一种串联式液流电池储能装置、储能系统及电力系统的制作方法

1.本实用新型属于储能技术领域，具体涉及一种串联式液流电池储能装置、储能系统及电力系统。


背景技术：

2.氧化还原液流电池是一类新型电化学储能体系，液流电池通过利用正极电解液中包含的活性离子与负极电解液中包含的活性离子之间的氧化还原反应实现充电和放电。液流电池技术具有长寿期、环境友好、安全可靠性高、适应性强、成本低等诸多优点，输出功率为数千瓦至数十兆瓦，储能容量可达数小时以上，是储能领域中应用比较广泛的一种电化学储能方式，同时也是大规模储能的技术路线之一。
3.作为一种较大型蓄电设施，液流电池的储能规模介于电网和各种便携式电池之间，正好可填补大型电网和小型电池间的空白，因而在很多领域发挥着其独特的作用。基于目前的液流电池技术，电池堆的单节直流电压相对较低，需要通过多级升压达到输出电压，同时，多级的功率设备又导致系统的效率降低，设备成本增加。面向大规模长时间储能的液流电池对系统的效率和安全性要求非常高，而串联式的液流电池储能技术可以通过减小升压级数、减少电力设备、独立直流母线电压来达到效率和安全要求，从而提升系统的经济性。
4.专利号为202021342107.1的中国专利公开了一种液流电池系统，通过将不同电池罐对应的液流电池进行串联，显著提升液流电池系统的电压等级，相同电流下就可以极大提升液流电池系统容量，同时降低了现有技术中电池堆串联效率损失大的问题，提升液流电池充放电转换效率，但是该专利中涉及的移向变压器属于特种变压器，制造难度大，成本高；且移相变压器的低压绕组多，阻抗难以实现一致，对dc/ac变流器的运行可能存在影响；该变压器易产生励磁涌流，对dc/ac变流器中的高频电力电子元器件产生影响，在35kv储能系统的应用场景中尤为明显；在移相变压器内部容易产生寄生电感，经过移相变压器的电能转换会导致输出电能质量降低，有可能对电网稳定运行造成影响，对储能电池寿命造成影响。
5.专利号为201910894447.0的中国专利公开了液流电池储能装置，包含多个电池堆组，每个电池堆组包含多个电池堆；多条液路管道，每条液路管道串联连通一个电池堆组中的多个电池堆；电解液储罐，电解液储罐并联多条液路管道，解决了相关技术中辅助系统中的泵对电能具有一定的消耗的问题，但该液流电池储能装置中仅涉及一对正负极电解液储罐，在电池堆功率不变、储能系统运行时长不变的情况下，对单个储罐的容量要求和单个泵的输送能力要求较高；该液流电池储能系统中不同级别的电池堆通过管道串联，电解液在流经每级电池堆时会产生压损，导致前一个电池堆的电解液流速比后一个电池堆的电解液流速低，同时进入前一个电池堆的电解液离子浓度比后一个高，这两个问题会造成每级电池堆的性能差异，从而产生较大的旁路电流，影响电能转换效率。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种串联式液流电池储能装置、包括该串联式液流电池储能装置的储能系统及包括该储能系统的电力系统。
7.为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：
8.一种串联式液流电池储能装置，包括：
9.若干对正负极电解液储罐，每对正负极电解液储罐通过管道管件对一个或多个电池堆供液；
10.由不同正负极电解液储罐供液的电池堆通过导线依次串联，构成一组串联电池堆；一组串联电池堆构成一组串联回路；
11.变流器设备，变流器设备包括dc/ac双向变流器、双分裂变压器和开关柜；dc/ac双向变流器的低压直流端连接一组串联电池堆，dc/ac双向变流器的高压交流端接入双分裂变压器；每两台dc/ac双向变流器接入一台双分裂变压器；双分裂变压器通过缆线接入一个或多个开关柜，且每个双分裂变压器仅接入一个开关柜。
12.进一步地，每两台dc/ac双向变流器的高压交流端接入双分裂变压器的其中一个低压绕组。
13.进一步地，还包括液路泵，所述液路泵用于将正负极电解液储罐中的电解液输送入电池堆和/或用于将电池堆中的电解液输送回正负极电解液储罐。
14.进一步地，每对正负极电解液储罐由一个正极电解液储罐和一个负极电解液储罐组成；
15.所述正极电解液储罐通过正极泵将正极电解液输入电池堆正极，经电池堆正极出口流出后，通过管道返回至原正极电解液储罐；
16.所述负极电解液储罐通过负极泵将负极电解液输入电池堆负极，经电池堆负极出口流出后，通过管道返回至原负极电解液储罐。
17.进一步地，还包括流量控制阀，所述流量控制阀安装在各个液路管道上，用于调节液路管道内的电解液流量。
18.进一步地，一对正负极电解液储罐通过管道管件对一个电池堆供液，每个电池堆相互独立，流经各个电池堆的电解液流速和流量相同；由不同正负极电解液储罐供液的电池堆依次串联，构成一组串联回路，每个电池堆仅连接在一个串联回路中，每组串联回路中的电池堆数量相同；同一串联回路中的电池堆的液路系统相互隔离。
