全钒液流电池具有长寿命、高安全及功率和容量可灵活独立设计等优点，是大规模储能技术热点研究领域。本书对全钒液流电池储能本体技术与系统应用技术发展现状、工作原理与结构、全钒液流电池储能系统的数学模型、全钒液流电池及储能系统的SOC估计、全钒液流电池接入直流侧和交流侧母线的接口控制技术及储能系统的分层控制等问题进行了阐述。本书还给出了全钒液流电池储能系统的相关标准、典型工程应用实例及用于研究和算法验证的实证平台。本书可供从事全钒液流电池储能技术、智能电网等领域的相关研究人员参考使用，也可供高等院校广大师生借鉴参考。

李鑫：合肥工业大学副教授，安徽省自动化学会秘书长，合肥工业大学先进控制技术研究所所长、合肥市“228” 产业创新团队带头人、可再生能源储能专委会委员、安徽省机器人与智能系统标准化委员会委员。长期从事大容量储能系统控制，复杂系统建模与控制，神经网络学习与控制等。
先后承担或参与储能领域、省部级项目多项，其中国家重点研发计划1项（“10MW 级液流电池储能技术”）、国家发改委能源自主创新和能源装备专项项目1项、工信部智能制造项目1项、湖南省科技重大专项1项、国家自然基金面上项目2项、国家自然基金青年基金项目1项、安徽省自然基金面上项目1项。
在国内外核心期刊发表文章70余篇，其中30余篇被EI检索；授权专利16项（发明专利3项）；参与编写省级标准1个。获得安徽省科学技术进步奖二等奖1项（2016年），三等奖1项（2017年）。

序
前 言
第1章 液流电池储能技术1
1.1 大规模储能技术的分类1
1.1.1 大规模储能技术的简介2
1.1.2 大规模储能技术的应用13
1.2 全钒液流电池的发展23
1.3 全钒液流电池的应用26
1.3.1 应用领域26
1.3.2 示范项目27
1.4 全钒液流电池的关键技术34
1.5 政策法规、标准规范35
1.5.1 政策法规35
1.5.2 标准规范41
1.6 本章小结43
1.7 参考文献43
第2章 全钒液流电池的原理及结构48
2.1 全钒液流电池工作原理48
2.2 全钒液流电池的结构50
2.2.1 电堆50
2.2.2 电极51
2.2.3 双极板54
2.2.4 离子交换膜55
2.2.5 电解液57
2.2.6 密封结构60
2.2.7 管路和循环泵61
2.3 全钒液流电池的存储结构61
2.4 全钒液流电池的主要参数64
2.4.1 功率与容量65
2.4.2 电压与电流65
2.4.3 效率66
2.4.4 循环寿命66
2.4.5 荷电状态66
2.5 全钒液流电池常见的产品及规格67
2.6 本章小结72
2.7 参考文献72
第3章 全钒液流电池的数学模型76
3.1 全钒液流电池的建模方法76
3.2 全钒液流电池模型概述77
3.2.1 电化学模型77
3.2.2 电路模型83
3.2.3 混合模型87
3.3 全钒液流电池混合模型及特性分析88
3.3.1 全钒液流电池混合模型88
3.3.2 特性分析94
3.4 全钒液流电池状态空间模型及灵敏度分析99
3.4.1 全钒液流电池的状态空间模型99
3.4.2 全钒液流电池的灵敏度分析101
3.5 全钒液流电池组模型112
3.6 本章小结119
3.7 参考文献119
第4章 全钒液流电池的SOC估计125
4.1 SOC估计概述125
4.2 基于RLS和EKF算法的全钒液流电池SOC估计127
4.2.1 RLS和EKF算法127
4.2.2 RLS和EKF算法估计SOC的实验验证131
4.3 基于IEKF算法的全钒液流电池SOC估计136
4.3.1 IEKF算法136
4.3.2 IEKF算法估计SOC的实验验证138
4.3.3 IEKF算法估计SOC的收敛性及鲁棒性分析139
4.4 基于双卡尔曼滤波算法的全钒液流电池SOC估计145
4.4.1 双卡尔曼滤波算法145
4.4.2 双卡尔曼滤波算法估计SOC的验证147
4.5 全钒液流电池储能系统的SOC估计方案149
4.6 本章小结153
4.7 参考文献154
第5章 全钒液流电池的直流侧接口及控制156
5.1 双向DC/DC变换器的分类与拓扑157
5.1.1 非隔离型双向直流变换器157
5.1.2 隔离型双向直流变换器160
5.1.3 几种典型双向直流变换器的比较163
5.2 Buck/Boost变换器164
5.2.1 Buck/Boost变换器工作原理164
5.2.2 Buck/Boost变换器状态平均建模165
5.2.3 Buck/Boost变换器静态工作点分析167
5.2.4 Buck/Boost变换器小信号分析168
5.2.5 模型验证169
5.3 双有源全桥（DAB）双向DC/DC变换器170
5.3.1 DAB变换器工作原理170
5.3.2 DAB回流功率分析172
5.3.3 改进状态空间平均建模174
5.3.4 DAB静态工作点分析176
5.3.5 DAB小信号分析176
5.3.6 模型验证177
5.4 多DC/DC并联运行控制184
5.4.1 多DC/DC并联运行的储能系统控制策略185
5.4.2 系统的稳定性分析188
5.4.3 仿真验证与结果分析197
5.5 本章小结205
5.6 参考文献206
第6章 全钒液流电池的交流侧接口及控制207
6.1 储能变流器（PCS）207
6.1.1 PCS拓扑结构208
6.1.2 PCS的数学模型208
6.1.3 PCS的双闭环控制策略209
6.1.4 仿真分析214
6.2 多PCS并联运行控制219
6.2.1 PCS并联系统失稳机理分析219
6.2.2 PCS并联系统谐振抑制方法研究231
6.3 本章小结240
6.4 参考文献241
第7章 全钒液流电池储能系统的分层控制242
7.1 全钒液流电池储能系统的分层控制结构242
7.2 全钒液流电池的就地充放电控制243
7.2.1 全钒液流电池的充放电方法243
7.2.2 全钒液流电池的充放电控制策略244
7.2.3 全钒液流电池的充放电控制仿真245
7.3 基于P?AWPSO的全钒液流电池储能系统的功率协调控制249
7.3.1 全钒液流电池储能系统协调控制的数学模型249
7.3.2 全钒液流电池储能系统的协调控制算法253
7.3.3 算例仿真257
7.4 基于模拟退火粒子群算法的全钒液流电池储能系统的
功率协调控制265
7.4.1 模拟退火粒子群算法265
7.4.2 全钒液流电池储能系统功率分配多目标函数构建268
7.4.3 算例仿真275
7.5 全钒液流电池储能电站的双层功率分配技术282
7.5.1 储能充放电功率约束283
7.5.2 上层功率优化分配284
7.5.3 下层功率动态均衡288
7.5.4 算例分析290
7.6 本章小结294
7.7 参考文献295
第8章 全钒液流电池储能系统的应用实例297
8.1 10MW/40MW ? h全钒液流电池储能系统设计297
8.1.1 系统集成设计297
8.1.2 系统电气设计310
8.1.3 储能集装箱（方舱）设计314
8.2 全钒液流电池储能系统测试平台318
8.2.1 系统整体架构318
8.2.2 系统硬件平台319
8.2.3 系统软件平台320
8.3 基于Wincc OA的全钒液流电池能量管理系统322
8.3.1 系统整体架构322
8.3.2 系统硬件平台324
8.3.3 系统软件平台325
8.4 光储一体化系统327
8.4.1 系统整体架构327
8.4.2 系统硬件平台328
8.4.3 系统软件平台330
8.5 不同场景下全钒液流电池储能系统应用模式研究332
8.5.1 光伏场景下应用模式332
8.5.2 风电场景下应用模式337
8.6 本章小结342
8.7 参考文献342
第9章 其他液流电池储能技术343
9.1 铁铬液流电池343
9.1.1 铁铬液流电池工作原理343
9.1.2 铁铬液流电池特点343
9.1.3 铁铬液流电池发展历史345
9.1.4 铁铬液流电池研究现状346
9.2 锌溴液流电池348
9.2.1 锌溴液流电池工作原理348
9.2.2 锌溴液流电池特点349
9.2.3 锌溴液流电池发展历史350
9.2.4 锌溴液流电池研究现状352
9.3 本章小结353
9.4 参考文献353

