李鑫:全釩液流電池的建模與控制

來源:北極星儲能網

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關鍵詞:儲能 液流電池 儲能學術論壇

    全釩液流電池這種儲能系統有兩種接口,一種是交流,就是交流互聯,還有一種是直流互聯,在交流互聯里面比較清楚的DC/AC的模型非常多,我們主要做的直流互聯怎么做,雙向直流分類非常多的,有隔離的、非隔離的,這個過程里面引起大家重視的就是隔離性的,對我們液流電池安全問題非常重要,目前鋰電池很多DC/DC是非隔離的,安全的問題、供電的問題等等。



    8月8日,由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會”分論壇在北京召開。在8日“電化學儲能”分論壇上,合肥工業大學智能制造技術研究院院長助理、副教授 中國可再生能源學會儲能專委會副委員李鑫作“全釩液流電池的建模與控制”報告。


    以下為發言實錄:


    合肥工業大學智能制造技術研究院院長助理、副教授 中國可再生能源學會儲能專委會副委員李鑫:為什么做數學建模?因為全釩液流電池已經走向了商業化時代,功能化驗證已經完成了,液流電池使用過程中從鋰電池應用里面出現了很多問題,安全問題,安全問題到底是電池本質的原因、還是接口的問題、還是規則的問題,是什么,不清楚,我們課題組想從模型提前對全釩液流電池商業化運行找出安全的道路、高效的道路。


    這是我的介紹,分六個部分:


    首先看一下研究背景。


    液流電池商業化的背景和市場大家都知道了,不用講了,比較熟悉,對比,剛才各位都講了。


    首先看一下全釩液流電池的發展,為什么講發展?因為這里面我們會走向什么階段呢?第一個階段,液流電池的研發階段,就是起始階段,不是我們,第二個工程化過程,也不是我們,商業化開發,第三個階段里面加拿大公司做了很好的示范,第四個階段的時候,在我們國內功能的應用應該說我們基本上是延續了他們的技術路線,到我們現在第五個階段,就是商業化運營階段,必須要解決一個問題,原材料、結構整個生產體系是我們國內完全建立自主知識產權生產體系,這個時候就給我們帶來新的問題,這個問題能不能在我們國內得到解決就看我們能花多大的工夫。


    從我們國家的政策來看,講的很清楚,就是它的商業化運行,它不再是功能性驗證,也不是可行性驗證,而是商業化驗證,也有說我做了液流電池必須要有商業化價值,這是國家的一個著眼點。同時規模是什么呢?規模就是100兆瓦,當然我們目前還沒有達到這個級別,10兆瓦級別,100兆瓦還沒有,真正的商業化運營還沒有,怎么辦。


    這個是液流電池的示范,目前市場上能查得到的基本上分這兩個時期,第一個時期基本上小功率的,2004—2006。后來到2012—2014這個時期,大規模的功能驗證階段。目前為止商業化的還不多。


    這種情況下液流電池有很多研究熱點,當然可能將來會從材料到控制、到接口、到生產體系,它的研究熱點會轉到這個地方。我們認為它的研究熱點,第一個,怎么研究下一代高興能、低成本的液流電池,材料的生產體系出來,包括原材料的生產。另外一個,泵,為什么強調泵,工作過程里面泵的高效運行,這里面是非常重要的東西,目前沒有很好的泵解決這個問題。還有模擬仿真,如果說我們真的建了100兆瓦、4小時的液流電池,意味著花15億到20億左右,那么大的液流電池里面,整個電解液系統、電堆系統、電控系統是不是可靠的,沒有人知道,這個時候需要一個仿真分析、計算。當然最后是它的電極系統到底怎么做。


    這是我們國家的標準,這個標準讓我們的電池有很好的保駕護航的方法,我做了液流電池至少知道我是好的還是壞的,這個標準國際標準、國家標準都有。國內出現了很多很多的研發機構,包括融科儲能、上海電氣、科學院武漢,包括清華大學、武漢理工等等,這里面還有沒列的,抱歉,肯定還有很多機構在做這個事情。


    液流電池的基本原理我們認為,除了這個系統之外還有電池管理、還有DC/DC,還有管路、電解液罐,應該是考慮一體化的去建模,怎么去控制。就像我們現在的電機一樣,我們生產電機,但是電機的控制和接口同樣重要,所以我們整體講。基于這個思路,我們對電池里面的結構做了一個分析,第一種是我們電堆采用串并聯,罐體是兩個獨立的罐體,這是一種結構,這種結構的建模比較復雜。第二種結構是電堆和罐獨立的這種結構,這種結構目前在用戶側比較多,在發電側它的大功率少一點,這兩種都需要。當然從電池本身的材料來講它有包括電機、電解液、質子交換膜、密封等等進行測試,當然有很多測試標準。例如面電阻,測試方法就是這個測試方法,顯然這個測試方法我們在電池生產完了之后是沒辦法測試的,這是一個很大的問題,包括電化學交流阻抗,密封性、形變率這些怎么來做。在性能測試里面我們現在講的都是離線的測試方法,這些離線的測試方法在我們的生產體系里面怎么體現,在我們電池的使用過程里面到底怎么體現,沒有人解決。


