中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：高效儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建是各個(gè)國(guó)家電網(wǎng)高效且靈活運(yùn)行的關(guān)鍵，由于目前全球現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)法處理大規(guī)模間歇性能源整合，間歇性可再生能源的滲透率超過(guò)20%會(huì)極大地破壞電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電網(wǎng)將遭受?chē)?yán)重破壞，目前的共識(shí)是大規(guī)模電能存儲(chǔ)系統(tǒng)可以有效緩解電網(wǎng)系統(tǒng)中許多固有的低效率和缺陷，并有助于提高電網(wǎng)可靠性，促進(jìn)間歇性可再生能源的全面整合，有效管理發(fā)電[1]。用于電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本效益一直都受到廣泛關(guān)注。Avista Turner EES是美國(guó)全釩液流電池實(shí)際落地項(xiàng)目的一個(gè)典型代表，本文將以該示范項(xiàng)目為案例，對(duì)液流電池的落地項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行介紹和分析。
Avista Turner EES系統(tǒng)概述
Avista Turner EES系統(tǒng)為1MW/3.2MWh的釩液流電池系統(tǒng)，位于華盛頓州普爾曼的特納變電站，用于支持華盛頓州立大學(xué)的智能校園運(yùn)營(yíng)，該系統(tǒng)采購(gòu)于聯(lián)合能源技術(shù)公司（UET）[2]。該系統(tǒng)由兩個(gè)實(shí)際輸出0.5MW/1.6MWh的子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)又由4個(gè)電池模塊（圖2中前4個(gè)模塊）和帶有電池管理系統(tǒng)(BMS)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（圖2中第5個(gè)獨(dú)立模塊）構(gòu)成，并且每個(gè)子系統(tǒng)都獨(dú)立運(yùn)作，互不干擾，并分別配備了儲(chǔ)存電解液的外接罐體，單系統(tǒng)額定放電功率為500kW，額定充電功率為400kW，峰值功率600kW。每個(gè)電池模塊由3個(gè)50kW的電池堆棧串聯(lián)而成，模塊中包含50個(gè)串聯(lián)的單電池。單電池對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓極限為1.25V/單電池（0%SOC）-1.49 V/單電池（100%SOC）。根據(jù)華盛頓州立大學(xué)的數(shù)據(jù)，該VRB-EES系統(tǒng)的成本為700美元/千瓦時(shí)[3]。
Avista Turner EES系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)[4]
對(duì)于用于Avista Turner EES系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下表2.1所示。對(duì)UET全系統(tǒng)，其標(biāo)識(shí)功率及峰值功率分別為1MW和1.2MW，最大輸出能量為3.2MWh，系統(tǒng)效率為65-70%，設(shè)計(jì)使用壽命為20年，直流電壓范圍為465V-1000V，交流輸出范圍為4160V—34.5kV，適宜使用溫度區(qū)間為-40℃—50℃。
而對(duì)下一代用于MESA 2的EES系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)如下表2.2所示：其交流充放電效率為70%，輸出交流電壓為12.47kV，響應(yīng)時(shí)間小于100ms，占地78m2，尺寸為12.5m×6.1m×2.9m，總體積為221.125m3，重量為170000kg，體積能量密度為9.9Wh/L，體積功率密度為2.7W/L，質(zhì)量能量密度為12.9Wh/kg，質(zhì)量功率密度為3.5W/kg，設(shè)計(jì)使用壽命超過(guò)20年，使用溫度區(qū)間為-40℃—50℃，自放電率小于儲(chǔ)存能量的2%。
Avista Turner EES系統(tǒng)的放電容量及RTE
對(duì)于放電容量，在不同的放電速率下（固定600kW充電功率），放電能量隨SOC非線性變化，放電能量容量范圍在2020-3600kWh。以1000kW的功率放電所提供的能量約為額定能量3200kWh的三分之二，而以520kW的功率放電所提供的能量為額定值的94%，在400kW時(shí)放電傳遞的能量比額定能量高出4%。在PCS DC側(cè)，不包括輔助負(fù)載，液流電池ESS系統(tǒng)在520kW的放電功率下提供了全部額定能量，而在400kW的功率下提供了比額定能量高出11%的能量。
對(duì)于RTE，在實(shí)際運(yùn)行中，其子系統(tǒng)1在78次完整放電后的累計(jì)能量輸出為125MWh，子系統(tǒng)2在103次完整放電后的累計(jì)能量輸出為165MWh（如圖2.3所示），兩個(gè)子系統(tǒng)在不計(jì)算輔助負(fù)載的情況下的累計(jì)RTE（充放電效率）有一定差異，分別為52%和60%，具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性（如圖2.4所示）。
圖2.5顯示了子系統(tǒng)2的累計(jì)充放電容量以及庫(kù)侖效率。庫(kù)侖效率最初接近100%，隨著時(shí)間的推移逐漸降低，最終在測(cè)試結(jié)束時(shí)達(dá)到95%，這表明系統(tǒng)中存在電解質(zhì)交叉滲透。電解質(zhì)交叉滲透是釩液流電池中的一個(gè)不可避免的問(wèn)題，由于質(zhì)子交換膜和兩側(cè)離子濃度差的存在，正負(fù)極電解液會(huì)發(fā)生一定程度上的交叉。在科研界也只能盡可能通過(guò)優(yōu)化離子交換膜的組成降低離子滲透，這使得具有良好性能的全氟磺酸質(zhì)子交換膜成為高性能液流電池的剛需，極大地提高了全釩液流電池的整體成本。雖然目前也提出了一些非氟離子交換膜，但整體性能并不盡如人意，還有待進(jìn)一步探索研究。在Avista Turner EES系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果上來(lái)看，其庫(kù)倫效率整體保持率較高，表明目前離子交叉對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行的影響較小，離子交換膜對(duì)離子交叉的控制效果較好，并且這個(gè)現(xiàn)象也可以通過(guò)定期維護(hù)得到進(jìn)一步改善。
