CN104133975A - 电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法，该方法建立全矾液流电池的等效电路：电池电压正极分两路，一路接电阻R_fixedloss，电阻R_fixedloss另一端接电池电压负极，电阻R_fixedloss的两端并联有受控电流源I_pumploss；电池电压正极另一路接受控电压源正极，受控电压源负极接电阻R_reaction，电阻R_reaction另一端接电阻R_{resistiveloss}，电阻R_{resistiveloss}另一端接电池电压负极，受控电压源正极与电阻R_reaction另一端之间并联有电容C_electrodes，然后分别求取各参数。该方法可以进行电磁暂态仿真。

Description

电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统中储能电池电磁暂态建模技术领域，特别涉及一种电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法。

背景技术

全钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB），是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

钒电池作为储能系统使用，具有以下特点：1）电池的输出功率取决于电池堆的大小，储能容量取决于电解液储量和浓度，因此它的设计非常灵活，当输出功率一定时，要增加储能容量，只要增大电解液储存罐的容积或提高电解质浓度；2）钒电池的活性物质存在于液体中，电解质离子只有钒离子一种，故充放电时无其它电池常有的物相变化，电池使用寿命长；3）充、放电性能好，可深度放电而不损坏电池；4）自放电低，在系统处于关闭模式时，储罐中的电解液无自放电现象；5）钒电池选址自由度大，系统可全自动封闭运行，无污染，维护简单，操作成本低；6）电池系统无潜在的爆炸或着火危险，安全性高；7）电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂；8）能量效率高，可达75%~80%，性价比非常高；9）启动速度快，如果电堆里充满电解液可在2min内启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02s。

钒电池因其独特优点，使其在风力发电、光伏发电、电网调峰、电动汽车电源、不间断电源和应急电源等众多领域得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法，该方法可以进行电磁暂态仿真。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法，建立全矾液流电池的等效电路：电池电压V_battery正极分两路，一路接电阻R_fixed loss第一连接端，所述电阻R_fixed loss第二连接端接所述电池电压V_battery负极，所述电阻R_fixed loss的两端并联有受控电流源I_pump loss；所述电池电压V_battery正极另一路接受控电压源V_stack正极，所述受控电压源V_stack负极接电阻R_reaction第一连接端，所述电阻R_reaction第二连接端接电阻R_{resistive loss}第一连接端，所述电阻R_{resistive loss}第二连接端接所述电池电压V_battery负极，所述受控电压源V_stack正极与电阻R_reaction第二连接端之间并联有电容C_electrodes；

全矾液流电池的单节电池电压V_cell由下式(1)求取：

    (1)

式中，a为全矾液流电池电极平衡电势，R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数， n为电极反应中得失的电子数，SOC为电池的荷电状态；

由M节电池串联组成的电池堆，其堆栈开路电压，即受控电压源V_stack为：

V _stack  = M × V _cell      (2)

电池堆的功率P_stack由下式(3)求取：

    (3)

式中，P_rating为电池系统的额定输出功率，P_loss为电池系统的总损耗，P_loss由下式(4)求取：

P _loss  = P _internal  + P _{external_fixed}  + P _{external_variable}     (4)

式中，P_internal是由电阻R_reaction和R_{resistive loss}产生的内部损耗，P_{external_fixed}是由电阻R_fixed loss产生的外部固定损耗，P_{external_variable}是由受控电流源I_pump loss产生的外部变化损耗；

通过给定的各类损耗值、电池电压V_battery求出电阻R_reaction、R_{resistive loss}和R_fixed loss的值，而受控电流源I_pump loss由下式(5)求取：

    (5)

式中，k为一经验系数；

电池系统中单个电池的电容为C _vf，n个电池串联，整个电池系统的电容为：

C = C _vf / n    (6)

电池的荷电状态SOC由下式(7)求取：

SOC = 现存的容量 / 可以储存的总容量    (7)

SOC _t+1 = SOC _t  + ΔSOC    (8)

式中，SOC_t+1为下一时步t+1的荷电状态，SOC_t为当前时步t的荷电状态，ΔSOC为下一时步与当前时步的荷电状态偏差；

    (9)

式中，ΔE为储能偏差量，E_capacity为储能总容量，Time_setp为仿真步长，Time_rating为储能系统在额定功率下进行充电的额定时间，当充电时，I_stack为正，ΔSOC为正，SOC值不断增加；当放电时，I_stack为负，ΔSOC为负，SOC值不断减少。

本发明的有益效果是提供了一种电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法，该方法是根据需要的电池系统容量，对整个电池堆进行建模，并可以进行电磁暂态仿真。

附图说明

图1是本发明实施例中全矾液流电池的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法，根据需要的电池系统容量，对整个电池堆进行建模。该方法建立全矾液流电池的等效电路如图1所示：电池电压V_battery正极分两路，一路接电阻R_fixed loss第一连接端，所述电阻R_fixed loss第二连接端接所述电池电压V_battery负极，所述电阻R_fixed loss的两端并联有受控电流源I_pump loss；所述电池电压V_battery正极另一路接受控电压源V_stack正极，所述受控电压源V_stack负极接电阻R_reaction第一连接端，所述电阻R_reaction第二连接端接电阻R_{resistive loss}第一连接端，所述电阻R_{resistive loss}第二连接端接所述电池电压V_battery负极，所述受控电压源V_stack正极与电阻R_reaction第二连接端之间并联有电容C_electrodes；

