美国Avista Turner 1MW液流电池项目运行数据报告

高效储能系统构建是各个国家电网高效且灵活运行的关键，由于目前全球现有的电网系统无法处理大规模间歇性能源整合，间歇性可再生能源的渗透率超过20%会极大地破坏电网系统的稳定性，电网将遭受严重破坏，目前的共识是大规模电能存储系统可以有效缓解电网系统中许多固有的低效率和缺陷，并有助于提高电网可靠性，促进间歇性可再生能源的全面整合，有效管理发电^[1]。用于电网储能应用的液流电池储能系统的成本效益一直都受到广泛关注。Avista Turner EES是美国全钒液流电池实际落地项目的一个典型代表，本文将以该示范项目为案例，对液流电池的落地项目的实际运行情况进行介绍和分析。

Avista Turner EES系统概述

Avista Turner EES系统为1MW/3.2MWh的钒液流电池系统，位于华盛顿州普尔曼的特纳变电站，用于支持华盛顿州立大学的智能校园运营，该系统采购于联合能源技术公司（UET）^[2]。该系统由两个实际输出0.5MW/1.6MWh的子系统组成，每个子系统又由4个电池模块（图2中前4个模块）和带有电池管理系统(BMS)的电源转换系统（图2中第5个独立模块）构成，并且每个子系统都独立运作，互不干扰，并分别配备了储存电解液的外接罐体，单系统额定放电功率为500kW，额定充电功率为400kW，峰值功率600kW。每个电池模块由3个50kW的电池堆栈串联而成，模块中包含50个串联的单电池。单电池对应的开路电压极限为1.25V/单电池（0%SOC）-1.49 V/单电池（100%SOC）。根据华盛顿州立大学的数据，该VRB-EES系统的成本为700美元/千瓦时^[3]。

（图1）

（图2）

Avista Turner EES系统技术参数^[4]

对于用于Avista Turner EES系统的主要技术参数如下表2.1所示。对UET全系统，其标识功率及峰值功率分别为1MW和1.2MW，最大输出能量为3.2MWh，系统效率为65-70%，设计使用寿命为20年，直流电压范围为465V-1000V，交流输出范围为4160V—34.5kV，适宜使用温度区间为-40℃—50℃。

而对下一代用于MESA 2的EES系统，其主要技术参数如下表2.2所示：其交流充放电效率为70%，输出交流电压为12.47kV，响应时间小于100ms，占地78m²，尺寸为12.5m×6.1m×2.9m，总体积为221.125m³，重量为170000kg，体积能量密度为9.9Wh/L，体积功率密度为2.7W/L，质量能量密度为12.9Wh/kg，质量功率密度为3.5W/kg，设计使用寿命超过20年，使用温度区间为-40℃—50℃，自放电率小于储存能量的2%。

Avista Turner EES系统的放电容量及RTE

对于放电容量，在不同的放电速率下（固定600kW充电功率），放电能量随SOC非线性变化，放电能量容量范围在2020-3600kWh。以1000kW的功率放电所提供的能量约为额定能量3200kWh的三分之二，而以520kW的功率放电所提供的能量为额定值的94%，在400kW时放电传递的能量比额定能量高出4%。在PCS DC侧，不包括辅助负载，液流电池ESS系统在520kW的放电功率下提供了全部额定能量，而在400kW的功率下提供了比额定能量高出11%的能量。

对于RTE，在实际运行中，其子系统1在78次完整放电后的累计能量输出为125MWh，子系统2在103次完整放电后的累计能量输出为165MWh（如图2.3所示），两个子系统在不计算辅助负载的情况下的累计RTE（充放电效率）有一定差异，分别为52%和60%，具有较好的系统稳定性（如图2.4所示）。

