了得網工業技術_全釩液流電池儲能繫統建模與控制技術

內容簡介

全釩液流電池具有長壽命、高安全及功率和容量可靈活獨立設計等優點，是大規模儲能技術熱點研究領域。本書對全釩液流電池儲能本體技術與繫統應用技術發展現狀、工作原理與結構、全釩液流電池儲能繫統的數學模型、全釩液流電池及儲能繫統的SOC估計、全釩液流電池接入直流側和交流側母線的接口控制技術及儲能繫統的分層控制等問題進行了闡述。本書還給出了全釩液流電池儲能繫統的相關標準、典型工程應用實例及用於研究和算法驗證的實證平臺。本書可供從事全釩液流電池儲能技術、智能電網等領域的相關研究人員參考使用，也可供高等院校廣大師生借鋻參考。

作者簡介

李鑫：合肥工業大學副教授，安徽省自動化學會秘書長，合肥工業大學先進控制技術研究所所長、合肥市“228” 產業創新團隊帶頭人、可再生能源儲能專委會委員、安徽省機器人與智能繫統標準化委員會委員。長期從事大容量儲能繫統控制，復雜繫統建模與控制，神經網絡學習與控制等。
先後承擔或參與儲能領域、省部級項目多項，其中國家重點研發計劃1項（“10MW 級液流電池儲能技術”）、國家發改委能源自主創新和能源裝備專項項目1項、工信部智能制造項目1項、湖南省科技重大專項1項、國家自然基金面上項目2項、國家自然基金青年基金項目1項、安徽省自然基金面上項目1項。
在國內外核心期刊發表文章70餘篇，其中30餘篇被EI檢索；授權專利16項（發明專利3項）；參與編寫省級標準1個。獲得安徽省科學技術進步獎二等獎1項（2016年），三等獎1項（2017年）。