    第三個,我們講電池的模型,一種是早期的電化學模型,到后邊的電路模型。下邊我們看一下第二種模型。這里面我列了很多文章,我們也做了大量細致的梳理工作,我們從電路的接口兩講有模型的看法,但是這個看法已經現在已經不能用了。另外一種考慮電流的損耗模型,還有考慮熱相關的電氣模型。我們認為,應該考慮到這三類,應該考慮它的容量衰減包括支路的損耗包括電堆在一起的這種混合模型,在混合模型里面至少包括三個部分,第一個部分是這個部分,是它的流體力學,因為如果多個電堆并聯,電解液獨立的話,現在電池整個工作過程里邊流量是變化的,這種情況下流量的損耗、壓力的損耗、做工要發生作用。另外一個,電化學的模塊,這個電化學的模塊在電堆里面、在電解液里面,它的均勻的過程、它的離子濃度怎么去刻畫,另外就是它的電堆與外面的接口部分,這一步它的模型。


    基于這三個部分的模型,第一個,等效的電路模型,這個模型應該說大家都比較熟悉了,包括這個是內阻,這個是泵的電路。另外一個電化學模型,在電化學模型里面,電堆里面的動態方程,罐體里的方程,這個方程很好看,但是怎么測,傳感器準不準,測的動態性怎么樣,能不能反映實際情況,這些東西還需要做很多工作,我們做了很多工作,時間原因不再講了。


    另外電堆的損耗,包括管路的損耗,因為我們管路很多,這個管路里面有閥門、有直通、有三通,各種回流閥、還有泵,電堆里面有導流槽,電堆里面有多孔介質,這些阻力到底怎么做,這里面我們做了管道壓降、電堆壓降等等,管壓降我們通過硬件結構做分析。


    基于這個我們做了仿真,把參數放進去做了一些仿真,目前我們在用上海電氣他們的電堆,還有其他的一些東西,我們實測它的系統和我們實際仿真系統之間對比分析,到底這個差距在哪個地方。


    這是我們得到的一些結果,例如在電堆里面,就是說我工作的情況下電堆發電才能用,這個時候離子怎么變化、電壓怎么變化,得到一些參數。另外,我泵在傳輸的時候,這是我恒電壓或者恒電流,在充電、放電,這個里面我們的恒壓和恒恒電的充放電到底怎么考慮的,來做一些實驗。另外調整它的電流,這個時候它的電壓、里面的離子濃度怎么變的,通過這個我們得出結論,這個數學模型基本上反映里面的整體特征,有很多學者如果愿意做我們可以把這個測試系統貢獻給他。


    我們在5千瓦的液流電池上進行了對比,驗證了我們這個數學模型和它的物理模型之間的準確性和可實用性,實用條件是什么,大家都說仿真系統是不行的,我們看很多材料很好看,圖形很好看,但是我們知道這個材料里面很多仿真軟件是沒有的,我們國內自己做自己的仿真軟件,當然這也是一個很好的起始。


    這個是SOC的估計,液流電池SOC的估計非常復雜,不單單是離子濃度的問題,當然我們通過離子濃度知道了它的理論值是什么樣的,但是我們發現它的SOC實際上和電堆的結構、和你的有效的膜電極和你的快速性是有關系的,雖然我理論的SOC發不出來,有可能出現這種情況,所以SOC到底怎么做。在這個過程里面我們發現,其實SOC是一個多變量耦合的系統,不是簡單的一個開路電壓的問題,所以這里面我們采用了兩個方法,第一步解決參數變時的問題,因為在我們的液流電池里面,要在線的測試這個參數,基于這個參數和模型在線的估計它可用的SOC是多少。


    這是我們做的測試系統,測試系統做的很苦,這個里面我們自己有BMS、電堆的循環泵,包括電解液這是我們說最早的第一代電池,現在我們正在用上海電氣的電堆進行測試,我們的模型和他們的模型之間的關系是什么關系。這是我們的一些參數,基本上我們說,我們的模型和物理模型之間的誤差在2%左右,這是扣除了我們的傳感器誤差之后的部分。這是我們的模型驗證,我在SOC值不確定的形成下怎么做,這個部分解決了SOC初始值不知道的情況下怎么做。有的同行可能問SOC怎么會不知道,因為SOC外部結構發生改變的時候、它的溫度發生改變的時候,它的SOC初始值發生變化了,怎么辦。


