一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示系统及方法与流程

本发明涉及电池储能技术领域，进一步涉及一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示系统及方法。

背景技术：
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目前，液流储能电池技术开发和应用已经取得重要进展，全钒液流电池的发展前景比较光明，影响全钒液流电池性能的技术难题正在逐一解决，全钒液流电池在未来储能领域中必将得到广泛应用。

然而，对全钒液流电池的普及应用，特别实在可再生能源领域的普及应用，涉及电网、电化学等跨领域的专业知识，除工程实践中的实训外，在课堂上很难实现生动、可视化的教学演示。因此，急需开发一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示系统及方法。

技术实现要素：
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本发明是根据全钒液流电池的基本原理，针对学校实验室和课堂教学演示需要，将其引入课堂教学，提供一种适用于理解全钒液流电池与新能源并网运行的教学演示系统。具体技术方案如下：

一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示系统，包括：全钒液流电池储能系统1、储能双向PCS2、新能源模拟装置3、智能教学终端显示器4、三相可调负载5，与上述各部分分别相连的智能教学终端控制装置6；所述新能源模拟装置可根据外部给定的功率曲线指令信号，模拟可再生能源发电电压、电流、功率的实时变化，其输入端与电网连接，新能源模拟装置与三相可调负载相连接，新能源模拟装置向三相可调负载放电来模拟新能源向电网馈电；全钒液流电池储能系统与储能双向PCS串接后，再经开关K₂接入交流电网PCC点；三相可调负载经开关K₃接入交流电网PCC点；全钒液流电池储能系统、三相可调负载共用同一个交流电网PCC点经开关K₁接入电网，新能源模拟装置经开关K₄由电网供电，输出新能源模拟电压、电流后经开关K₇与三相可调负载并联；智能教学终端控制装置与电池储能系统、储能双向PCS、新能源模拟装置、智能教学终端显示器、三相可调负载分别相连，实现对系统的控制和数据采集。

在上述教学演示系统上实现的一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示方法，过程为：储能双向PCS通过通讯接收智能教学终端控制装置的控制指令，控制全钒液流电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，实现对系统功率调节的教学演示。

作为优选方案，还包括：全钒液流电池储能系统的直流侧电流采集端点I_dc、直流侧电压采集端点U_dc，交流侧电流采集端点I_a、交流侧电流采集端点I_b、交流侧电流采集端点I_c、交流侧电压采集端点U_a、交流侧电压采集端点U_b、交流侧电压采集端点U_c，用于采集全钒液流电池储能系统运行过程中的交流侧、直流侧的电流和电压。

进一步作为优选方案，所述智能教学终端控制装置包括：工业控制计算机、显示屏、异步串行通信模块、运算控制模块、网络通信模块；智能教学终端控制装置通过异步串口通信模块与储能双向PCS和新能源模拟装置相连，获取全钒液流电池储能系统和新能源模拟装置上的运行数据，并将运行数据和相对应时间存储在工业控制计算机中。

作为更进一步优选方案，还包括：智能教学环境用电负载7、开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₅、开关K₆、开关K₇；所述智能教学环境用电负载是指除了智能教学演示系统外的实验室照明、空调等用电；全钒液流电池储能系统与储能双向PCS串接后，再经开关K₂接入交流电网PCC点；三相可调负载经开关K₃接入交流电网PCC点；智能教学环境用电负载一路经开关K₅接入交流电网PCC点，另一路经开关K₆接入电网；全钒液流电池储能系统、三相可调负载、智能教学环境用电负载共用同一个交流电网PCC点经开关K₁接入电网，新能源模拟装置经开关K₄由电网供电，输出新能源模拟电压、电流后经开关K₇与三相可调负载并联。

作为再更进一步优选方案，还包括：位于智能教学终端控制装置上的一组模式选择按钮；所述一组模式选择按钮包括：

模式一按钮，所述模式一启动对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₆、开关K₇断开；模式二按钮，所述模式二启动对应于开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₁、开关K₅断开；模式三按钮，所述模式三启动对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₆闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₇断开；模式四按钮，所述模式四启动对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₅断开。

所述智能教学终端显示器包括：运行控制主界面、模式切换功能控制界面、液流电池运行界面、波形显示界面、数据存储与分析界面。

一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示方法，过程如下：

智能教学终端控制装置通过控制各电气开关的闭合状态实现不同运行模式的切换，并显示各电气开关的开断状态；同时智能教学终端控制装置对储能PCS下达功率指令，经运算控制模块分析，控制全钒液流电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，实现对教学演示系统功率的调控；

