一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示系統及方法與流程

本發明涉及電池儲能技術領域，進一步涉及一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示系統及方法。

背景技術：
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目前，液流儲能電池技術開發和應用已經取得重要進展，全釩液流電池的發展前景比較光明，影響全釩液流電池性能的技術難題正在逐一解決，全釩液流電池在未來儲能領域中必將得到廣泛應用。

然而，對全釩液流電池的普及應用，特別實在可再生能源領域的普及應用，涉及電網、電化學等跨領域的專業知識，除工程實踐中的實訓外，在課堂上很難實現生動、可視化的教學演示。因此，急需開發一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示系統及方法。

技術實現要素：
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本發明是根據全釩液流電池的基本原理，針對學校實驗室和課堂教學演示需要，將其引入課堂教學，提供一種適用于理解全釩液流電池與新能源并網運行的教學演示系統。具體技術方案如下：

一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示系統，包括：全釩液流電池儲能系統1、儲能雙向PCS2、新能源模擬裝置3、智能教學終端顯示器4、三相可調負載5，與上述各部分分別相連的智能教學終端控制裝置6；所述新能源模擬裝置可根據外部給定的功率曲線指令信號，模擬可再生能源發電電壓、電流、功率的實時變化，其輸入端與電網連接，新能源模擬裝置與三相可調負載相連接，新能源模擬裝置向三相可調負載放電來模擬新能源向電網饋電；全釩液流電池儲能系統與儲能雙向PCS串接后，再經開關K₂接入交流電網PCC點；三相可調負載經開關K₃接入交流電網PCC點；全釩液流電池儲能系統、三相可調負載共用同一個交流電網PCC點經開關K₁接入電網，新能源模擬裝置經開關K₄由電網供電，輸出新能源模擬電壓、電流后經開關K₇與三相可調負載并聯；智能教學終端控制裝置與電池儲能系統、儲能雙向PCS、新能源模擬裝置、智能教學終端顯示器、三相可調負載分別相連，實現對系統的控制和數據采集。

在上述教學演示系統上實現的一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示方法，過程為：儲能雙向PCS通過通訊接收智能教學終端控制裝置的控制指令，控制全釩液流電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，實現對系統功率調節的教學演示。

作為優選方案，還包括：全釩液流電池儲能系統的直流側電流采集端點I_dc、直流側電壓采集端點U_dc，交流側電流采集端點I_a、交流側電流采集端點I_b、交流側電流采集端點I_c、交流側電壓采集端點U_a、交流側電壓采集端點U_b、交流側電壓采集端點U_c，用于采集全釩液流電池儲能系統運行過程中的交流側、直流側的電流和電壓。

進一步作為優選方案，所述智能教學終端控制裝置包括：工業控制計算機、顯示屏、異步串行通信模塊、運算控制模塊、網絡通信模塊；智能教學終端控制裝置通過異步串口通信模塊與儲能雙向PCS和新能源模擬裝置相連，獲取全釩液流電池儲能系統和新能源模擬裝置上的運行數據，并將運行數據和相對應時間存儲在工業控制計算機中。

作為更進一步優選方案，還包括：智能教學環境用電負載7、開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₅、開關K₆、開關K₇；所述智能教學環境用電負載是指除了智能教學演示系統外的實驗室照明、空調等用電；全釩液流電池儲能系統與儲能雙向PCS串接后，再經開關K₂接入交流電網PCC點；三相可調負載經開關K₃接入交流電網PCC點；智能教學環境用電負載一路經開關K₅接入交流電網PCC點，另一路經開關K₆接入電網；全釩液流電池儲能系統、三相可調負載、智能教學環境用電負載共用同一個交流電網PCC點經開關K₁接入電網，新能源模擬裝置經開關K₄由電網供電，輸出新能源模擬電壓、電流后經開關K₇與三相可調負載并聯。

作為再更進一步優選方案，還包括：位于智能教學終端控制裝置上的一組模式選擇按鈕；所述一組模式選擇按鈕包括：

模式一按鈕，所述模式一啟動對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₆、開關K₇斷開；模式二按鈕，所述模式二啟動對應于開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₁、開關K₅斷開；模式三按鈕，所述模式三啟動對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₆閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₇斷開；模式四按鈕，所述模式四啟動對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₅斷開。

所述智能教學終端顯示器包括：運行控制主界面、模式切換功能控制界面、液流電池運行界面、波形顯示界面、數據存儲與分析界面。

一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示方法，過程如下：

智能教學終端控制裝置通過控制各電氣開關的閉合狀態實現不同運行模式的切換，并顯示各電氣開關的開斷狀態；同時智能教學終端控制裝置對儲能PCS下達功率指令，經運算控制模塊分析，控制全釩液流電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，實現對教學演示系統功率的調控；

