李鑫:全钒液流电池的建模与控制

来源:北极星储能网

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关键词:储能 液流电池 储能学术论坛

    全钒液流电池这种储能系统有两种接口,一种是交流,就是交流互联,还有一种是直流互联,在交流互联里面比较清楚的DC/AC的模型非常多,我们主要做的直流互联怎么做,双向直流分类非常多的,有隔离的、非隔离的,这个过程里面引起大家重视的就是隔离性的,对我们液流电池安全问题非常重要,目前锂电池很多DC/DC是非隔离的,安全的问题、供电的问题等等。



    8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开。在8日“电化学储能”分论坛上,合肥工业大学智能制造技术研究院院长助理、副教授 中国可再生能源学会储能专委会副委员李鑫作“全钒液流电池的建模与控制”报告。


    以下为发言实录:


    合肥工业大学智能制造技术研究院院长助理、副教授 中国可再生能源学会储能专委会副委员李鑫:为什么做数学建模?因为全钒液流电池已经走向了商业化时代,功能化验证已经完成了,液流电池使用过程中从锂电池应用里面出现了很多问题,安全问题,安全问题到底是电池本质的原因、还是接口的问题、还是规则的问题,是什么,不清楚,我们课题组想从模型提前对全钒液流电池商业化运行找出安全的道路、高效的道路。


    这是我的介绍,分六个部分:


    首先看一下研究背景。


    液流电池商业化的背景和市场大家都知道了,不用讲了,比较熟悉,对比,刚才各位都讲了。


    首先看一下全钒液流电池的发展,为什么讲发展?因为这里面我们会走向什么阶段呢?第一个阶段,液流电池的研发阶段,就是起始阶段,不是我们,第二个工程化过程,也不是我们,商业化开发,第三个阶段里面加拿大公司做了很好的示范,第四个阶段的时候,在我们国内功能的应用应该说我们基本上是延续了他们的技术路线,到我们现在第五个阶段,就是商业化运营阶段,必须要解决一个问题,原材料、结构整个生产体系是我们国内完全建立自主知识产权生产体系,这个时候就给我们带来新的问题,这个问题能不能在我们国内得到解决就看我们能花多大的工夫。


    从我们国家的政策来看,讲的很清楚,就是它的商业化运行,它不再是功能性验证,也不是可行性验证,而是商业化验证,也有说我做了液流电池必须要有商业化价值,这是国家的一个着眼点。同时规模是什么呢?规模就是100兆瓦,当然我们目前还没有达到这个级别,10兆瓦级别,100兆瓦还没有,真正的商业化运营还没有,怎么办。


    这个是液流电池的示范,目前市场上能查得到的基本上分这两个时期,第一个时期基本上小功率的,2004—2006。后来到2012—2014这个时期,大规模的功能验证阶段。目前为止商业化的还不多。


    这种情况下液流电池有很多研究热点,当然可能将来会从材料到控制、到接口、到生产体系,它的研究热点会转到这个地方。我们认为它的研究热点,第一个,怎么研究下一代高兴能、低成本的液流电池,材料的生产体系出来,包括原材料的生产。另外一个,泵,为什么强调泵,工作过程里面泵的高效运行,这里面是非常重要的东西,目前没有很好的泵解决这个问题。还有模拟仿真,如果说我们真的建了100兆瓦、4小时的液流电池,意味着花15亿到20亿左右,那么大的液流电池里面,整个电解液系统、电堆系统、电控系统是不是可靠的,没有人知道,这个时候需要一个仿真分析、计算。当然最后是它的电极系统到底怎么做。


    这是我们国家的标准,这个标准让我们的电池有很好的保驾护航的方法,我做了液流电池至少知道我是好的还是坏的,这个标准国际标准、国家标准都有。国内出现了很多很多的研发机构,包括融科储能、上海电气、科学院武汉,包括清华大学、武汉理工等等,这里面还有没列的,抱歉,肯定还有很多机构在做这个事情。


    液流电池的基本原理我们认为,除了这个系统之外还有电池管理、还有DC/DC,还有管路、电解液罐,应该是考虑一体化的去建模,怎么去控制。就像我们现在的电机一样,我们生产电机,但是电机的控制和接口同样重要,所以我们整体讲。基于这个思路,我们对电池里面的结构做了一个分析,第一种是我们电堆采用串并联,罐体是两个独立的罐体,这是一种结构,这种结构的建模比较复杂。第二种结构是电堆和罐独立的这种结构,这种结构目前在用户侧比较多,在发电侧它的大功率少一点,这两种都需要。当然从电池本身的材料来讲它有包括电机、电解液、质子交换膜、密封等等进行测试,当然有很多测试标准。例如面电阻,测试方法就是这个测试方法,显然这个测试方法我们在电池生产完了之后是没办法测试的,这是一个很大的问题,包括电化学交流阻抗,密封性、形变率这些怎么来做。在性能测试里面我们现在讲的都是离线的测试方法,这些离线的测试方法在我们的生产体系里面怎么体现,在我们电池的使用过程里面到底怎么体现,没有人解决。