19.进一步地，一对正负极电解液储罐通过管道管件对多个电池堆供液，由同一正负极电解液储罐供液的多个电池堆通过管道并联连接，流经各个电池堆的电解液流速和流量相同；由不同正负极电解液储罐供液的电池堆通过导线依次串联，构成一组串联回路，每组串联回路中的电池堆数量与正负极电解液储罐的对数相同，且每个电池堆仅连接在一个串联回路中；同一串联回路中的电池堆的液路系统相互隔离。
20.进一步地，不同串联回路对应的dc/ac双向变流器的结构和型号相同。
21.进一步地，所有双分裂变压器通过缆线接入一个开关柜。
22.本实用新型还提供了一种串联式液流电池储能系统，包括上述串联式液流电池储能装置。
23.进一步地，所述串联式液流电池储能装置的数量为一个或一个以上。
24.本实用新型还提供了一种电力系统，包括上述串联式液流电池储能系统。
25.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
26.(1)本实用新型提供了一种串联式液流电池储能装置、包括一个或多个串联式液流电池储能装置的储能系统和包括储能系统的电力系统，串联式液流电池储能装置包括多对正负极电解液储罐，每对正负极电解液储罐通过管道管件等工艺系统对一个或多个电池堆供液，通过将不同正负极电解液储罐供液的电池堆通过导线依次串联，构成一组串联回路，显著提升了液流电池储能装置或系统的电压等级，减少了升压设备的使用，降低电器成本，提升电能转换效率；同时降低了现有系统中电池堆串联效率损失大的问题，提升了液流电池电能转换效率；
27.(2)对于本实用新型串联式液流电池储能装置，当每对正负极电解液储罐同时对多个电池堆供液时，正负极电解液储罐通过管道并联连接多个电池堆，解决了相关技术中电解液流速和离子浓度不均匀的问题，进而达到了保持电池堆性能一致的效果，避免旁路电流的产生，提升电能转换效率，减少dc/ac变流器的对电池不一致性的控制难度，提升串联式液流电池储能系统的使用寿命；
28.(3)本实用新型的变压器采用双分裂变压器，可以有效抑制更多分裂绕组变压器产生的电流谐波，相较于单一变压器，可降低系统变压器设备个数，降低生产成本；该变压器相较于特型变压器，如移向变压器，其绕组数量少，不易产生励磁涌流，从而不影响dc/ac变流器设备的正常运行；而且该变压器不易对电网侧产生非特征谐波，保证电网电能质量；该变压器还利于装置或系统部件的运输、搬运、组装和维护，可降低成本。
附图说明
29.图1是本实用新型实施例1的串联式液流电池储能装置结构示意图；
30.图2是本实用新型实施例2的串联式液流电池储能装置结构示意图。
31.其中的附图标记为：正负极电解液储罐1、dc/ac双向变流器2、双分裂变压器3、开关柜4。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
33.本实用新型提供了一种串联式液流电池储能装置，包括多对正负极电解液储罐1和变流器设备；每对正负极电解液储罐1通过管道管件等工艺系统对一个或多个电池堆供液，每对正负极电解液储罐1有两个，分别为正极电解液储罐和负极电解液储罐，正极电解液储罐通过正极泵，将正极电解液输入电池堆的正极，流经电池堆后由正极出口流出，通过管道返回至原正极电解液储罐；负极电解液储罐通过负极泵将负极电解液输入电池堆的负极，再由管道流回原负极电解液储罐，构成循环回路；各个液路管道上安装有流量控制阀，用于调节液路管道内的电解液流量，保证流经电池堆的电解液流速和流量相同；由不同正
负极电解液储罐1供液的电池堆通过导线依次串联，构成一组形成串联回路的串联电池堆；变流器设备包括dc/ac双向变流器2、双分裂变压器3和开关柜4；dc/ac双向变流器2的低压直流端连接一组串联电池堆，dc/ac双向变流器2的高压交流端接入双分裂变压器3的其中一个低压绕组，即串联电池堆的组数与dc/ac双向变流器2的数量相同，每两台dc/ac双向变流器2接入一台双分裂变压器3，所有双分裂变压器3通过缆线接入一个或多个开关柜4，且每个双分裂变压器3仅接入一个开关柜4。
34.优选地，所有双分裂变压器3通过缆线接入一个开关柜4，相较于接入多个开关柜4，这种方式可以节省电气设备的使用，节省占地，并减少控制的复杂度
35.实施例1
36.如图1中，本实用新型的一种串联式液流电池储能装置，包括多对正负极电解液储罐1和变流器设备，变流器设备包括dc/ac双向变流器2、双分裂变压器3和开关柜4，每对正负极电解液储罐1由一个正极电解液储罐和一个负极电解液储罐组成，每对正负极电解液储罐1同时为多个电池堆提供电解液，正负极电解液储罐1的出口由管道各连接一台泵，分别为正极泵和负极泵，正极电解液储罐通过正极泵将正极电解液输入电池堆的正极，负极电解液储罐通过负极泵将负极电解液输入电池堆的负极；由同一正负极电解液储罐1供液的所有电池堆通过管道并联连接，如电池堆编号1-1至m-1、1-2至m-2、