新能源模擬裝置根據外部給定的功率曲線指令信號，模擬可再生能源發電電壓、電流、功率的實時變化；

智能教學終端控制裝置獲取全釩液流電池儲能系統和新能源模擬裝置上的運行數據，并將運行數據和相應時間存儲在工業控制計算機；

智能教學終端控制裝置通過網絡通信模塊收集全釩液流電池儲能系統和新能源模擬裝置的各項運行數據，智能教學終端控制裝置傳輸給智能教學終端顯示器進行顯示。

一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示方法之一，過程如下：

步驟一：開啟智能教學終端控制裝置；

步驟二：工作模式選擇；

步驟三：運行相應的模式，控制電氣開關的開斷狀態；

運行模式一對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₆、開關K₇斷開；運行模式二對應于開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₁、開關K₅斷開；運行模式三對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₆閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₇斷開；運行模式四對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₅斷開；

步驟四：上傳設備運行信息至智能教學終端控制裝置；

步驟五：智能教學終端控制裝置收集全釩液流電池儲能系統和新能源模擬裝置的各項運行數據，智能教學終端控制裝置傳輸給智能教學終端顯示器進行顯示；

步驟六：系統一個循環結束，在沒有運行模式切換操作時，返回步驟四，實現對信息的實時顯示；

步驟七：演示全部結束后，關閉智能教學終端控制裝置。

在上述方法基礎上的一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示方法之二，

當教學演示系統運行在模式一時，智能教學終端控制裝置對全釩液流電池儲能系統下達充/放電指令，同時控制儲能雙向PCS實現充/放電控制，并在智能教學終端顯示器上顯示其運行狀態；當電池儲能系統接收充電指令時，電網對其充電，能量流的顯示由電網流向全釩液流電池儲能系統；當其接收放電指令時，全釩液流電池儲能系統通過儲能雙向PCS對三相可調負載放電，能量流顯示從全釩液流電池儲能系統流向三相可調負載；

當教學演示系統運行在模式二時，電網為新能源模擬裝置供電，模擬新能源出力時輸出的電壓、電流，并將其輸送到三相可調負載，能量流顯示由新能源模擬裝置流向三相可調負載，用于模擬新能源出力的就地消納及送出；同時基于新能源出力的控制策略結合電池儲能系統，能量流顯示由新能源模擬裝置流向全釩液流電池儲能系統，由全釩液流電池儲能系統流向新能源模擬裝置，實現在某種控制策略下的全釩液流電池儲能系統的充放電控制；

當教學演示系統運行在模式三時，能量流顯示由新能源模擬裝置流向智能教學環境用電負載；當新能源出力較多且智能教學環境用電負載用電較少且處于低谷電價時，能量流顯示由新能源模擬裝置流向全釩液流電池儲能系統，實現其充電操作；當智能教學環境用電負載較高且新能源出力不足時，能量流顯示由全釩液流電池儲能系統流向智能教學環境用電負載；當處于高峰電價且智能教學環境用電負載較少時，能量流顯示由新能源模擬裝置流向三相可調負載，模擬新能源的并網操作；當新能源模擬裝置發電較少且處于高峰電價，能量流顯示由全釩液流電池儲能系統流向三相可調負載，模擬儲能的負荷側削峰填谷策略；

當教學演示系統運行在模式四時，若電池儲能系統能量不足且新能源出力不能滿足負荷要求，能量流由電網流向全釩液流電池儲能系統；為模擬新能源的并網操作，能量流由新能源模擬裝置流向三相可調負載；配合相應控制策略以實現新能源并網的不同需求，能量流由新能源模擬裝置流向全釩液流電池儲能系統，實現電池儲能系統的充電演示；能量流由全釩液流電池儲能系統流向三相可調負載，實現全釩液流電池儲能系統的放電演示。

本發明相對于現有技術的優點在于：

(一)提供了一種適用于理解全釩液流電池與新能源并網運行的教學演示系統，具有演示直觀、觀測性強、安全性高等特點。便于學生深入了解全釩液流電池儲能系統的工作原理，實時觀測液流電池儲能系統的運行狀態，在線收集、分析電池的各項運行數據，提高教學質量。