    第三个,我们讲电池的模型,一种是早期的电化学模型,到后边的电路模型。下边我们看一下第二种模型。这里面我列了很多文章,我们也做了大量细致的梳理工作,我们从电路的接口两讲有模型的看法,但是这个看法已经现在已经不能用了。另外一种考虑电流的损耗模型,还有考虑热相关的电气模型。我们认为,应该考虑到这三类,应该考虑它的容量衰减包括支路的损耗包括电堆在一起的这种混合模型,在混合模型里面至少包括三个部分,第一个部分是这个部分,是它的流体力学,因为如果多个电堆并联,电解液独立的话,现在电池整个工作过程里边流量是变化的,这种情况下流量的损耗、压力的损耗、做工要发生作用。另外一个,电化学的模块,这个电化学的模块在电堆里面、在电解液里面,它的均匀的过程、它的离子浓度怎么去刻画,另外就是它的电堆与外面的接口部分,这一步它的模型。


    基于这三个部分的模型,第一个,等效的电路模型,这个模型应该说大家都比较熟悉了,包括这个是内阻,这个是泵的电路。另外一个电化学模型,在电化学模型里面,电堆里面的动态方程,罐体里的方程,这个方程很好看,但是怎么测,传感器准不准,测的动态性怎么样,能不能反映实际情况,这些东西还需要做很多工作,我们做了很多工作,时间原因不再讲了。


    另外电堆的损耗,包括管路的损耗,因为我们管路很多,这个管路里面有阀门、有直通、有三通,各种回流阀、还有泵,电堆里面有导流槽,电堆里面有多孔介质,这些阻力到底怎么做,这里面我们做了管道压降、电堆压降等等,管压降我们通过硬件结构做分析。


    基于这个我们做了仿真,把参数放进去做了一些仿真,目前我们在用上海电气他们的电堆,还有其他的一些东西,我们实测它的系统和我们实际仿真系统之间对比分析,到底这个差距在哪个地方。


    这是我们得到的一些结果,例如在电堆里面,就是说我工作的情况下电堆发电才能用,这个时候离子怎么变化、电压怎么变化,得到一些参数。另外,我泵在传输的时候,这是我恒电压或者恒电流,在充电、放电,这个里面我们的恒压和恒恒电的充放电到底怎么考虑的,来做一些实验。另外调整它的电流,这个时候它的电压、里面的离子浓度怎么变的,通过这个我们得出结论,这个数学模型基本上反映里面的整体特征,有很多学者如果愿意做我们可以把这个测试系统贡献给他。


    我们在5千瓦的液流电池上进行了对比,验证了我们这个数学模型和它的物理模型之间的准确性和可实用性,实用条件是什么,大家都说仿真系统是不行的,我们看很多材料很好看,图形很好看,但是我们知道这个材料里面很多仿真软件是没有的,我们国内自己做自己的仿真软件,当然这也是一个很好的起始。


    这个是SOC的估计,液流电池SOC的估计非常复杂,不单单是离子浓度的问题,当然我们通过离子浓度知道了它的理论值是什么样的,但是我们发现它的SOC实际上和电堆的结构、和你的有效的膜电极和你的快速性是有关系的,虽然我理论的SOC发不出来,有可能出现这种情况,所以SOC到底怎么做。在这个过程里面我们发现,其实SOC是一个多变量耦合的系统,不是简单的一个开路电压的问题,所以这里面我们采用了两个方法,第一步解决参数变时的问题,因为在我们的液流电池里面,要在线的测试这个参数,基于这个参数和模型在线的估计它可用的SOC是多少。


    这是我们做的测试系统,测试系统做的很苦,这个里面我们自己有BMS、电堆的循环泵,包括电解液这是我们说最早的第一代电池,现在我们正在用上海电气的电堆进行测试,我们的模型和他们的模型之间的关系是什么关系。这是我们的一些参数,基本上我们说,我们的模型和物理模型之间的误差在2%左右,这是扣除了我们的传感器误差之后的部分。这是我们的模型验证,我在SOC值不确定的形成下怎么做,这个部分解决了SOC初始值不知道的情况下怎么做。有的同行可能问SOC怎么会不知道,因为SOC外部结构发生改变的时候、它的温度发生改变的时候,它的SOC初始值发生变化了,怎么办。