其中各变量的含义说明如下：

受控电压源V_stack：电池内部的电化学反应电动势，与电池的充放电状态SOC相关；

电阻R_reaction、电阻R_{resistive loss}：电池的内阻，其值为定值，根据电池系统的运行损耗进行估算；

电容C_electrodes：电池两个电极板之间的等效电容，为常量；

辅支路中的受控电流源I_pump loss：电池系统的泵损，其电流值大小与SOC相关；

电阻R_fixed loss：外部附加损耗，通过电池的运行损耗进行估算，其值为常量；

SOC：电池的荷电状态，通过电池电流、电压与运行时间进行求解；

全矾液流电池的单节电池电压V_cell由下式(1)求取：

    (1)

式中，a为全矾液流电池电极平衡电势，a=1.255，R为气体常数，R=8.3143J/K·mol，T为绝对温度，常温时T=298K，F为法拉第常数，为1mol电子的电量，即96500C/mol，n为电极反应中得失的电子数，在全矾液流电池的电化学反应中n=1，SOC为电池的荷电状态；

由M节电池串联组成的电池堆，其堆栈开路电压，即受控电压源V_stack为：

V _stack  = M × V _cell      (2)

电池堆的功率P_stack由下式(3)求取：

    (3)

式中，P_rating为电池系统的额定输出功率，P_loss为电池系统的总损耗(%)，P_loss由下式(4)求取：

P _loss  = P _internal  + P _{external_fixed}  + P _{external_variable}     (4)

式中，P_internal是由电阻R_reaction和R_{resistive loss}产生的内部损耗，P_{external_fixed}是由电阻R_fixed loss产生的外部固定损耗，P_{external_variable}是由受控电流源I_pump loss产生的外部变化损耗；

通过给定的各类损耗值、电池电压V_battery求出电阻R_reaction、R_{resistive loss}和R_fixed loss的值，而受控电流源I_pump loss由下式(5)求取：

    (5)

式中，k为一经验系数，可取0.009；

电池系统中单个电池的电容为C _vf，本实施例中单个电池的电容为6F，n个电池串联，整个电池系统的电容为：

C = C _vf / n    (6)

电池的荷电状态SOC由下式(7)求取：

SOC = 现存的容量 / 可以储存的总容量    (7)

仿真时SOC会随着充放电状态的变化而变化；

SOC _t+1 = SOC _t  + ΔSOC    (8)

式中，SOC_t+1为下一时步t+1的荷电状态，SOC_t为当前时步t的荷电状态，ΔSOC为下一时步与当前时步的荷电状态偏差；

    (9)

式中，ΔE为储能偏差量，E_capacity为储能总容量，Time_setp为仿真步长，Time_rating为储能系统在额定功率下进行充电的额定时间，当充电时，I_stack为正，ΔSOC为正，SOC值不断增加；当放电时，I_stack为负，ΔSOC为负，SOC值不断减少。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电力系统中全矾液流电池电磁暂态仿真建模方法，其特征在于，建立全矾液流电池的等效电路：电池电压V_battery正极分两路，一路接电阻R_fixed loss第一连接端，所述电阻R_fixed loss第二连接端接所述电池电压V_battery负极，所述电阻R_fixed loss的两端并联有受控电流源I_pump loss；所述电池电压V_battery正极另一路接受控电压源V_stack正极，所述受控电压源V_stack负极接电阻R_reaction第一连接端，所述电阻R_reaction第二连接端接电阻R_{resistive loss}第一连接端，所述电阻R_{resistive loss}第二连接端接所述电池电压V_battery负极，所述受控电压源V_stack正极与电阻R_reaction第二连接端之间并联有电容C_electrodes；

全矾液流电池的单节电池电压V_cell由下式(1)求取：

    (1)

式中，a为全矾液流电池电极平衡电势，R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数， n为电极反应中得失的电子数，SOC为电池的荷电状态；

由M节电池串联组成的电池堆，其堆栈开路电压，即受控电压源V_stack为：

V _stack  = M × V _cell       (2)

电池堆的功率P_stack由下式(3)求取：

    (3)

式中，P_rating为电池系统的额定输出功率，P_loss为电池系统的总损耗，P_loss由下式(4)求取：

P _loss  = P _internal  + P _{external_fixed}  + P _{external_variable}     (4)

式中，P_internal是由电阻R_reaction和R_{resistive loss}产生的内部损耗，P_{external_fixed}是由电阻R_fixed loss产生的外部固定损耗，P_{external_variable}是由受控电流源I_pump loss产生的外部变化损耗；

通过给定的各类损耗值、电池电压V_battery求出电阻R_reaction、R_{resistive loss}和R_fixed loss的值，而受控电流源I_pump loss由下式(5)求取：

    (5)

式中，k为一经验系数；

电池系统中单个电池的电容为C _vf，n个电池串联，整个电池系统的电容为：

C = C _vf / n    (6)

电池的荷电状态SOC由下式(7)求取：

SOC = 现存的容量 / 可以储存的总容量    (7)

SOC _t+1 = SOC _t  + ΔSOC    (8)

式中，SOC_t+1为下一时步t+1的荷电状态，SOC_t为当前时步t的荷电状态，ΔSOC为下一时步与当前时步的荷电状态偏差；

    (9)

式中，ΔE为储能偏差量，E_capacity为储能总容量，Time_setp为仿真步长，Time_rating为储能系统在额定功率下进行充电的额定时间，当充电时，I_stack为正，ΔSOC为正，SOC值不断增加；当放电时，I_stack为负，ΔSOC为负，SOC值不断减少。