能的影响

设计了两种不同的流道结构，考察了在平流和穿流情况下，电解液流动状态对全钒液流电池（VRB）性能的影响。改变电解液的循环流量，考察了活性物质的供应量和流动状态对充放电电压的影响。穿流结构的流道可增加电极的有效面积，改善电解液流动的均匀性，提高能量效率1．5％-5．0％。电解液流动状态对能量效率的影响约在1．5％以内，弱于流动方式和流道结构的影响。

VRB用季铵化聚醚砜阴离子交换膜

对聚醚砜(PES)进行氯甲基化、季铵化改性,制备了季铵化PES(QAPES)阴离子交换膜,考察了不同离子交换容量(IEC)膜的含水率、面电阻(R)、化学稳定性及单体全钒氧化还原液流电池(VRB)的性能。IEC为1.47 mmol/g的QAPES膜的R为0.66Ω.cm2,在1.5 mol/L VO2+溶液中浸泡30 d,质量损失为4.5%,单体VRB的能量效率可达84.4%。

SMES-VRB复合储能平抑再生能源功率波动协调控制

为解决可再生能源的间歇性和波动性,保证微电网各发电单元之间功率平衡,加入复合储能(HESS)是行之有效的方法。提出将功率型超导储能(SMES)和能量型钒流电池(VRB)储能组成复合储能平抑含风力发电的微电网功率波动。针对现有两级滤波法的缺点,加入荷电状态(SOC)反馈,提出基于优化控制层和协调控制层的分层控制。仿真比较了两级滤波法和分层控制法平抑风电功率波动的效果及各储能SOC的动态变化,结果验证了SMES和VRB复合储能分层控制策略的有效性。

电流密度和温度对VRB性能的影响

利用千瓦级全钒液流电池（VRB）模块，考察了电流密度和温度等因素对VRB输出性能的影响。在1．000～1．550V的单体电池工作电压区间内，充电电流密度对容量的影响比放电电流密度大。随着温度从25℃降低至-5℃，VRB的极化从20mV／20mA·cm^2增加到40mV／20mA·cm^2；以80mA／cm^62和40mA／cm^2循环时，能量效率降低率分别约为0．32％／℃和0．06％／℃。

全钒液流电池高浓度下V(IV)/V(V)的电极过程研究

采用循环伏安、低速线性扫描和阻抗技术,以石墨为电极,研究了V(IV)/V(V)在较高浓度下的电极过程.结果表明,采用2.0mol·L-1的V(IV)溶液时,H2SO4浓度低于2mol·L-1,V(IV)/V(V)反应极化大,可逆性差,表现为电化学和扩散混合控制;H2SO4浓度增至2mol·L-1以上,V(IV)/V(V)反应的可逆性提高,转为扩散控制,且增加H2SO4浓度有利于阻抗的降低;但H2SO4浓度超过3mol·L-1,溶液的粘度和传质阻力大,阻抗反而增大.在3mol·L-1的H2SO4中,随着V(IV)浓度的增加,体系的可逆性和动力学改善,阻抗减小;但V(IV)浓度超过2.0mol·L-1,较高的溶液粘度导致溶液的传质阻力迅速增加,V(IV)/V(V)的电化学性能衰减,阻抗增大.因此,综合考虑电极反应动力学和电池的能量密度两因素,V(IV)溶液的最佳浓度为1.5～2.0mol·L-1,H2SO4浓度为3mol·L-1.

全钒液流电池开路电压模型

建立全钒液流电池六参数开路电压计算模型,揭示开路电压由电池总电势和VO2+/VO2+电极电势决定,并与电解液中钒离子透膜扩散行为密切相关。模型计算得到开路电压存在两个电压平台和一个转折点,与实验结果较为一致。利用该模型计算了电池开路时电解液中4种钒离子浓度随时间的变化关系,指出电池电解液不均衡性是由不同价态钒离子在膜相的Donnan平衡和透膜扩散系数不同产生的。该模型可为优化电池操作提供理论指导,并可为电池长期运行时电解液管理提供工程指导。