(二)在實施例中，智能教學演示系統外的實驗室照明、空調等用電與實驗系統相連，避免了電池充放電過程中的電能浪費。

附圖說明：

圖1是本發明實施例教學演示系統電氣連接示意圖；圖中，1代表全釩液流電池儲能系統，2代表儲能雙向PCS，3代表新能源模擬裝置，4代表智能教學終端顯示器，5代表三相可調負載，6代表智能教學終端控制裝置，7代表智能教學環境用電負載；全釩液流電池儲能系統與儲能雙向PCS串接后，再經開關K2接入交流電網PCC點；三相可調負載經開關K3接入交流電網PCC點；智能教學環境用電負載一路經開關K5接入交流電網PCC點，另一路經開關K6接入電網；全釩液流電池儲能系統、三相可調負載、智能教學環境用電負載共用同一個交流電網PCC點經開關K1接入電網，新能源模擬裝置經開關K4由電網供電，輸出新能源模擬電壓、電流后經開關K7與三相可調負載并聯；智能教學終端控制裝置分別與全釩液流電池儲能系統、儲能雙向PCS、新能源模擬裝置、智能教學終端顯示器連接，實現對系統的控制和數據采集；智能教學終端控制裝置與智能教學終端顯示器之間通過網絡通信連接，智能教學終端控制裝置與其它設備之間的連接以光纖通信為主，串口通信為輔。

圖2本發明實施例中的教學演示方法流程圖；其中，開關狀態為0代表該開關斷開，開關狀態為1代表該開關閉合；運行模式1即模式一，為離網狀態下全釩液流電池儲能系統充放電控制演示模式；運行模式2即模式二，為離網狀態下，全釩液流電池儲能系統與新能源模擬裝置相結合的運行模式；運行模式3即模式三，為并網狀態下全釩液流電池儲能系統配合智能教學環境用電負載實現負荷側的削峰填谷運行模式；運行模式4即模式四，為并網狀態下全釩液流電池儲能系統與新能源的充并網運行模式。

圖3a為系統運行模式一狀態下，能量流示意圖；圖中，帶箭頭線條代表能量流方向。

圖3b為系統運行模式二狀態下，能量流示意圖；圖中，帶箭頭線條代表能量流方向。

圖3c為系統運行模式三狀態下，能量流示意圖；圖中，帶箭頭線條代表能量流方向。

圖3d為系統運行模式四狀態下，能量流示意圖；圖中，帶箭頭線條代表能量流方向。

圖4智能教學終端顯示器的基本功能示意圖。

具體實施方式：

實施例：

結合圖1-4，說明本發明的實施過程。

如圖1所示，一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示系統，包括：全釩液流電池儲能系統1、儲能雙向PCS2、新能源模擬裝置3、智能教學終端顯示器4、三相可調負載5，與上述各部分分別相連的智能教學終端控制裝置6，智能教學環境用電負載7，全釩液流電池儲能系統的直流側電流采集端點I_dc、直流側電壓采集端點U_dc，交流側電流采集端點I_a、交流側電流采集端點I_b、交流側電流采集端點I_c、交流側電壓采集端點U_a、交流側電壓采集端點U_b、交流側電壓采集端點U_c，用于采集全釩液流電池儲能系統運行過程中的交流側、直流側的電流和電壓，開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₅、開關K₆、開關K₇，位于智能教學終端控制裝置上的一組模式選擇按鈕；全釩液流電池儲能系統與儲能雙向PCS串接后，再經開關K₂接入交流電網PCC點；三相可調負載經開關K₃接入交流電網PCC點；智能教學環境用電負載一路經開關K₅接入交流電網PCC點，另一路經開關K₆接入電網；全釩液流電池儲能系統、三相可調負載、智能教學環境用電負載共用同一個交流電網PCC點經開關K₁接入電網，新能源模擬裝置經開關K₄由電網供電，輸出新能源模擬電壓、電流后經開關K₇與三相可調負載并聯；智能教學終端控制裝置通過串口通信分別與全釩液流電池儲能系統、儲能雙向PCS、新能源模擬裝置、智能教學終端顯示器連接。

上述一組模式選擇按鈕包括：模式一按鈕，所述模式一啟動對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₆、開關K₇斷開；模式二按鈕，所述模式二啟動對應于開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₁、開關K₅斷開；模式三按鈕，所述模式三啟動對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₆閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₇斷開；模式四按鈕，所述模式四啟動對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₅斷開。

上述新能源模擬裝置可根據外部給定的功率曲線指令信號，模擬可再生能源發電電壓、電流、功率的實時變化，其輸入端與電網連接，新能源模擬裝置與三相可調負載相連接，新能源模擬裝置向三相可調負載放電來模擬新能源向電網饋電。

上述智能教學終端控制裝置與全釩液流電池儲能系統、儲能雙向PCS、新能源模擬裝置、智能教學終端顯示器、三相可調負載分別相連，實現對系統的控制和數據采集。

上述智能教學終端顯示器包括：運行控制主界面、模式切換功能控制界面、液流電池運行界面、波形顯示界面、數據存儲與分析界面。

上述全釩液流電池儲能系統為5kW全釩液流電池儲能系統；其額定電壓為48VDC，額定功率5.3kW，額定電流為110ADC，最大功率20kW，充電限壓60CDC，放電限壓40VDC。

