全钒液流电池电堆串联运行对漏电电流的影响

全钒液流电池电堆串联运行对漏电电流的影响张蓉蓉;刘宗浩;周博然;刘静豪;史松杰【摘要】通过建立全钒液流电池多电堆串联运行的系统等效模型，模拟计算了多电堆串联电池系统内各电堆内部及电堆盘管间的漏电电流分布情况，发现系统中各串联电堆的内部漏电电流同单个电堆相比，漏电电流的分布规律发生了变化.针对这一现象,分别对系统内串联电堆数量、电堆外接盘管等效电阻及每个电堆内所含单电池数量等漏电影响因素，建立全钒液流电池储能系统Simulink等效模型，对多电堆串联系统进行仿真.通过对仿真结果分析得到结论:系统内串联电堆数越多，电堆外接盘管等效电阻越小，系统内串联各电堆所含单电池数越多，导致系统内各电堆漏电电流分布变化越大.该研究为全钒液流电池的多电堆串联运行系统的设计以及风险防范等方面提供了参考依据.【期刊名称】《电源技术》【年(卷)，期】2019(043)008【总页数】4页(P1377-1380)【关键词】全钒液流电池;漏电电流分布;仿真;系统设计【作者】张蓉蓉;刘宗浩;周博然;刘静豪;史松杰【作者单位】大连融慧能源科技有限公司，辽宁大连116025;大连融慧能源科技有限公司，辽宁大连116025;大连融科储能技术发展有限公司，辽宁大连116025;国网辽宁省电力有限公司大连供电公司，辽宁大连116023;大连融慧能源科技有限公司,辽宁大连116025;国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳110006【正文语种】中文【中图分类】TM911随着风电、光伏等新能源装机规模的日益扩大，为保证电能质量，提高新能源利用率，相应配套的储能系统规模也越来越大。电化学储能方式以其成本低、建设周期短、安装方便等特点，近年来在电力系统中得到了广泛应用［1-5］。全钒液流电池储能技术作为近年来崛起的电化学储能技术的代表，具有安全，环保，使用寿命长，功率和容量单元可单独设计等优点，成为近年来大规模推广的电化学储能技术之一［6-8］。全钒液流电池具有典型的液流电池结构，正负极电解液分别将正极和负极不同电位点连接形成离子短路，在电池系统内部形成漏电环流，系统效率下降，并导致一系列材料热稳定、老化问题［9］。大量研究［10-12］表明，在液流电池电堆内串联单电池数量越多，电堆内公共流道和分支流道上通过的漏电电流也就越大，电堆效率越低；公共流道漏电电流由外向内，漏电电流逐渐增大，分支流道漏电电流由外向内逐渐减小。减小电堆内单电池数量有利于降低电堆内的漏电损耗［13-14］。在实际工程应用中，单一电堆往往不能满足实际需求，需要通过电堆的串并联实现高电压、大功率的输出。而以往关于漏电电流的研究往往集中在单一电堆层面，针对电堆组成系统运行后的漏电电流变化却鲜有研究。本文在全钒液流电池单堆漏电规律的基础上，搭建多电堆串联运行储能系统Simulink等效电路模型，分析电堆串联运行时不同位置电堆漏电电流偏移情况及其变化规律，为系统优化设计提供参考依据。1单堆模型目前，常见的液流电池电堆结构由外向内依次包含端板、进液板、集流板、双极板、电极框、炭毡电极、隔膜等，如图1所示。正负极电解液通过外部进液口进入，并通过每节单电池电极框的公共流道分配到每个单电池的分支流道，进入电极参与反应，然后经另一侧分支流道汇入公共流道，最后通过电堆出液口流出。图1电堆结构电极框结构示意图如图2所示。在运行过程中，电极框的公共流道与分支流道内的空间被电解液充满，并形成了离子漏电通路，公共流道与分支流道内的电解液阻值，为漏电通路上的电阻。在本仿真过程中，正极电解液电阻率为2.3x10-2Q・m,负极电解液电阻率为3.1x10-2Q・m,根据公式R=pL/S，得到正负极公共流道内电解液等效电阻分别为0.29和0.39Q,正负极分支流道内电解液等效电阻分别为147.59和198.93Q。图2电极框公共流道与分支流道电堆内部等效电路如图3所示。