1．目的及意义

1.1研究背景和意义

近年来，在促进能源低碳化、提高能源安全性和扩大能源供应等能源发展战略的驱动下，以风能、太阳能为代表的可再生能源得到快速发展。根据国家发改委发布的可再生能源“十三五”规划^[1]，到2020年，实现非化石能源占一次能源消费比重15%能源发展战略目标，可再生能源发电装机容量达到6.8亿千瓦，发电量1.9万亿千瓦时，占全部发电量的27%。但是，可再生能源发电具有间歇性、波动性、不可预测性等非稳态特性。当风电、光电等装机容量占电网总装机容量很高时，可再生能源并网的非稳态特性对电网的稳定、安全运行造成危害。在目前电网调峰能力有限的情况下，西南地区“弃水”、“三北”地区“弃风”问题严峻，不仅浪费了大量水力、风力资源，而且降低了经济效益，成为阻碍可再生能源发展的最大瓶颈。储能系统能够平抑可再生能源发电带来的波动，缓解电网巨大的峰谷差造成的调峰压力，保证可再生能源能源高渗透率条件下电网的安全性与可靠性。经过多年的研发和示范应用，大规模的储能技术已经成为解决可再生能源并网消纳的重要手段之一。因此，储能技术是解决风能、太阳能等可再生能源发电非稳态特性的关键核心技术，对于促进可再生能源产业的健康发展具有重要意义。

1.2国内外研究现状

全钒液流电池（vanadium redox battery）简称 VRB，采用了钒电解质溶液。其工作原理主要是，将不同价态的钒离子作为正负极中的活性物质存储于电解质溶液储物罐中，再将不同价态的钒离子导入到电池堆里，使其在不同的储液罐与半电池的闭合回路中循环流动。一般由离子膜作为电池之间的隔膜把不同价态的钒离子隔离开来，只允许氢离子通过。在电解液流过电极时发生电化学反应，将电解质中的化学能转换为电能，再由双极板进行收集与传导。在正极发生的是 4和 5价钒离子的氧化还原反应，在负极发生的是 2与 3价钒离子的氧化还原反应。

全钒液流电池技术，最先由美国航天局开展，随后1984年由澳大利亚新南威尔士大学研究，证明了全钒液流电池的实用性，并于1986年在全钒液流电池的材料如石墨毡、质子交换膜、电极上取得了多项专利，这是全钒液流电池能够得到推广与继续发展的重要原因。Li等^[3]以交流阻抗等效电气模型为基础，建立了一阶直流电气等效电路，该模型用于风力发电和全钒液流电池储能的混合系统的风电平抑控制。Barote^[4]等将损耗分为三个部分，分别考虑了包括反应动力学传质和材料的内部阻抗损耗、包括电解液循环的泵损失、包括控制器消耗的寄生阻抗损耗。为了进一步提高精度，旁路漏电流带来的损耗也考虑其中。对于目前常见的VRB电堆，电解液通过公共电解液总管和各个并联支管进入每个电池，电解液作为离子导体，与电极在各单电池之间构成闭合回路，产生不通过外部放电主回路的旁路漏电流。F. Xing ^[5]和李明华^[6]总结出了单电池间的旁路漏电流计算公式。虽然电气等效模型的精度获得了一定程度的提升，但是上述模型仍存在以下三点不足：

1）将内部阻抗视为恒定。事实上，内部阻抗在不同的SOC和电泵流量下会有所不同，尤其是放电结束阶段，由于活性离子浓度降低、极化现象严重，导致电池极化过电压升高。而内部阻抗的变化会影响电气等效模型的外特性。在充放电结束阶段，阻抗恒定的电气模型与实际运行特性曲线误差较大。

2）忽略温度、流速等耦合因素对电池特性的影响。在电气等效模型中往往假定电解液温度、流速恒定。然而在实际运行过程中，电池内阻、旁路漏电流和电泵损耗所释放的热都会引起内部电解液温度的升高，影响电解液黏度和电极活化性能。

3）忽略电解液浓度因离子互串而引起的电池容量损失。钒电池主要使用离子交换膜来实现正、负极电解液的隔离，在离子交换过程中由于渗透和对流作用，伴随水的迁移和钒离子的扩散，一部分活性离子由于互串而导致容量损失。

为了解决上述假设所带来的准确性问题，已有一些科研工作者针对上述问题展开研究^[7-10]。例如，Zhang ^[7]提出了变参数的RC等效电路，通过不同SOC下对电池过电压的拟合，克服了假定内部阻抗为定值的问题。Mohamed^[8]将旁路漏电流加入等效模型中，将一阶电路升级为二阶电路描述暂态过程，提高动态响应精度；利用卡尔曼滤波法，解决了不同SOC下的内部阻抗参数辨识问题。李蓓等^[9]建立了准稳态模型，通过两个预置电流源和一个压控电压源建立温度信号转换模型，考虑了温度对电池输出特性的影响。尹丽^[10]等在等效电路中加入离子扩散项，考虑了离子互串所发生的自放电现象，构建了考虑离子扩散的全钒液流电池电气模型。

2. 研究的基本内容与方案