如圖2所示，在上述系統上實現的一種適用于全釩液流電池在可再生能源領域應用的教學演示方法，過程如下：

步驟一：開啟智能教學終端控制裝置；

步驟二：工作模式選擇；

步驟三：運行相應的模式，控制電氣開關的開斷狀態；

運行模式一對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₆、開關K₇斷開；運行模式二對應于開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₁、開關K₅斷開；運行模式三對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₆閉合，開關K₄、開關K₅、開關K₇斷開；運行模式四對應于開關K₁、開關K₂、開關K₃、開關K₄、開關K₆、開關K₇閉合，開關K₅斷開；

步驟四：上傳設備運行信息至智能教學終端控制裝置；

步驟五：智能教學終端控制裝置收集全釩液流電池儲能系統和新能源模擬裝置的各項運行數據，智能教學終端控制裝置傳輸給智能教學終端顯示器進行顯示；

步驟六：系統一個循環結束，在沒有運行模式切換操作時，返回步驟四，實現對信息的實時顯示；

步驟七：演示全部結束后，關閉智能教學終端控制裝置。

在上述步驟三中，如圖3a、3b、3c、3d所示，

模式一為離網狀態下儲能電池充放電控制演示模式；當教學演示系統運行在模式一時，智能教學終端控制裝置對全釩液流電池儲能系統下達充/放電指令，同時控制儲能雙向PCS實現充/放電控制，并在智能教學終端顯示器上顯示其運行狀態；當電池儲能系統接收充電指令時，電網對其充電，能量流的顯示由電網流向全釩液流電池儲能系統；當其接收放電指令時，全釩液流電池儲能系統通過儲能雙向PCS對三相可調負載放電，能量流顯示從全釩液流電池儲能系統流向三相可調負載。

模式二為離網狀態下，液流電池儲能系統與新能源相結合的運行模式；當教學演示系統運行在模式二時，電網為新能源模擬裝置供電，模擬新能源出力時輸出的電壓、電流，并將其輸送到三相可調負載，能量流顯示由新能源模擬裝置流向三相可調負載，用于模擬新能源出力的就地消納及送出；同時基于新能源出力的控制策略結合電池儲能系統，能量流顯示由新能源模擬裝置流向全釩液流電池儲能系統，由全釩液流電池儲能系統流向新能源模擬裝置，實現在某種控制策略下的全釩液流電池儲能系統的充放電控制。

模式三為并網狀態下，儲能配合負荷用電實現負荷側的削峰填谷運行模式；當教學演示系統運行在模式三時，能量流顯示由新能源模擬裝置流向智能教學環境用電負載；當新能源出力較多且智能教學環境用電負載用電較少且處于低谷電價時，能量流顯示由新能源模擬裝置流向全釩液流電池儲能系統，實現其充電操作；當智能教學環境用電負載較高且新能源出力不足時，能量流顯示由全釩液流電池儲能系統流向智能教學環境用電負載；當處于高峰電價且智能教學環境用電負載較少時，能量流顯示由新能源模擬裝置流向三相可調負載，模擬新能源的并網操作；當新能源模擬裝置發電較少且處于高峰電價，能量流顯示由全釩液流電池儲能系統流向三相可調負載，模擬儲能的負荷側削峰填谷策略。

模式四為并網狀態下全釩液流電池儲能系統與新能源模擬裝置的充并網模式；當教學演示系統運行在模式四時，若電池儲能系統能量不足且新能源出力不能滿足負荷要求，能量流由電網流向全釩液流電池儲能系統；為模擬新能源的并網操作，能量流由新能源模擬裝置流向三相可調負載；配合相應控制策略以實現新能源并網的不同需求，能量流由新能源模擬裝置流向全釩液流電池儲能系統，實現電池儲能系統的充電演示；能量流由全釩液流電池儲能系統流向三相可調負載，實現全釩液流電池儲能系統的放電演示。

圖4為智能教學終端顯示的基本功能示意圖；運行智能教學控制系統后，通過運行控制主界面設置顯示系統運行狀態并進行基本操作；模式切換功能控制界面實現系統運行控制模式的切換及在某種運行模式下的儲能控制策略的制定；液流電池運行界面顯示其在充放電功率控制及運行過程中的各種動態參數；波形顯示界面顯示新能源模擬裝置、全釩液流電池儲能系統、智能教學環境用電負載的電流、電壓、功率曲線；數據存儲與分析界面存儲系統運行過程中的各種數據并可進行統計分析，便于觀測及教學演示。

在本發明中，智能教學環境用電負載可以更換為一組三相可調負載，其所起作用是模擬負荷側的削峰填谷/峰谷電價差；而將智能教學演示系統外的實驗室照明、空調等用電與實驗系統相連，避免了電池充放電過程中的電能浪費。