其中，Rma、Rta分别代表堆内正极电解液公共流道与分支流道等值阻抗；Rmc、Rtc分别代表堆内负极电解液公共流道与分支流道等值阻抗；E代表堆内单电池电动势；Re代表单电池等效内阻。图3电堆内部漏电等效电路仿真模拟了含有26节单电池的电堆在开路电压(OCV)为1.5V时，堆内分支流道及公共流道漏电电流的分布情况。由图4可知，其中，横坐标分别是公共流道和分支流道按照从电堆正极到电堆负极依次排序的编号，纵坐标为漏电电流值(正负表示电流方向)，由于负极电解液电阻率较高，正极流道漏电电流绝对值高于负极，但整体规律相似：公共流道漏电电流的方向一致，两侧漏电电流值较小，越靠近中心漏电电流值越大，左右呈轴对称；电堆左右两侧分支流道漏电电流方向相反，且由外向内逐渐减小，呈中心对称形式。大量研究表明，随着电堆内串联单电池数量的增加，中间公共流道的漏电电流与两侧分支流道的漏电电流会越来越大。图4堆内漏电电流分布情况2系统模型在实际应用过程中，电堆会根据不同功率及电压等级需求串并联成一个系统来运行，并联的系统通常由相同支路并联而成，因此，本文只分析电堆串联运行情况，模拟了一组8个电堆串联运行的系统，结构如图5所示。图5仿真系统模型当多个电堆通过串并联组成系统运行时，为保证各电堆内电解液的流量及流速的一致性，电解液需要电堆外部的管路形成〃储罐-电堆-储罐”液路闭环，其中直接与电堆连接的管路称为盘管。在该系统内部，电解液由储罐通过盘管分别输送给各个电堆。电堆串联运行后，每个电堆都处于不同电位点，而此时充满电解液的盘管再一次将不同电位点连通，形成系统内漏电流离子通路。仿真模型中使用的盘管内直径为24.8mm，正极盘管等效电阻Rpa为46.94Q/m,负极盘管等效电阻Rpc为63.27Q/m。实验仿真参数如表1所示。表1仿真参数公共流道等效电阻/0.290.39OCV/V1.5分支流道等效电阻/147.59198.93项目正极负极参数3电堆串联运行与单堆运行对比3.1串联电堆数对漏电电流的影响由漏电电流等效电路模型可知，正负极液路形式相似，其漏电电流分布规律也近似—致，这里以正极电解液漏电情况为代表进行分析。如图6所示，S1、S2......S10为系统内的串联电堆从系统正极至负极的编号，S0为对比电堆，代表不含外部液路单一运行的电堆，且各个电堆型号参数均相同。图6串联电堆数对漏电电流的影响由图6可见，电堆串联组成系统运行后，系统内各个电堆漏电流的分布规律与单个独立运行电堆S0相比，无论是公共流道漏电电流分布还是分支流道的漏电电流分布都发生了一定的变化。公共流道方面：在同一电堆内，距离盘管越近的公共流道的漏电电流，相对于标准电堆S0的变化越大；而在同一系统内，越靠近串联首末端的电堆公共流道漏电电流变化越大。分支流道方面：在同一电堆内，距离盘管越近的分支流道漏电电流，相对于标准电堆S0的变化越大；而在同一系统内，越靠近串联首末端的电堆分支流道漏电电流变化越大。位于串联中间位置的电堆内漏电电流分布情况与电堆S0接近，串联两侧的电堆内漏电电流变化方向也分别向两个方向发生偏移，系统整体漏电电流分布近似以电堆S0的漏电电流分布曲线为中心呈对称变化。当系统内串联电堆数增加时，电堆内漏电电流的整体变大，尤其是最外侧电堆与盘管直接相连的公共流道和分支流道的漏电电流会越来越大。图7独立电堆内漏电电流示意图电堆内部分支流道及公共流道漏电电流流向如图7所示。其中，为了显示清晰，便于理解，将正负极液路化简。当单一电堆独立运行且不含外部管路时，电解液将电堆内不同电位点连通形成漏电电流离子通路，且电位差越大，漏电电流越大；夕卜侧分支流道承担的电位差较大，中间分支流道承担的电位差较小，因此分支流道漏电电流由外向内逐渐减小；而公共流道漏电电流分布规律则是电流由高电位流向低电位时先汇流、后分流形成的，因此两侧漏电电流小而中间漏电电流大。堆内分支流道及公共流道的漏电电流呈对称分布，漏电电流在堆内形成环流，对外的漏电电流总和为0。当电堆通过串并联组成系统进行运行时，漏电电流不再是单堆内部环流，即单堆对外漏电电流之和不再为0，原本的对称性也会受到破坏，而单堆对外漏电电流之和就表现为与之相连的盘管漏电电流。