图2.5显示了子系统2的累计充放电容量以及库仑效率。库仑效率最初接近100%，随着时间的推移逐渐降低，最终在测试结束时达到95%，这表明系统中存在电解质交叉渗透。电解质交叉渗透是钒液流电池中的一个不可避免的问题，由于质子交换膜和两侧离子浓度差的存在，正负极电解液会发生一定程度上的交叉。在科研界也只能尽可能通过优化离子交换膜的组成降低离子渗透，这使得具有良好性能的全氟磺酸质子交换膜成为高性能液流电池的刚需，极大地提高了全钒液流电池的整体成本。虽然目前也提出了一些非氟离子交换膜，但整体性能并不尽如人意，还有待进一步探索研究。在Avista Turner EES系统实际运行的结果上来看，其库伦效率整体保持率较高，表明目前离子交叉对系统整体运行的影响较小，离子交换膜对离子交叉的控制效果较好，并且这个现象也可以通过定期维护得到进一步改善。

子系统2的DC-DC RTE作为SOC的函数如图2.9所示，总体上，DC RTE曲线的弯曲段出现在低SOC部分，在高SOC区域变化较小。RTE随SOC的降低而降低，而随功率的降低而升高，并且在520kW时最高。例如，在SOC为90%时，520kW时的RTE为84%，而在SOC为32%时，RTE为76%。1000kW放电时，90%荷电状态下的RTE为73%，而50%荷电状态下的RTE为61%。

Avista Turner EES系统响应时间及内阻

Aviasta Turner EES系统的响应时间在测试周期内，响应时间范围为3—10s。对于充电过程，随着SOC从20%增加到60%，响应时间从4s增加到10s，并达到最大功率800kW，随后线性下降到400kW，直至SOC达到100%。响应时间范围在90%SOC的340kW/s至30%SOC下的315kW/s之间，在90~40%SOC范围内最大功率约为1000kW，而在30%SOC下响应时间略有下降至950kW。

对于系统内阻，数据显示随着SOC从90%变化到40%，内阻从0.100Ω增加到0.110Ω。在30% SOC时达到0.125Ω的内阻峰值。经过标准转换后，电阻范围为0.05Ω到0.055Ω，这与Snohomish的MESA 2系统的研究结果一致。而在SOC范围内，充电期间的内电阻略低于放电时的电阻，从20%SOC时的0.11Ω下降到100%SOC时的0.095Ω。

Avista Turner EES系统可用性

在测试期间，液流电池ESS的总可用性为56%。总试验持续时间为365天，其中162天，或44%，因各种原因而损失，不同类别的损失天数分布如图ES3所示。其中，由于与电堆相关的问题，包括电堆SOC不匹配和电堆泄漏，损失了16%的测试时间（58天）；由于与PCS相关的问题，损失了11%的测试时间（40天），包括在高SOC充电期间长期使用PCS和暴露于泄漏电解质导致的电子元件腐蚀；与PCS软件相关的问题导致了9天的损失；泵相关问题和泵缸外壳泄漏分别造成了9天和8天的损失；热管理失败导致7天损失，而交流断路器不能远程重启导致7天损失；人为失误和天气分别导致了6天和7天的损失；维护、通信故障和杂项导致11天损失。

主要运行状态结论

通过对公开已有资料的查阅，我们发现全钒液流电池EES系统运行特性和性能可以满足要求。主要运行状态结论如下：

（1）Avista Turner 全钒液流电池ESS系统在不同功率水平下的能量不同，最大能量为420kW功率下的3395kWh，放电深度为81%。

（2）可用于放电的能量高度依赖于测试周期中的功率（千瓦）水平。例如，在满额定1MW功率下的可用能量约为在50%额定功率下可释放的能量的三分之二。

（3）响应时间取决于功率水平、模式和SOC。

（4）全钒液流电池ESS系统的可用性系数低于预期。

我们有理由相信，在全钒液流电池技术的不断发展下，全钒液流电池的实用化运行是可以实现并大规模推广的，并在可再生能源与电网的协同运行中发挥巨大作用。

参考文献：

[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]

产品系列：
全钒液流电池-储能系统/BMS
液流电池-非氟离子交换膜
LAB系列研发示范装置

储能系统度电成本计算器NeLCOS^®

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文章修改日期：2024-10-18 14:53:10