一种共罐双电堆钒液流电池系统的制作方法

本发明涉及全钒液流电池储能，具体涉及一种共罐双电堆钒液流电池系统。

背景技术：

1、钒液流电池以不同价态的钒离子电解液作为正负极活性物质，电解液分别储存在正极储液箱和负极储液箱中，通过循环泵将电解液输送至电堆内部，在电极表面发生氧化还原反应，实现电能与化学能的相互转换。电堆包括：端板，位于电堆的两端，为整个电堆的压紧提供结构支撑；集流板/双极板：双极板，用于收集和传导电流，实现多个单钒液流电池之间的串联；电极框：用于固定电极和隔膜，并形成电解液流动的通道和腔室；以及隔膜（离子交换膜）。

2、在工程应用中，为降低储液箱、管路和辅助系统的成本，可采用两个电堆共用一对正负储液箱的结构，即“共罐”结构。该结构可以提高储液箱利用率，减少电解液用量和系统占地面积。

3、在现有共罐双电堆钒液流电池系统中，当两个电堆在共用储液箱的条件下处于一个充电、另一个放电的相反极性状态时，两个电堆分别向储液箱中的同一套电解液施加相反的电化学改变，充电电堆将电解液中的v4+氧化为v5+（正极）或将v3+还原为v2+（负极），放电电堆则进行相反的反应，二者互相抵消，导致能量空转、系统效率降低，同时公共soc（荷电状态）的实际变化率与基于电流积分的理论预测值产生偏差，该偏差积累到一定程度将导致soc估算失准，进一步引发堆间不均衡或保护误动作。因此，如何构建完整的信号连接架构，使站级控制器能够获取电流方向和阀位状态等关键信息并能够对pcs和各电堆支路的电气通断进行控制，成为本领域技术人员关注的问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种共罐双电堆钒液流电池系统，具有共用正储液箱、共用负储液箱、第一电堆、第二电堆、第一直流母线、第二直流母线、pcs以及站级控制器，包括：

2、所述第一电堆和所述第二电堆共用所述共用正储液箱和所述共用负储液箱；

3、所述第一电堆接至所述第一直流母线，所述第二电堆接至所述第二直流母线，所述第一直流母线和所述第二直流母线分别接至所述pcs的直流侧；

4、所述站级控制器的信号输入端与所述第一电堆的电流采集单元及所述第二电堆的电流采集单元连接，所述电流采集单元检测的电流方向以充电方向为正方向、放电方向为负方向；

5、所述站级控制器的信号输出端至少与所述pcs连接，用于向所述pcs发送功率调控指令；所述站级控制器还设有用于分别控制所述第一电堆所在支路和所述第二电堆所在支路电气通断的信号输出端。

6、进一步地，所述pcs为双向ac/dc变流器；

7、所述电流采集单元为霍尔效应电流传感器或分流器。

8、进一步地，所述第一电堆所对应的泵阀支路包括第一正极入口阀、第一负极入口阀、第一正极出口阀和第一负极出口阀；

9、所述第二电堆所对应的泵阀支路包括第二正极入口阀、第二负极入口阀、第二正极出口阀和第二负极出口阀。

10、进一步地，所述第一电堆所对应的泵阀支路设有第一止回阀，所述第一止回阀设置于所述第一电堆的正极出口与所述共用正储液箱之间的管路上；

11、所述第二电堆所对应的泵阀支路设有第二止回阀，所述第二止回阀设置于所述第二电堆的正极出口与所述共用正储液箱之间的管路上。

12、进一步地，系统还包括正极液压歧管和负极液压歧管；

13、所述正极液压歧管连接所述第一电堆所对应的泵阀支路的正极侧、所述第二电堆所对应的泵阀支路的正极侧和所述共用正储液箱；

14、所述负极液压歧管连接所述第一电堆所对应的泵阀支路的负极侧、所述第二电堆所对应的泵阀支路的负极侧和所述共用负储液箱。

15、进一步地，所述站级控制器的信号输入端还与所述第一正极入口阀的阀位反馈触点、所述第一负极入口阀的阀位反馈触点、所述第二正极入口阀的阀位反馈触点和所述第二负极入口阀的阀位反馈触点连接；

16、所述第一电堆所对应的泵阀支路还设有第一流量传感器、第一压差传感器和第一温度传感器，所述第二电堆所对应的泵阀支路还设有第二流量传感器、第二压差传感器和第二温度传感器；

17、所述共用正储液箱和/或所述共用负储液箱连接有公共soc估算单元； 所述第一流量传感器、所述第一压差传感器、所述第一温度传感器、所述第二流量传感器、所述第二压差传感器、所述第二温度传感器及所述公共soc估算单元分别与所述站级控制器的信号输入端连接。

18、进一步地，所述站级控制器还被配置为：

19、判别所述第一电堆和所述第二电堆是否处于共罐运行模式；

20、在所述共罐运行模式下：当所述第一电堆的第一电流方向与所述第二电堆的第二电流方向相反时，累计相反极性的持续时间，并在所述持续时间超过预设的第一阈值时触发防对冲保护动作。