储能型直驱永磁同步风力发电控制系统

为提高直驱永磁风力发电系统的性能,在直流侧增加新型钒氧化还原液流电池(VRB)储能装置。设计了相应的双向DC/DC变换器控制策略,在风速变化时,VRB能够通过快速充放电平抑系统发电机输出功率波动以及平衡电网需求功率;在电网电压跌落时,还可提高低电压穿越能力。对具有储能电池的风力发电系统建立了仿真模型,详细分析了系统在风速变化、电网需求功率变化以及电压跌落时的动态响应过程和运行特性,并给出了仿真验证。仿真结果表明,在直流侧加VRB储能装置,有效地提高了直驱风电系统并网运行性能和低电压穿越能力,系统动态响应速度快。

电解液流动方式对全钒液流电池性能的影响

研究了两种不同电解液流动方式（平流和穿流）对全钒液流电池（VRB）充放电电压和电流、U-I曲线及效率的影响.在20 mA/cm^2的充放电电流密度下,采用穿流方式的单体VRB的能量效率较采用平流方式提高4%～10%,电流效率提高10%,电压效率提高5%～8%.

全钒液流电池关键材料研究进展

全钒液流电池是一种新型高效电能转化与储存装置。由于其电池输出功率与储能容量彼此独立,适用于风能、太阳能等可再生能源发电过程和电网调峰过程作为规模化储能装置使用。本文在介绍全钒液流电池原理基础上,重点围绕电池过程的关键材料展开讨论,包括电极材料的种类、各自特点与电极改性方法;电池隔膜材料的筛选结果、材料改性方法等国内外研究进展。

含DC/DC变换器全钒液流电池储能系统安全充放电策略

为了确保全钒液流电池(VRB)储能系统的安全充放电,提出含DC/DC变换器的VRB储能系统的不同充放电控制模式。在建立VRB等效电路并验证其有效性的基础上,提出内环为VRB侧电感平均电流控制,外环为恒功率、恒压、涓流切换控制的DC/DC变换器双闭环策略,并结合DC/AC网侧变换器维持直流侧电压恒定。以VRB荷电状态及端电压为约束条件,提出对应的三阶段安全充放电控制模式。以含DC/DC变换器的5kW VRB储能系统为例,对不同充放电切换控制下的VRB运行特性进行了仿真,并与传统恒定功率无切换充放电控制进行对比,分析了恒功率充放电模式下的控制策略的动态响应能力。结果表明,提出的含DC/DC变换器的VRB不同充放电切换模式能更好地使VRB工作在安全运行区域,且具有良好的充放电动态响应速度。

导流结构和电极结构对全钒液流电池性能的影响

设计了平直并联和蛇形流道以及平整式和开孔式电极结构,比较了它们对全钒液流电池(VRB)性能的影响。在单体电池的充电电压为1.6 V,放电电阻为1Ω的情况下,蛇形流道和开孔式电极能够有效提升VRB的性能,能量效率分别比平直并联流道和平整式电极提高11.0%和8.7%。

基于钒电池储能系统的风电场并网功率平抑控制

为平抑风电场输出功率波动,选择在风电场并网母线位置配置钒电池储能系统。采用双向AC/DC变流器作为钒电池储能系统的功率调节器并推导出其在d-q坐标系下的暂态数学模型。针对此数学模型强耦合、非线性等不利于控制器设计的特点,采用状态反馈精确线性化方法,将其转化为线性形式,再采用变结构原理中的变指数趋近律方法设计系统的闭环控制器。仿真结果表明,当风速快速变化时,钒电池储能系统能够通过快速充放电平抑风电场输出波动;而且与PI控制相比,变结构控制可使系统的动态性能更好。此外,钒电池储能系统具有有功和无功功率可以独立调节的特点,可实现风电功率的解耦控制。

隔膜扩散特性对全钒液流单电池性能的影响

为了研究隔膜扩散特性对全钒氧化还原液流单电池充放电性能的影响，利用设计的渗透池实验测定了VO^2＋和VO^2＋在两种离子交换膜中的扩散系数，约为10^-9～10^-7cm^2／s。使用扩散系数较小的离子交换膜组成的钒电池，充放电性能较好，电流效率达到90％。