新能源模拟装置根据外部给定的功率曲线指令信号，模拟可再生能源发电电压、电流、功率的实时变化；

智能教学终端控制装置获取全钒液流电池储能系统和新能源模拟装置上的运行数据，并将运行数据和相应时间存储在工业控制计算机；

智能教学终端控制装置通过网络通信模块收集全钒液流电池储能系统和新能源模拟装置的各项运行数据，智能教学终端控制装置传输给智能教学终端显示器进行显示。

一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示方法之一，过程如下：

步骤一：开启智能教学终端控制装置；

步骤二：工作模式选择；

步骤三：运行相应的模式，控制电气开关的开断状态；

运行模式一对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₆、开关K₇断开；运行模式二对应于开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₁、开关K₅断开；运行模式三对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₆闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₇断开；运行模式四对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₅断开；

步骤四：上传设备运行信息至智能教学终端控制装置；

步骤五：智能教学终端控制装置收集全钒液流电池储能系统和新能源模拟装置的各项运行数据，智能教学终端控制装置传输给智能教学终端显示器进行显示；

步骤六：系统一个循环结束，在没有运行模式切换操作时，返回步骤四，实现对信息的实时显示；

步骤七：演示全部结束后，关闭智能教学终端控制装置。

在上述方法基础上的一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示方法之二，

当教学演示系统运行在模式一时，智能教学终端控制装置对全钒液流电池储能系统下达充/放电指令，同时控制储能双向PCS实现充/放电控制，并在智能教学终端显示器上显示其运行状态；当电池储能系统接收充电指令时，电网对其充电，能量流的显示由电网流向全钒液流电池储能系统；当其接收放电指令时，全钒液流电池储能系统通过储能双向PCS对三相可调负载放电，能量流显示从全钒液流电池储能系统流向三相可调负载；

当教学演示系统运行在模式二时，电网为新能源模拟装置供电，模拟新能源出力时输出的电压、电流，并将其输送到三相可调负载，能量流显示由新能源模拟装置流向三相可调负载，用于模拟新能源出力的就地消纳及送出；同时基于新能源出力的控制策略结合电池储能系统，能量流显示由新能源模拟装置流向全钒液流电池储能系统，由全钒液流电池储能系统流向新能源模拟装置，实现在某种控制策略下的全钒液流电池储能系统的充放电控制；

当教学演示系统运行在模式三时，能量流显示由新能源模拟装置流向智能教学环境用电负载；当新能源出力较多且智能教学环境用电负载用电较少且处于低谷电价时，能量流显示由新能源模拟装置流向全钒液流电池储能系统，实现其充电操作；当智能教学环境用电负载较高且新能源出力不足时，能量流显示由全钒液流电池储能系统流向智能教学环境用电负载；当处于高峰电价且智能教学环境用电负载较少时，能量流显示由新能源模拟装置流向三相可调负载，模拟新能源的并网操作；当新能源模拟装置发电较少且处于高峰电价，能量流显示由全钒液流电池储能系统流向三相可调负载，模拟储能的负荷侧削峰填谷策略；

当教学演示系统运行在模式四时，若电池储能系统能量不足且新能源出力不能满足负荷要求，能量流由电网流向全钒液流电池储能系统；为模拟新能源的并网操作，能量流由新能源模拟装置流向三相可调负载；配合相应控制策略以实现新能源并网的不同需求，能量流由新能源模拟装置流向全钒液流电池储能系统，实现电池储能系统的充电演示；能量流由全钒液流电池储能系统流向三相可调负载，实现全钒液流电池储能系统的放电演示。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(一)提供了一种适用于理解全钒液流电池与新能源并网运行的教学演示系统，具有演示直观、观测性强、安全性高等特点。便于学生深入了解全钒液流电池储能系统的工作原理，实时观测液流电池储能系统的运行状态，在线收集、分析电池的各项运行数据，提高教学质量。