    我們做了一些比較,通過這個辦法,在它的初始值不準的情況下快速抽檢到我的期望值,我們發表了下面的文章,可以查閱到。


    另外一個部分,全釩液流電池接口的建模。全釩液流電池這種儲能系統有兩種接口,一種是交流,就是交流互聯,還有一種是直流互聯,在交流互聯里面比較清楚的DC/AC的模型非常多,我們主要做的直流互聯怎么做,雙向直流分類非常多的,有隔離的、非隔離的,這個過程里面引起大家重視的就是隔離性的,對我們液流電池安全問題非常重要,目前鋰電池很多DC/DC是非隔離的,安全的問題、供電的問題等等,在大功率的全釩液流電池里面我們一貫推薦用隔離性的DC/DC。這是不隔離的DC/DC的建模,這是它的電路模型,我們通過分析得到了它的數學模型,標準化數學模型,我們把數學模型和電路模型對比分析,我們來看這種建模方法是不是好的。


    第二個,這種模型就是全橋的電路,我們對它的狀況進行分析,然后找出它的電路,最后得到它的方程。但是我們發現,普通的建模方法是不行的,必須在改進的我狀態下去建模,我們得出它的數學模型比較復雜。最后我們把這個數學模型和實際的電路模型對比,然后得到了它的差異性,我們后來發現,與變壓器內阻的關系,當然這個變壓器的內阻是可以測定的。


    在大多數情況下,我們往往使用全橋帶隔離性的,前面加上降壓和升壓的DC/DC,就是兩級的DC/DC,這個情況下怎么辦,進行建模,得到等效的電路模型,然后數學模型,最后進行模擬驗證,把我的數學模型和他的電路模型進行驗證,后來發現有3%的誤差,因為發現兩個DC/DC并聯的時候有一個耦合的問題。


    后續我們說研究這是一塊電池、這是一塊電池,這是直流母線,三端口的DC/DC,解決后面研究四端口DC/DC、六端口DC/DC,一個電池通過子耦合連多個系統,這樣的系統就非常安全,而且方便調度,這個值得研究,這個研究也是熱點之一。


    另外一個,液流電池的控制。液流電池的控制我們分為三個層次,第一個層次就是本地的控制,就是液流電池本身的流速和泵的SOC和電流電壓之間的控制,這里面要有電池的充放電控制等等。第二個部分,液流電池的功率分配,多個電池串起來以后,通過DC/DC直流母線怎么調度。另外,通過電力系統對我的PCS調度。我們往往會把這三個層次變成兩個層次或者一個層次,實際上是是不妥的,有可能出現一個情況,同一個電網里面這個電池這個廠家生產的、那個電池是那個廠家生產的,這個時候模型是不一樣的。


    這是我們的充放電設備,這是我們的控制,這是我們單體的充放電得到的一些結果。


    這是液流電池系統協調數學模型,包括各種各樣的目標函數,包括成本、損耗、SOC的一致性、約束條件,約束條件包括整體出力、單個處理、爬坡能力,爬坡能力就是調度性。評價指標,怎么評價,我的充放電次數多少次,雖然我的液流電池次數非常多,但是也不能無限制使用,每次都是有成本的。這是液流電池的協調控制,我們在這里面做了一些算法,我們在10個液流電池并聯運行里面做了一個仿真,都有哪些算法,我們有一些算力,在我們實物仿真系統得到了驗證。這是我們算的結果,這個圖表達不同的液流電池在不同階段被誰調度了、為什么調度,這里看的很清楚。最后得到的結果,SOC不同的情況下,通過我的調度SOC是相同的,增長成本是趨于一致的。


    這是傳統的功率分配和我們的功率分配的差異,傳統的功率分配是這個差異,最后是這個差異,中間是不變的,我們通過那個方法可以是變化的。這個是策略的對比。


    我們研究所做了大量的數學建模的工作,這個就是我們做的一些本體的建模、系統調度的建模,我們研究所也承擔了一些國家自然資金、國家重點研發、工信部的一些項目,獲得了安徽省科技進步二等獎、三等獎。這是我們的一些專利,發表了一些文章。這是我們研究所做的一些項目,這是我們實驗室,在合肥建立了一個實驗室,我可以通過遠程把狀態拿來不斷的迭代,這是我們做的一個實驗平臺,這是我們做的一些內部的短路。當然我們說把算法做得很好,最后就是算法,我要把算法集成到BMS里面去,BMS很簡單,確實很簡單,但是BMS是我們單個液流電池電堆和管路系統的感知系統,如果說它這個系統不全或者不及時,對于后面的控制是很危險的,所以這塊還要花大工夫去做。


    這是我們內部的電路做切換,可以全部智能化的切換,這是我們做的驗證平臺。這是我們現在正在花大力氣做的兆瓦級儲能系統半實物仿真平臺,有些電池是真實的,有些電池是模型,我們可以把這個電池放大,基于兆瓦級的液流電池,可以對它進行分析。我們下一步想做百兆瓦級的液流電池的仿真平臺。


    這是我們研究所的一些學生,有些已經畢業了,有些在中心,他們前期做了非常多的工作。非常感謝大家,有不妥的地方多多批評。(以上內容根據速記整理,未經嘉賓審核)


    (審核編輯: Doris)

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