此时，对应盘管漏电电流越大，单堆对外漏电电流之和也就越大，单堆对称性的破坏也就越严重，漏电电流偏移程度也越大。在系统中，每个电堆可认为是一个小的电池单元，盘管就相当于分支流道，同样起到了连接不同电位点的作用，因此盘管漏电电流分布规律可类比于分支流道漏电电流分布规律，即串联首末端的漏电电流较大。因此，在系统内部位于串联首末端的电堆漏电电流变化较大。3.2系统盘管长度对各电堆漏电电流的影响通过盘管连通各个电堆，系统漏电电流回路由单个电堆扩展到系统，漏电损耗进一步加大。为了降低盘管对系统漏电电流的影响，需要增加盘管的等效电阻；根据电阻公式R=pL/S可知，在不改变盘管内径的情况下，增加盘管长度可增加盘管的等效电阻。在图5所示系统基础上，只改变盘管长度，分析系统漏电电流的变化情况，如图8所示。从图8中可见，在同一系统中，只改变盘管长度，系统内各电堆的漏电电流分布情况也随之发生变化。盘管长度越长，等效电阻越大，夕卜侧电堆的公共流道以及分支流道的漏电电流偏移程度也就越小。图8不同长度盘管对漏电电流的影响综上所述，电堆串联系统的盘管漏电流分布规律与堆内分支流道漏电电流分布规律类似，因此，正如电堆内串联单电池数量越多、分流道漏电电流越大的规律一样，系统内串联电堆越多，盘管漏电电流也就越大；盘管漏电电流越大，对应电堆内公共流道与分支流道的漏电电流变化也就越大。当盘管等效电阻无限大时，盘管等效电路相当于开路，各电堆内漏电电流分布情况会无限接近单堆独立运行情况。3.3电堆所含单电池节数对漏电电流的影响大量研究显示，单堆内串联单电池数量越多，单堆整体漏电损耗越大。但在实际应用中，经常需要直流侧有较高的电压输出，如果单堆内所串联的单电池数目下降，那系统内相应串联电堆数就需要增加，还是会加重系统整体漏电问题；但考虑到单堆串联电池节数下降后，对单堆供应电解液的盘管口径也可以随之下降，进而增加盘管的等效电阻，这对系统整体漏电情况具有一定的改善作用，为了进行综合比较，进行如下仿真。这里以总串联单电池节数100节的系统为例，分别建立了含不同单电池的电堆，每个电堆的电解液由等长度盘管统一供应，具体包括以下系统：①号系统：由20个含5节单电池的单堆串联组成；②号系统：由10个含10节单电池的单堆串联组成；③号系统：由5个含20节单电池的单堆串联组成；④号系统：由4个含25节单电池的单堆串联组成。相应的，①号系统单堆所含单电池节数最少，单堆对应的盘管截面积也最小；②号系统盘管截面积是①号系统截面积的两倍，以此类推，由此可知，各系统总电解液流量是一致的。仿真结果如图9所示。由图9可见，单堆串联单电池数量越多，电堆中间的公共流道及其外侧的分支流道漏电电流越大；在同一系统中，位于串联首末端的电堆的外侧分流道及其中间的公共流道的漏电电流较大；同样串联100节单电池，内部电堆所串联的单电池数量越多，系统整体漏电电流越大，造成的漏电损耗也就越大。图9系统内单堆所含单电池数对漏电电流的影响4结论本文通过建立多电堆串联运行Simulink仿真模拟，得到系统内电堆漏电电流的偏移规律及影响因素，即相同系统内，串联电堆数越多，连接盘管等效电阻越小，系统串联首末端的电堆漏电电流偏移程度越大；系统串联的电压及流量等一致的情况下，单堆所含单电池越多，漏电电流的偏移问题越严重。由此可知，电堆串联运行后，内部漏电平衡被打破并发生有规律的变化，增加了系统串联首末端电堆单电池运行的风险，相对于其他位置电堆的首末节电池，更易出现过热、老化等问题，严重时还会引起内漏事故的发生。因此，在电池系统设计过程中，在满足工艺、电解液流量等条件下，应尽量减少单堆内串联单电池数量，同时增加盘管等外部连接管路的等效电阻；在对直流侧电压要求较低的情况下，应尽量减少系统中串联电堆的数量。基于以上特性对系统设计进行优化，对改善系统串联首末端电堆温升问题，降低系统漏电损耗，提高系统运行稳定性等具有重要意义。参考文献：【相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