加快大规模集中化全钒液流储能商业化应用研究

裘名华

摘要：根据储能技术相关物理特性，对其分类如下：功率密度高、响应迅速、适合用于频繁充放电的功率型¹；能量密度高、适合用于大规模能量存储的能量型，为推广全钒液流电池技术，我们基于电池本身的技术特点，对用户侧削峰填谷、发电厂AGC调频和新能源消纳三个场景的应用进行了研究，因其电池更换工作繁琐，产生氢气等不稳定因素的印象，非集装箱式的商业化应用作为本文的主要研究点²。给出了相应的解决方案、关键指标和经济性分析，并验证了大规模集中化全钒液流电池储能技术的可行性，为今后的规模化推广应用打下了基础.

关键词：全钒液流电池；规模化应用；削峰填谷；AGC调频；非集装箱式;商业化

1. 前言

能源与环境问题逐渐成为阻碍人类社会可持续发展非常突出的问题，应对我国人口众多、能源需求量巨大的发展中国家，加大光伏，风电配合储能提高能源利用效率已迫在眉睫，但因传统储能电池收到温度，衰减，化学反应不可控因素造成储能电站运行受阻，全钒液流电池稳定性高，衰减率低，能量密度大等特点，解决了传统电池的问题。开发高效可再生清洁能源，优化能源产业结构，成为保护生存环境、促进社会健康可持续发展的不二之选³.

全钒液流电池的原理如图1所示，主要由正负电极、隔膜、储液罐、泵以及循环管路组成。正极为电对，负极为电对，充电时，电解液在泵的作用下流过电堆中的电极，正极发生氧化反应释放电子，负极发生还原反应吸收电子，放电时，正极发生还原反应得到电子，负极发生氧化反应释放电子，正负极的电子通过电极上的集流板连接外接电路进行充放电⁴。电池总反应过程方程式如图2下:

图1 全钒液流电池模型

图2 化学反应过程方程式

因全钒液流体系电池电芯，管道等多方面因素会造成液体泄漏，集装箱式更换复杂等特点，提出非集装箱化集中化大规模全钒液流电池体系，为了满足未来我国大容量储能庞大的市场需求,提高产品质量,以市场应用为引导,推进市场 应用,在加快全钒液流电池在大容量储能领域的商业化应用中，电池健康安全的运行是目前面临的最大的挑战⁵。

2. 全钒液流电池规模化分析

储能在电力系统中已经具备一定的的应用场景，目前主要实在用户侧削峰填谷、发电侧AGC调频、新能源消纳这三种⁶。本节将针对这三种场景对全钒液流电池的应用进行研究分析，图2-1为1kW全钒液流电池相关参数：

图2-1 全钒液流电池参数

2-1全钒液流电池速率响应

可以发挥自身大容量、深放电的优势，在用户侧投资建设储能电站，低谷时期吸收电能，高峰时期释放电能满足负荷需求，缓解电力供需问题。同时，利用全钒液流电池储能电站进行削峰填谷可以根据峰谷价差进行套利，经济性良好⁷。

2-2 参与AGC调度

发电厂AGC是维护电力系统安全稳定的运行安全之一，全钒液流电池具有毫秒级的响应速度和精确的响应能力，单位功率调节效率高，与火电机组可以完美配合，解决短时内调频机组无法跟上AGC调度指令的问题，大大提高了机组的调频性能。同时，锌铁液流电池的高充放电次数和大容量、深充放电能力，使之完全可以适应于高频度、大功率的调频需求⁸，如图表1。

表1 全钒液流电池应用于发电侧调频的关键指标

名称	指标范围	指标说明
K	f(K1,K2,K3)	衡量机组AGC调频性能的指标，K1调节速率、K2调节精度、K3响应时间的综合取值，直接影响调频收益
调频里程	视调度情况而定	发电机组参与调频时的总功率贡献量
功率	1MW~100MW	可以根据调频需求灵活配置
响应时间	＜25ms	毫秒级响应速度保证及时、准确响应AGC指令
日充放电次数	1~500	完全满足高频度的调频需求
放电时间	15min~2h	可满足不同的调频时长需求

2-3全钒液流电池新能源消纳

新能源消纳应用方案如图2-3所示，左图为直流侧并网方案，右侧为交流侧并网方案。直流侧方案中，全钒液流电池串并联成组后，直接接入光伏系统所在的同一条直流母线上，再经光储变流器变换并升压后，与风电系统接入同一条交流母线，最终送入电网

⁹。

图2-3 全钒液流电池新能源消纳

3. 非集装箱式集中化全钒液流电池

全钒电池系统主要分3部分：电堆部分、电解液、控制系统，其中电堆的更换，电解液的制取与混合等都需要大量的项目现场地区，电堆与罐体分开运行，集装箱式已经远远不能达到电池运维体系及建设的要求，电堆对储能系统的成本、功率、循环寿命、效率、维护等性能有很大的影响¹⁰。

3-1电堆

电堆是提供电化学反应的场所，是实现储能系统电能和化学能相互转换的场所，是钒电池系统的核心部分。引起电池重量大，体积大，靠流体管道进行输送电解液，因此电池的更换受到空间上的巨大影响，保证电解液和电堆在高寒及高热地区的稳定运行，大规模的工厂化液流体系建设及运维策略是目前最有力的方式，如图3-1所示电池电堆。

图3-1 大连物化所全钒电堆

3-2电解液

电解液中不同杂质元素的含量对电解液的长期稳定性和充放电效率有影响，如某些杂质离子会导致电解液对温度敏感、产生沉淀、堵塞电堆管路等，传统集装箱式运维一次封装无法完成对后续电解液的更换和使用，则大规模非集装箱化的全钒液流电池是解决其问题的重要部分¹¹。如图3-2所示

、

如图3-2所示 上海电气全钒电池封装

4. 大规模非集装箱化应用案例及分析

4-1中建铁投集团华东公司辽宁大连分公司全钒储能

国家首个大型化学储能国家示范项目，中国唯一一座化学储能调峰电站，总建筑面积36519平方米，采用国内自主研发、具有自主知识产权的全钒液流储能技术，适用于大功率，大容量储能，为下一个化学液流电池奠定强有力的基础，如图4-1.

如

图4-1 辽宁大连全钒液流储能电站

4-2 美国加州大规模全钒液流电池

3600千瓦时钒液流电池，普能公司此项目的成功实施不仅打通了长久ⁱ以来电网 和大型企业的用电束缚，并且有力地证明兆瓦级全钒液流储能系统解决方案已经成功地提高电力系统的生产力，得到可观的经济利益，降低运营成本¹²。如图4-2所示

图4-2 美国加州全钒液流非集装箱式项目

5. 结论

本文通过对用户侧削峰填谷、发电厂AGC调频和新能源消纳三种目前最具备商业投资价值的应用场景进行研究，设计了相应的解决方案，并对各关键性能指标进行评价分析，提出非集装箱式全钒液流电池未来满足应用场景需求，及运维标准。最后通过介绍美国加州，辽宁大连全钒液流电池在国内外的首次示范应用项目，验证了其应用的可行性，整套储能系统可以发挥全钒液流电池的优势，解决新能源接入以及电力负荷峰谷差带来的电力系统安全问题，推广应用前景广阔。

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12. 加快全钒液流电池在大容量储能领域的商业化应用 霍婧,崔志广 ，中国电子信息产业发展研究院节能与环保研究所,北京 100846