…
、1-n至m-n，各个液路管道上安装有流量控制阀，用于调节液路管道内的电解液流量，保证流经电池堆的电解液流速和流量相同，从而保证电池堆性能的一致；由不同正负极电解液储罐1供液的电池堆通过导线依次将正极与负极连接，构成一组串联回路，每个电池堆只连接在一个串联回路中，如电池堆编号1-1～1-n为一组串联电池堆、2-1～2-n为一组串联电池堆、
…
、m-1至m-n为一组串联电池堆，每组串联电池堆的电池堆数量相同，均与正负极电解液储罐1的对数相同；此电路连接模式下(每个电池堆参数等均相同)，串联式液流电池储能装置的输出电压为单电池堆电压的n倍，输出电流与单电池堆电流相同，从而升高电压等级，减少升压设备，降低电气成本，提升电能转换效率。由不同正负极电解液储罐1供液的同一串联回路中的电池堆的液路系统相互隔离，如编号为1-1电池堆与编号为1-2电池堆的液路系统相互独立，避免了液路环流；一组电气串联的电池堆(一组串联电池堆)通过线缆连接一台dc/ac双向变流器2的低压直流端，每组串联电池堆对应的dc/ac双向变流器2结构和型号相同；每两台dc/ac双向变流器2通过线缆连接一台双分裂变压器3，每台双分裂变压器3的结构和型号相同，一台双分裂变压器3对应的两台dc/ac双向变流器2的高压交流端分别接入该变压器的其中一个低压绕组；所有双分裂变压器3通过线缆接入一个开关柜4。
37.本实用新型的变压器采用双分裂变压器，技术成熟，可以有效抑制更多分裂绕组变压器产生的电流谐波，相较于单一变压器，双分裂变压器可降低系统变压器设备个数，进而降低生产成本；双分裂变压器在35kv储能系统中，不易受到频繁的电力潮流变换的影响，保证dc/ac变流器中的高频电子设备的正常稳定运行；该变压器不易在电网侧产生非特征谐波，保障良好的电能质量。
38.实施例2
39.如图2中，本实用新型的一种串联式液流电池储能装置，包括多对正负极电解液储罐1和变流器设备，变流器设备包括dc/ac双向变流器2、双分裂变压器3和开关柜4，每对正负极电解液储罐1由一个正极电解液储罐和一个负极电解液储罐组成，每对正负极电解液
储罐1仅对单个电池堆提供电解液，对单个储罐的容量和单个泵的性能要求较低，易于选型，且可保证每个电池堆的充放电的均匀性，减少dc/ac变流器的控制策略的复杂度；整套液流电池储能装置的电池堆数量与正负极电解液储罐1对数相同，电池堆的数量及组数根据所需容量配置；正负极电解液储罐1的出口由管道分别连接一台正极泵和负极泵，正极电解液储罐通过正极泵将正极电解液输入电池堆的正极，负极电解液储罐通过负极泵将负极电解液输入电池堆的负极，各个液路管道上安装有流量控制阀，用于调节液路管道内的电解液流量，保证流经电池堆的电解液流速和流量相同，保证流经电池堆的电解液流速和流量相同；每个电池堆的液路系统相互独立，如图2中编号为1-1电池堆、编号为1-2电池堆、编号为2-1电池堆相互独立；几个电池堆通过导线依次将正极与负极连接，构成一组串联回路，每个电池只连接在一个串联回路中，如编号为1-1电池堆～1-n电池堆为一组串联电池堆、2-1电池堆～2-n电池堆为一组串联电池堆、
…
、m-1电池堆～m-n电池堆为一组串联电池堆，每组串联电池堆的电池堆数量相同。同一串联回路中的电池堆的液路系统相互隔离，如编号为m-1电池堆与编号为m-n电池堆的液路系统相互独立，避免了液路环流；一组电气串联的电池堆(一组串联电池堆)通过线缆连接一台dc/ac双向变流器2的低压直流端，每组串联电池堆对应的dc/ac双向变流器2结构和型号相同；每两台dc/ac双向变流器2通过线缆连接一台双分裂变压器3，每台双分裂变压器3的结构和型号相同，一台双分裂变压器3对应的两台dc/ac双向变流器2的高压交流端分别接入该变压器的其中一个低压绕组；所有双分裂变压器3通过线缆接入一个开关柜4。
40.实施例3
41.本实用新型提供了一种串联式液流电池储能系统，该系统包括上述任一种的串联式液流电池储能装置。本实施例的技术方案，通过可以减小升压级数、减少电力设备如系统变压器来达到提高储能装置的系统效率和安全要求；避免串联管道下电解液的流速和流量难以控制而造成的电池堆性能不一致，从而避免环流产生，提升了液流电池储能装置的电能转换效率。因此，通过本实施例的技术方案能够提高储能装置的系统效率。
42.需要说明的是：上述串联式液流电池储能系统还可以包括多个上述任意一项的串联式液流电池储能装置。
43.实施例4
44.本实用新型提供了一种电力系统，包括上述串联式液流电池储能系统。
45.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。