    我们做了一些比较,通过这个办法,在它的初始值不准的情况下快速抽检到我的期望值,我们发表了下面的文章,可以查阅到。


    另外一个部分,全钒液流电池接口的建模。全钒液流电池这种储能系统有两种接口,一种是交流,就是交流互联,还有一种是直流互联,在交流互联里面比较清楚的DC/AC的模型非常多,我们主要做的直流互联怎么做,双向直流分类非常多的,有隔离的、非隔离的,这个过程里面引起大家重视的就是隔离性的,对我们液流电池安全问题非常重要,目前锂电池很多DC/DC是非隔离的,安全的问题、供电的问题等等,在大功率的全钒液流电池里面我们一贯推荐用隔离性的DC/DC。这是不隔离的DC/DC的建模,这是它的电路模型,我们通过分析得到了它的数学模型,标准化数学模型,我们把数学模型和电路模型对比分析,我们来看这种建模方法是不是好的。


    第二个,这种模型就是全桥的电路,我们对它的状况进行分析,然后找出它的电路,最后得到它的方程。但是我们发现,普通的建模方法是不行的,必须在改进的我状态下去建模,我们得出它的数学模型比较复杂。最后我们把这个数学模型和实际的电路模型对比,然后得到了它的差异性,我们后来发现,与变压器内阻的关系,当然这个变压器的内阻是可以测定的。


    在大多数情况下,我们往往使用全桥带隔离性的,前面加上降压和升压的DC/DC,就是两级的DC/DC,这个情况下怎么办,进行建模,得到等效的电路模型,然后数学模型,最后进行模拟验证,把我的数学模型和他的电路模型进行验证,后来发现有3%的误差,因为发现两个DC/DC并联的时候有一个耦合的问题。


    后续我们说研究这是一块电池、这是一块电池,这是直流母线,三端口的DC/DC,解决后面研究四端口DC/DC、六端口DC/DC,一个电池通过子耦合连多个系统,这样的系统就非常安全,而且方便调度,这个值得研究,这个研究也是热点之一。


    另外一个,液流电池的控制。液流电池的控制我们分为三个层次,第一个层次就是本地的控制,就是液流电池本身的流速和泵的SOC和电流电压之间的控制,这里面要有电池的充放电控制等等。第二个部分,液流电池的功率分配,多个电池串起来以后,通过DC/DC直流母线怎么调度。另外,通过电力系统对我的PCS调度。我们往往会把这三个层次变成两个层次或者一个层次,实际上是是不妥的,有可能出现一个情况,同一个电网里面这个电池这个厂家生产的、那个电池是那个厂家生产的,这个时候模型是不一样的。


    这是我们的充放电设备,这是我们的控制,这是我们单体的充放电得到的一些结果。


    这是液流电池系统协调数学模型,包括各种各样的目标函数,包括成本、损耗、SOC的一致性、约束条件,约束条件包括整体出力、单个处理、爬坡能力,爬坡能力就是调度性。评价指标,怎么评价,我的充放电次数多少次,虽然我的液流电池次数非常多,但是也不能无限制使用,每次都是有成本的。这是液流电池的协调控制,我们在这里面做了一些算法,我们在10个液流电池并联运行里面做了一个仿真,都有哪些算法,我们有一些算力,在我们实物仿真系统得到了验证。这是我们算的结果,这个图表达不同的液流电池在不同阶段被谁调度了、为什么调度,这里看的很清楚。最后得到的结果,SOC不同的情况下,通过我的调度SOC是相同的,增长成本是趋于一致的。


    这是传统的功率分配和我们的功率分配的差异,传统的功率分配是这个差异,最后是这个差异,中间是不变的,我们通过那个方法可以是变化的。这个是策略的对比。


    我们研究所做了大量的数学建模的工作,这个就是我们做的一些本体的建模、系统调度的建模,我们研究所也承担了一些国家自然资金、国家重点研发、工信部的一些项目,获得了安徽省科技进步二等奖、三等奖。这是我们的一些专利,发表了一些文章。这是我们研究所做的一些项目,这是我们实验室,在合肥建立了一个实验室,我可以通过远程把状态拿来不断的迭代,这是我们做的一个实验平台,这是我们做的一些内部的短路。当然我们说把算法做得很好,最后就是算法,我要把算法集成到BMS里面去,BMS很简单,确实很简单,但是BMS是我们单个液流电池电堆和管路系统的感知系统,如果说它这个系统不全或者不及时,对于后面的控制是很危险的,所以这块还要花大工夫去做。


    这是我们内部的电路做切换,可以全部智能化的切换,这是我们做的验证平台。这是我们现在正在花大力气做的兆瓦级储能系统半实物仿真平台,有些电池是真实的,有些电池是模型,我们可以把这个电池放大,基于兆瓦级的液流电池,可以对它进行分析。我们下一步想做百兆瓦级的液流电池的仿真平台。


    这是我们研究所的一些学生,有些已经毕业了,有些在中心,他们前期做了非常多的工作。非常感谢大家,有不妥的地方多多批评。(以上内容根据速记整理,未经嘉宾审核)


    (审核编辑: Doris)