(二)在实施例中，智能教学演示系统外的实验室照明、空调等用电与实验系统相连，避免了电池充放电过程中的电能浪费。

附图说明：

图1是本发明实施例教学演示系统电气连接示意图；图中，1代表全钒液流电池储能系统，2代表储能双向PCS，3代表新能源模拟装置，4代表智能教学终端显示器，5代表三相可调负载，6代表智能教学终端控制装置，7代表智能教学环境用电负载；全钒液流电池储能系统与储能双向PCS串接后，再经开关K2接入交流电网PCC点；三相可调负载经开关K3接入交流电网PCC点；智能教学环境用电负载一路经开关K5接入交流电网PCC点，另一路经开关K6接入电网；全钒液流电池储能系统、三相可调负载、智能教学环境用电负载共用同一个交流电网PCC点经开关K1接入电网，新能源模拟装置经开关K4由电网供电，输出新能源模拟电压、电流后经开关K7与三相可调负载并联；智能教学终端控制装置分别与全钒液流电池储能系统、储能双向PCS、新能源模拟装置、智能教学终端显示器连接，实现对系统的控制和数据采集；智能教学终端控制装置与智能教学终端显示器之间通过网络通信连接，智能教学终端控制装置与其它设备之间的连接以光纤通信为主，串口通信为辅。

图2本发明实施例中的教学演示方法流程图；其中，开关状态为0代表该开关断开，开关状态为1代表该开关闭合；运行模式1即模式一，为离网状态下全钒液流电池储能系统充放电控制演示模式；运行模式2即模式二，为离网状态下，全钒液流电池储能系统与新能源模拟装置相结合的运行模式；运行模式3即模式三，为并网状态下全钒液流电池储能系统配合智能教学环境用电负载实现负荷侧的削峰填谷运行模式；运行模式4即模式四，为并网状态下全钒液流电池储能系统与新能源的充并网运行模式。

图3a为系统运行模式一状态下，能量流示意图；图中，带箭头线条代表能量流方向。

图3b为系统运行模式二状态下，能量流示意图；图中，带箭头线条代表能量流方向。

图3c为系统运行模式三状态下，能量流示意图；图中，带箭头线条代表能量流方向。

图3d为系统运行模式四状态下，能量流示意图；图中，带箭头线条代表能量流方向。

图4智能教学终端显示器的基本功能示意图。

具体实施方式：

实施例：

结合图1-4，说明本发明的实施过程。

如图1所示，一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示系统，包括：全钒液流电池储能系统1、储能双向PCS2、新能源模拟装置3、智能教学终端显示器4、三相可调负载5，与上述各部分分别相连的智能教学终端控制装置6，智能教学环境用电负载7，全钒液流电池储能系统的直流侧电流采集端点I_dc、直流侧电压采集端点U_dc，交流侧电流采集端点I_a、交流侧电流采集端点I_b、交流侧电流采集端点I_c、交流侧电压采集端点U_a、交流侧电压采集端点U_b、交流侧电压采集端点U_c，用于采集全钒液流电池储能系统运行过程中的交流侧、直流侧的电流和电压，开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₅、开关K₆、开关K₇，位于智能教学终端控制装置上的一组模式选择按钮；全钒液流电池储能系统与储能双向PCS串接后，再经开关K₂接入交流电网PCC点；三相可调负载经开关K₃接入交流电网PCC点；智能教学环境用电负载一路经开关K₅接入交流电网PCC点，另一路经开关K₆接入电网；全钒液流电池储能系统、三相可调负载、智能教学环境用电负载共用同一个交流电网PCC点经开关K₁接入电网，新能源模拟装置经开关K₄由电网供电，输出新能源模拟电压、电流后经开关K₇与三相可调负载并联；智能教学终端控制装置通过串口通信分别与全钒液流电池储能系统、储能双向PCS、新能源模拟装置、智能教学终端显示器连接。

上述一组模式选择按钮包括：模式一按钮，所述模式一启动对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₆、开关K₇断开；模式二按钮，所述模式二启动对应于开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₁、开关K₅断开；模式三按钮，所述模式三启动对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₆闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₇断开；模式四按钮，所述模式四启动对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₅断开。

上述新能源模拟装置可根据外部给定的功率曲线指令信号，模拟可再生能源发电电压、电流、功率的实时变化，其输入端与电网连接，新能源模拟装置与三相可调负载相连接，新能源模拟装置向三相可调负载放电来模拟新能源向电网馈电。

上述智能教学终端控制装置与全钒液流电池储能系统、储能双向PCS、新能源模拟装置、智能教学终端显示器、三相可调负载分别相连，实现对系统的控制和数据采集。

上述智能教学终端显示器包括：运行控制主界面、模式切换功能控制界面、液流电池运行界面、波形显示界面、数据存储与分析界面。

上述全钒液流电池储能系统为5kW全钒液流电池储能系统；其额定电压为48VDC，额定功率5.3kW，额定电流为110ADC，最大功率20kW，充电限压60CDC，放电限压40VDC。