暂态边界电压法在线测试全钒液流电池阻抗

国内首次采用暂态边界电压法在线研究了全钒液流电池(VRB)的特性,建立了由电压源、电阻以及一个电阻与电容并联的3部分串联而成的等效电路模型;研究了电流密度和荷电状态(SOC)对等效电路元件的影响。实验结果表明,极化阻抗随电流密度的增加有轻微下降,在充电初期和放电末期达到最大值。与极化阻抗相比,充、放电过程中的欧姆阻抗最大,是导致电压损失的主要因素,分别为1.905Ω.cm2和2.139Ω.cm2,暂态边界电压法是一种简单且有效的表征全钒液流电池性能的新方法。

全钒液流电池用PVDF基离子交换膜

制备了3种聚偏氟乙烯(PVDF)基离子交换膜,比较了面电阻、离子交换容量(IEC)、含水率和钒离子渗透速率。PVDF与丙烯磺酸钠(SAS)共混制备的PVDF-SAS膜的面电阻最小,为1.2Ω.cm2,IEC达到1.16 mmol/g。FT-IR分析表明:这种膜在制备过程中,SAS的C C键在长时间高温后发生了聚合反应,与PVDF形成了互穿网络结构。自放电实验表明:所制备的膜在开路状态下,钒离子渗透速率小于8.8×10-3V/h。

液流电池系统的模块化集成特性研究

结合电力系统对储能电池的实际要求,开展了100 k W级全钒液流电池系统的集成特性研究。对10 k W级电堆多种串并联方式下的效率、内阻和主电流分布等特性参数进行了实验与分析。实验结果:在相同功率等级和功率等级扩展两方面,串并联集成方式对效率的改善优于串联方式;系统内阻随功率扩展呈非线性增长;串联电堆之间主电流的对称分布导致各电堆工作状态不一致,将导致电堆性能差异增大;为全钒液流电池储能系统的集成技术、应用仿真和可靠性评价提供了实践依据。

基于钒流电池储能的虚拟同步发电机控制策略

构建基于钒流电池储能的虚拟同步发电机(VSG),使微电网具有同步发电机惯量大、输出阻抗大等特性。采用同步发电机5阶方程作为VSG本体模型,双向Buck-Boost变换器作为连接钒流电池储能装置与VSG的桥梁,在调频单元中加入2次调频及对转动惯量和阻尼值的合理设置,可以省去传统的预同步单元,在4象限内准确地跟踪有功和无功功率,实现VSG离网到并网平滑切换。

全钒液流电池等效电路模型的分类和比较

随着风力发电、光伏发电等可再生能源的规模利用,规模化储能技术研究也越来越深入。作为规模化储能电池,全钒液流电池(VRB)以其功率容量相互独立、环境友好、效率高等优势具有广阔的应用前景。VRB等效电路模型是开展电池系统设计、放大、控制和优化的基础。根据VRB等效电路模型的复杂程度,介绍了VRB的四种等效电路模型,对比分析了其优缺点;综合考虑仿真目的与实验条件,提出了一种改进的RC等效电路模型。

钒液流电池平滑风电场输出功率研究

基于PSCAD/EMTDC搭建了永磁直驱风电场,并根据钒液流电池(VRB)的数学模型搭建了并网型电磁仿真模型。根据风电场的输出功率变化,设定相应的能量管理及控制策略,对含有钒液流电池的风电场进行仿真分析。仿真结果表明,钒液流电池可较好地平滑风电场输出功率的波动性,在一定程度上提供无功支持,改善电压稳定性。

双卡尔曼滤波下的全钒液流电池荷电状态估计

全钒液流电池(vanadium redox flow battery,VRB)荷电状态(state of charge,SOC)是评价电池性能、估算电池容量的重要参数,也是储能系统管理和调控的关键依据。文章通过搭建实时仿真平台,采用基于卡尔曼滤波原理,在扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法的基础上提出的双卡尔曼滤波(double Kalman filter,DKF)算法对全钒液流电池SOC进行在线估计,并将其与传统的安时积分法测量方式进行对比分析。实验表明,该方法相比于安时积分法具有更好的准确性,且估算误差在2%以内。