21、进一步地，所述站级控制器采集所述第一电堆和所述第二电堆的阀位信号；

22、若全部阀位信号均指示连通至所述共用正储液箱和所述共用负储液箱，则判定为共罐运行模式；

23、若任一阀位信号指示未连通至所述共用正储液箱或未连通至所述共用负储液箱，则判定为非共罐运行模式；

24、当依据阀位信号判定为共罐模式、但依据管路压差信号判定为非共罐模式时，所述站级控制器输出状态不一致告警，并保持上一时刻的运行模式标识；其中，所述管路压差信号为所述第一电堆所对应支路的入口与出口之间的压差，以及所述第二电堆所对应支路的入口与出口之间的压差。

25、进一步地，根据相反极性的持续时间和公共soc残差确定风险等级，执行与所述风险等级对应的防对冲保护动作；其中，

26、所述公共soc残差为实测公共soc变化率与基于电流积分预测的soc变化率之差；

27、所述防对冲保护动作包括降额运行、切除反向支路和停机中的至少一种，且不同风险等级对应的降额幅度和切除策略不同；

28、其中，所述反向支路是指在共罐运行模式下，两个电堆中电流方向与系统调度指令所要求的净功率方向相反的支路；若系统调度指令要求净功率为零，则所述反向支路为电流方向与系统预设主运行方向相反或预先指定待切除的支路。

29、进一步地，确定所述风险等级包括：

30、当所述持续时间小于10秒且所述公共soc残差的绝对值小于1%，判定为低风险等级，向所述pcs发送降额指令，将总功率降至当前需求功率的80%；

31、当满足以下任一条件时判定为中等风险等级：所述持续时间在10秒至30秒之间，或所述公共soc残差的绝对值在1%至3%之间，向所述pcs发送降额指令，将总功率降至当前需求功率的50%；

32、当满足以下任一条件时判定为高风险等级：所述持续时间在30秒至60秒之间，或所述公共soc残差的绝对值在3%至5%之间；向所述pcs发送降额指令，将总功率降至当前需求功率的20%，并断开所述反向支路；

33、当满足以下任一条件时判定为极高风险等级：所述持续时间超过60秒，或所述公共soc残差的绝对值超过5%；向所述pcs发送停机指令，并断开所述第一电堆与所述第一直流母线之间的电连接，以及断开所述第二电堆与所述第二直流母线之间的电连接；

34、其中，当同一时刻同时满足多个风险等级的判定条件时，以最高风险等级所对应的保护动作执行。

35、进一步地，所述站级控制器记录状态不一致告警，并以预定周期重复判别阀位信号和管路压差信号；

36、若连续多次判别中状态不一致消失，则清除告警并恢复自动控制；

37、若状态不一致持续超过预定时间，所述站级控制器判定为系统故障，执行故障保护动作并闭锁自动恢复。

38、进一步地，所述站级控制器根据所述第一电流方向、所述第二电流方向和公共soc建立运行象限许可矩阵；所述运行象限许可矩阵至少包括短时时分复用许可区和相反极性持续运行禁止区；

39、所述第一电流方向与所述第二电流方向相反，且所述公共soc处于预设的允许短时穿越的soc区间内时，将当前运行状态映射至短时时分复用许可区；

40、所述第一电流方向与所述第二电流方向相反，且相反极性累计时间已超过预设的第一阈值、或所述公共soc超出所述允许短时穿越的soc区间边界时，将当前运行状态映射至相反极性持续运行禁止区。

41、进一步地，所述运行象限许可矩阵还包括同向充电许可区、双堆同向放电许可区、单堆运行许可区；

42、当所述第一电流方向与所述第二电流方向均为正时，当前运行状态映射至双堆同向充电许可区；

43、当所述第一电流方向与所述第二电流方向均为负时，当前运行状态映射至双堆同向放电许可区；

44、当所述第一电流方向与所述第二电流方向中一个为正或负、另一个为零时，当前运行状态映射至单堆运行许可区。

45、进一步地，若当前运行状态映射至所述相反极性持续运行禁止区，则所述站级控制器立即断开所述反向支路与对应直流母线的电连接，并向所述pcs发送新的总功率指令，使未切除的电堆的输出功率与系统调度指令匹配；

46、若当前运行状态映射至所述短时时分复用许可区，进入相反极性状态的持续时间累计和等效安时量累计，在所述持续时间超过预设的第一阈值或所述等效安时量超过预设的第二阈值时，向所述pcs发送降额指令，和/或断开所述反向支路与对应直流母线的电连接。

47、进一步地，所述站级控制器根据当前的公共soc区间、支路流量和电堆温度动态调整所述短时时分复用许可区的预设的第一阈值和所述相反极性持续运行禁止区的soc进入边界；

48、当所述公共soc超出预设的安全区间、所述支路流量低于预设的流量阈值、或所述电堆温度超出预设的温度阈值时，触发所述动态调整。

49、进一步地， 当触发所述动态调整的异常工况消除后持续达到30秒时，将持续时间的第一阈值恢复至所述限制前数值的50%；

50、当触发所述动态调整的异常工况消除后持续达到120秒时，将所持续时间的第一阈值恢复至所述限制前数值的80%；

51、当触发所述动态调整的异常工况消除后持续超过300秒时，将持续时间的预设的第一阈值完全恢复至初始设定值。

52、本技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

53、本技术中，第一电堆和第二电堆共用正储液箱和共用负储液箱；第一电堆接至第一直流母线，第二电堆接至第二直流母线，两个电堆可以同向进行充/放电，也可以异向充/放电，并通过构建信号连接架构，使站级控制器能够获取各电堆电流方向并能够对pcs和支路进行控制，形成闭环控制硬件基础，为共罐双电堆系统的安全运行提供了硬件支撑。