序
前言
第1章液流電池儲能技術1
1.1 大規模儲能技術的分類1
1.1.1 大規模儲能技術的簡介2
1.1.2 大規模儲能技術的應用13
1.2 全釩液流電池的發展23
1.3 全釩液流電池的應用26
1.3.1 應用領域26
1.3.2 示範項目27
1.4 全釩液流電池的關鍵技術34
1.5 政策法規、標準規範35
1.5.1 政策法規35
1.5.2 標準規範41序
前言
第1章液流電池儲能技術1
1.1 大規模儲能技術的分類1
1.1.1 大規模儲能技術的簡介2
1.1.2 大規模儲能技術的應用13
1.2 全釩液流電池的發展23
1.3 全釩液流電池的應用26
1.3.1 應用領域26
1.3.2 示範項目27
1.4 全釩液流電池的關鍵技術34
1.5 政策法規、標準規範35
1.5.1 政策法規35
1.5.2 標準規範41
1.6 本章小結43
1.7 參考文獻43
第2章全釩液流電池的原理及結構48
2.1 全釩液流電池工作原理48
2.2 全釩液流電池的結構50
2.2.1 電堆50
2.2.2 電極51
2.2.3 雙極板54
2.2.4 離子交換膜55
2.2.5 電解液57
2.2.6 密封結構60
2.2.7 管路和循環泵61
2.3 全釩液流電池的存儲結構61
2.4 全釩液流電池的主要參數64
2.4.1 功率與容量65
2.4.2 電壓與電流65
2.4.3 效率66
2.4.4 循環壽命66
2.4.5 荷電狀態66
2.5 全釩液流電池常見的產品及規格67
2.6 本章小結72
2.7 參考文獻72
第3章全釩液流電池的數學模型76
3.1 全釩液流電池的建模方法76
3.2 全釩液流電池模型概述77
3.2.1 電化學模型77
3.2.2 電路模型83
3.2.3 混合模型87
3.3 全釩液流電池混合模型及特性分析88
3.3.1 全釩液流電池混合模型88
3.3.2 特性分析94
3.4 全釩液流電池狀態空間模型及靈敏度分析99
3.4.1 全釩液流電池的狀態空間模型99
3.4.2 全釩液流電池的靈敏度分析101
3.5 全釩液流電池組模型112
3.6 本章小結119
3.7 參考文獻119
第4章全釩液流電池的SOC估計125
4.1 SOC估計概述125
4.2 基於RLS和EKF算法的全釩液流電池SOC估計127
4.2.1 RLS和EKF算法127
4.2.2 RLS和EKF算法估計SOC的實驗驗證131
4.3 基於IEKF算法的全釩液流電池SOC估計136
4.3.1 IEKF算法136
4.3.2 IEKF算法估計SOC的實驗驗證138
4.3.3 IEKF算法估計SOC的收斂性及魯棒性分析139
4.4 基於雙卡爾曼濾波算法的全釩液流電池SOC估計145
4.4.1 雙卡爾曼濾波算法145
4.4.2 雙卡爾曼濾波算法估計SOC的驗證147
4.5 全釩液流電池儲能繫統的SOC估計方案149
4.6 本章小結153
4.7 參考文獻154
第5章全釩液流電池的直流側接口及控制156
5.1 雙向DC/DC變換器的分類與拓撲157
5.1.1 非隔離型雙向直流變換器157
5.1.2 隔離型雙向直流變換器160
5.1.3 幾種典型雙向直流變換器的比較163
5.2 Buck/Boost變換器164
5.2.1 Buck/Boost變換器工作原理164
5.2.2 Buck/Boost變換器狀態平均建模165
5.2.3 Buck/Boost變換器靜態工作點分析167
5.2.4 Buck/Boost變換器小信號分析168
5.2.5 模型驗證169
5.3 雙有源全橋（DAB）雙向DC/DC變換器170
5.3.1 DAB變換器工作原理170
5.3.2 DAB回流功率分析172
5.3.3 改進狀態空間平均建模174
5.3.4 DAB靜態工作點分析176
5.3.5 DAB小信號分析176
5.3.6 模型驗證177
5.4 多DC/DC並聯運行控制184
5.4.1 多DC/DC並聯運行的儲能繫統控制策略185
5.4.2 繫統的穩定性分析188
5.4.3 仿真驗證與結果分析197
5.5 本章小結205
5.6 參考文獻206
第6章全釩液流電池的交流側接口及控制207
6.1 儲能變流器（PCS）207
6.1.1 PCS拓撲結構208
6.1.2 PCS的數學模型208
6.1.3 PCS的雙閉環控制策略209
6.1.4 仿真分析214
6.2 多PCS並聯運行控制219
6.2.1 PCS並聯繫統失穩機理分析219
6.2.2 PCS並聯繫統諧振抑制方法研究231
6.3 本章小結240
6.4 參考文獻241
第7章全釩液流電池儲能繫統的分層控制242
7.1 全釩液流電池儲能繫統的分層控制結構242
7.2 全釩液流電池的就地充放電控制243
7.2.1 全釩液流電池的充放電方法243
7.2.2 全釩液流電池的充放電控制策略244
7.2.3 全釩液流電池的充放電控制仿真245
7.3 基於P?AWPSO的全釩液流電池儲能繫統的功率協調控制249
7.3.1 全釩液流電池儲能繫統協調控制的數學模型249
7.3.2 全釩液流電池儲能繫統的協調控制算法253
7.3.3 算例仿真257
7.4 基於模擬退火粒子群算法的全釩液流電池儲能繫統的
功率協調控制265
7.4.1 模擬退火粒子群算法265
7.4.2 全釩液流電池儲能繫統功率分配多目標函數構建268
7.4.3 算例仿真275
7.5 全釩液流電池儲能電站的雙層功率分配技術282
7.5.1 儲能充放電功率約束283
7.5.2 上層功率優化分配284
7.5.3 下層功率動態均衡288
7.5.4 算例分析290
7.6 本章小結294
7.7 參考文獻295
第8章全釩液流電池儲能繫統的應用實例297
8.1 10MW/40MW ? h全釩液流電池儲能繫統設計297
8.1.1 繫統集成設計297
8.1.2 繫統電氣設計310
8.1.3 儲能集裝箱（方艙）設計314
8.2 全釩液流電池儲能繫統測試平臺318
8.2.1 繫統整體架構318
8.2.2 繫統硬件平臺319
8.2.3 繫統軟件平臺320
8.3 基於Wincc OA的全釩液流電池能量管理繫統322
8.3.1 繫統整體架構322
8.3.2 繫統硬件平臺324
8.3.3 繫統軟件平臺325
8.4 光儲一體化繫統327
8.4.1 繫統整體架構327
8.4.2 繫統硬件平臺328
8.4.3 繫統軟件平臺330
8.5 不同場景下全釩液流電池儲能繫統應用模式研究332
8.5.1 光伏場景下應用模式332
8.5.2 風電場景下應用模式337
8.6 本章小結342
8.7 參考文獻342
第9章其他液流電池儲能技術343
9.1 鐵鉻液流電池343
9.1.1 鐵鉻液流電池工作原理343
9.1.2 鐵鉻液流電池特點343
9.1.3 鐵鉻液流電池發展歷史345
9.1.4 鐵鉻液流電池研究現狀346
9.2 鋅溴液流電池348
9.2.1 鋅溴液流電池工作原理348
9.2.2 鋅溴液流電池特點349
9.2.3 鋅溴液流電池發展歷史350
9.2.4 鋅溴液流電池研究現狀352
9.3 本章小結353
9.4 參考文獻353