子系統(tǒng)2的DC-DC RTE作為SOC的函數(shù)如圖2.9所示，總體上，DC RTE曲線的彎曲段出現(xiàn)在低SOC部分，在高SOC區(qū)域變化較小。RTE隨SOC的降低而降低，而隨功率的降低而升高，并且在520kW時(shí)最高。例如，在SOC為90%時(shí)，520kW時(shí)的RTE為84%，而在SOC為32%時(shí)，RTE為76%。1000kW放電時(shí)，90%荷電狀態(tài)下的RTE為73%，而50%荷電狀態(tài)下的RTE為61%。
Avista Turner EES系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及內(nèi)阻
Aviasta Turner EES系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在測(cè)試周期內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間范圍為3—10s。對(duì)于充電過(guò)程，隨著SOC從20%增加到60%，響應(yīng)時(shí)間從4s增加到10s，并達(dá)到最大功率800kW，隨后線性下降到400kW，直至SOC達(dá)到100%。響應(yīng)時(shí)間范圍在90%SOC的340kW/s至30%SOC下的315kW/s之間，在90~40%SOC范圍內(nèi)最大功率約為1000kW，而在30%SOC下響應(yīng)時(shí)間略有下降至950kW。
對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)阻，數(shù)據(jù)顯示隨著SOC從90%變化到40%，內(nèi)阻從0.100Ω增加到0.110Ω。在30% SOC時(shí)達(dá)到0.125Ω的內(nèi)阻峰值。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換后，電阻范圍為0.05Ω到0.055Ω，這與Snohomish的MESA 2系統(tǒng)的研究結(jié)果一致。而在SOC范圍內(nèi)，充電期間的內(nèi)電阻略低于放電時(shí)的電阻，從20%SOC時(shí)的0.11Ω下降到100%SOC時(shí)的0.095Ω。
Avista Turner EES系統(tǒng)可用性
在測(cè)試期間，液流電池ESS的總可用性為56%?？傇囼?yàn)持續(xù)時(shí)間為365天，其中162天，或44%，因各種原因而損失，不同類(lèi)別的損失天數(shù)分布如圖ES3所示。其中，由于與電堆相關(guān)的問(wèn)題，包括電堆SOC不匹配和電堆泄漏，損失了16%的測(cè)試時(shí)間（58天）；由于與PCS相關(guān)的問(wèn)題，損失了11%的測(cè)試時(shí)間（40天），包括在高SOC充電期間長(zhǎng)期使用PCS和暴露于泄漏電解質(zhì)導(dǎo)致的電子元件腐蝕；與PCS軟件相關(guān)的問(wèn)題導(dǎo)致了9天的損失；泵相關(guān)問(wèn)題和泵缸外殼泄漏分別造成了9天和8天的損失；熱管理失敗導(dǎo)致7天損失，而交流斷路器不能遠(yuǎn)程重啟導(dǎo)致7天損失；人為失誤和天氣分別導(dǎo)致了6天和7天的損失；維護(hù)、通信故障和雜項(xiàng)導(dǎo)致11天損失。
主要運(yùn)行狀態(tài)結(jié)論
通過(guò)對(duì)公開(kāi)已有資料的查閱，我們發(fā)現(xiàn)全釩液流電池EES系統(tǒng)運(yùn)行特性和性能可以滿足要求。主要運(yùn)行狀態(tài)結(jié)論如下：
（1）Avista Turner 全釩液流電池ESS系統(tǒng)在不同功率水平下的能量不同，最大能量為420kW功率下的3395kWh，放電深度為81%。
（2）可用于放電的能量高度依賴于測(cè)試周期中的功率（千瓦）水平。例如，在滿額定1MW功率下的可用能量約為在50%額定功率下可釋放的能量的三分之二。
（3）響應(yīng)時(shí)間取決于功率水平、模式和SOC。
（4）全釩液流電池ESS系統(tǒng)的可用性系數(shù)低于預(yù)期。
我們有理由相信，在全釩液流電池技術(shù)的不斷發(fā)展下，全釩液流電池的實(shí)用化運(yùn)行是可以實(shí)現(xiàn)并大規(guī)模推廣的，并在可再生能源與電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行中發(fā)揮巨大作用。
參考文獻(xiàn)：
[1] Gür, T. M. (2018). Review of electrical energy storage technologies, materials and systems: challenges and prospects for large-scale grid storage. Energy & Environmental Science. doi:10.1039/c8ee01419a
[2] Vincent S. Office of Electricity Grid-Scale Energy Storage[EB/OL]. (2018-10-18)[2024-10-14].
[3] Chris Q. Case Study: Avista Turner Flow Battery Energy Storage System[EB/OL]. (2023-10-12)[2024-10-14].
[4] A Crawford, P Balducci, V Viswanathan et al. Avista Turner Energy Storage System: Assessment of Battery Technical Performance[EB/OL].(2019-7)[2024-10-14]