如图2所示，在上述系统上实现的一种适用于全钒液流电池在可再生能源领域应用的教学演示方法，过程如下：

步骤一：开启智能教学终端控制装置；

步骤二：工作模式选择；

步骤三：运行相应的模式，控制电气开关的开断状态；

运行模式一对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₆、开关K₇断开；运行模式二对应于开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₁、开关K₅断开；运行模式三对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₆闭合，开关K₄、开关K₅、开关K₇断开；运行模式四对应于开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄、开关K₆、开关K₇闭合，开关K₅断开；

步骤四：上传设备运行信息至智能教学终端控制装置；

步骤五：智能教学终端控制装置收集全钒液流电池储能系统和新能源模拟装置的各项运行数据，智能教学终端控制装置传输给智能教学终端显示器进行显示；

步骤六：系统一个循环结束，在没有运行模式切换操作时，返回步骤四，实现对信息的实时显示；

步骤七：演示全部结束后，关闭智能教学终端控制装置。

在上述步骤三中，如图3a、3b、3c、3d所示，

模式一为离网状态下储能电池充放电控制演示模式；当教学演示系统运行在模式一时，智能教学终端控制装置对全钒液流电池储能系统下达充/放电指令，同时控制储能双向PCS实现充/放电控制，并在智能教学终端显示器上显示其运行状态；当电池储能系统接收充电指令时，电网对其充电，能量流的显示由电网流向全钒液流电池储能系统；当其接收放电指令时，全钒液流电池储能系统通过储能双向PCS对三相可调负载放电，能量流显示从全钒液流电池储能系统流向三相可调负载。

模式二为离网状态下，液流电池储能系统与新能源相结合的运行模式；当教学演示系统运行在模式二时，电网为新能源模拟装置供电，模拟新能源出力时输出的电压、电流，并将其输送到三相可调负载，能量流显示由新能源模拟装置流向三相可调负载，用于模拟新能源出力的就地消纳及送出；同时基于新能源出力的控制策略结合电池储能系统，能量流显示由新能源模拟装置流向全钒液流电池储能系统，由全钒液流电池储能系统流向新能源模拟装置，实现在某种控制策略下的全钒液流电池储能系统的充放电控制。

模式三为并网状态下，储能配合负荷用电实现负荷侧的削峰填谷运行模式；当教学演示系统运行在模式三时，能量流显示由新能源模拟装置流向智能教学环境用电负载；当新能源出力较多且智能教学环境用电负载用电较少且处于低谷电价时，能量流显示由新能源模拟装置流向全钒液流电池储能系统，实现其充电操作；当智能教学环境用电负载较高且新能源出力不足时，能量流显示由全钒液流电池储能系统流向智能教学环境用电负载；当处于高峰电价且智能教学环境用电负载较少时，能量流显示由新能源模拟装置流向三相可调负载，模拟新能源的并网操作；当新能源模拟装置发电较少且处于高峰电价，能量流显示由全钒液流电池储能系统流向三相可调负载，模拟储能的负荷侧削峰填谷策略。

模式四为并网状态下全钒液流电池储能系统与新能源模拟装置的充并网模式；当教学演示系统运行在模式四时，若电池储能系统能量不足且新能源出力不能满足负荷要求，能量流由电网流向全钒液流电池储能系统；为模拟新能源的并网操作，能量流由新能源模拟装置流向三相可调负载；配合相应控制策略以实现新能源并网的不同需求，能量流由新能源模拟装置流向全钒液流电池储能系统，实现电池储能系统的充电演示；能量流由全钒液流电池储能系统流向三相可调负载，实现全钒液流电池储能系统的放电演示。

图4为智能教学终端显示的基本功能示意图；运行智能教学控制系统后，通过运行控制主界面设置显示系统运行状态并进行基本操作；模式切换功能控制界面实现系统运行控制模式的切换及在某种运行模式下的储能控制策略的制定；液流电池运行界面显示其在充放电功率控制及运行过程中的各种动态参数；波形显示界面显示新能源模拟装置、全钒液流电池储能系统、智能教学环境用电负载的电流、电压、功率曲线；数据存储与分析界面存储系统运行过程中的各种数据并可进行统计分析，便于观测及教学演示。

在本发明中，智能教学环境用电负载可以更换为一组三相可调负载，其所起作用是模拟负荷侧的削峰填谷/峰谷电价差；而将智能教学演示系统外的实验室照明、空调等用电与实验系统相连，避免了电池充放电过程中的电能浪费。