前言

大規模電化學儲能技術可有效提升電網的安全性和運行效能，是智能電網的基礎支撐技術，對國家實施能源結構調整的重大戰略具有極其重要的意義。全釩液流電池具有高安全、長壽命和低成本等獨特優點，在國家發展和改革委員會、國家能源局組織編制的《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》中被列為大規模儲能領域的技術。
為了加快培養儲能領域“高精尖缺”人纔，*、國家發展和改革委員會和國家能源局三部委聯合制訂了《儲能技術專業學科發展行動計劃（2020—2024年）》，為推動我國儲能產業和能源高質量發展做好引導。大規模電化學儲能技術可有效提升電網的安全性和運行效能，是智能電網的基礎支撐技術，對國家實施能源結構調整的重大戰略具有極其重要的意義。全釩液流電池具有高安全、長壽命和低成本等獨特優點，在國家發展和改革委員會、國家能源局組織編制的《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》中被列為大規模儲能領域的技術。
為了加快培養儲能領域“高精尖缺”人纔，*、國家發展和改革委員會和國家能源局三部委聯合制訂了《儲能技術專業學科發展行動計劃（2020—2024年）》，為推動我國儲能產業和能源高質量發展做好引導。
本書圍繞全釩液流電池儲能繫統的模型與控制進行撰寫，總結了著作團隊的研究成果，參考國內相關研究團隊和會議報告的相關內容，共分為9個章節。第1章介紹大規模儲能技術的分類、發展及應用，梳理了全釩液流電池的關鍵技術、現有的儲能政策及全釩液流電池的國內外標準。第2章介紹了全釩液流電池的工作原理、化學反應過程、結構及主要參數，並給出了市場上常見的全釩液流電池產品及規格。第3章梳理了全釩液流電池常見的數學模型，建立了全釩液流電池的混合模型和狀態空間方程，推導出電池組的數學模型。第4章闡述了全釩液流電池的SOC估計方法，並給出了全釩液流電池儲能繫統的估計方案。第5章主要詳細地給出了全釩液流電池的直流側接口設備（雙向DC/DC），建立了雙向DC/DC變換器的模型，並給出了多DC/DC並聯運行的控制策略。第6章建立了全釩液流電池的交流側接口設備（PCS）的模型，分析了多PCS並聯運行失穩機理，並提出了多PCS並聯繫統諧振抑制的方法。第7章闡述了全釩液流電池的分層控制，包括就地層的充放電控制及功率協調控制。第8章給出了全釩液流電池的工程實例及液流電池應用的一般場景。第9章闡述了其他液流電池儲能技術。全書將為全釩液流電池儲能繫統的建模、控制和應用帶來有益參考，具有較好的可讀性和參考價值。
本書由合肥工業大學李鑫博士、北方工業大學李建林教授和合肥工業大學邱亞博士等著；上海電氣集團股份有限公司楊霖霖博士、合肥工業大學陳薇博士、國網節能服務有限公司周喜超高級工程師、合肥工業大學鄭濤博士、國家電投中央研究院王含教授級高工和中國科學院金屬研究所唐奡博士撰寫了部分內容。
本書得到了中央高校基本科研業務費專項資金（JZ2020HGQA0175）以及合肥綜合性國家科學中心能源研究院的項目資助，在此深表謝意。感謝合肥工業大學蘇建徽教授、中電聯電力發展研究院高長征博士和合肥工業大學陳梅副教授，他們認真審閱了全部書稿，並提出了許多寶貴而中肯的修改意見。感謝中南大學劉素琴教授、湖南大學李欣然教授和中國科學院山西煤炭化學研究所李南文研究員對本書的建議和意見。
感謝合肥工業大學電氣與自動化工程學院先進控制技術研究所研究生汪丹、張微微、莫言青、邵軍康、黃鈺笛、狄那、盧文品、侯楊成、朱浩宇、石帥飛、張超、高翔和何慧敏等在本書撰寫過程中所做的資料整理等辛勤的工作。還要感謝書中引注和未曾引注的所有文獻作者的辛勤工作。
本書可供從事全釩液流電池儲能技術、智能電網等領域的相關研究人員參考使用，也可供高等院校廣大師生借鋻參考。
限於作者水平及現階段對液流電池的認知，雖然對書稿進行了反復研究推敲，但難免仍會存在疏漏與不足之處，懇請讀者批評指正。

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