大规模电化学储能技术可有效提升电网的安全性和运行效能，是智能电网的基础支撑技术，对国家实施能源结构调整的重大战略具有极其重要的意义。全钒液流电池具有高安全、长寿命和低成本等独特优点，在国家发展和改革委员会、国家能源局组织编制的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》中被列为大规模储能领域的首选技术。
为了加快培养储能领域“高精尖缺”人才，教育部、国家发展和改革委员会和国家能源局三部委联合制订了《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》，为推动我国储能产业和能源高质量发展做好引导。
本书围绕全钒液流电池储能系统的模型与控制进行撰写，总结了著作团队的研究成果，参考国内相关研究团队和会议报告的相关内容，共分为9个章节。第1章介绍大规模储能技术的分类、发展及应用，梳理了全钒液流电池的关键技术、现有的储能政策及全钒液流电池的国内外标准。第2章介绍了全钒液流电池的工作原理、化学反应过程、结构及主要参数，并给出了市场上常见的全钒液流电池产品及规格。第3章梳理了全钒液流电池常见的数学模型，建立了全钒液流电池的混合模型和状态空间方程，推导出电池组的数学模型。第4章阐述了全钒液流电池的SOC估计方法，并给出了全钒液流电池储能系统的估计方案。第5章主要详细地给出了全钒液流电池的直流侧接口设备（双向DC/DC），建立了双向DC/DC变换器的模型，并给出了多DC/DC并联运行的控制策略。第6章建立了全钒液流电池的交流侧接口设备（PCS）的模型，分析了多PCS并联运行失稳机理，并提出了多PCS并联系统谐振抑制的方法。第7章阐述了全钒液流电池的分层控制，包括就地层的充放电控制及功率协调控制。第8章给出了全钒液流电池的工程实例及液流电池应用的一般场景。第9章阐述了其他液流电池储能技术。全书将为全钒液流电池储能系统的建模、控制和应用带来有益参考，具有较好的可读性和参考价值。
本书由合肥工业大学李鑫博士、北方工业大学李建林教授和合肥工业大学邱亚博士等著；上海电气集团股份有限公司杨霖霖博士、合肥工业大学陈薇博士、国网节能服务有限公司周喜超高级工程师、合肥工业大学郑涛博士、国家电投中央研究院王含教授级高工和中国科学院金属研究所唐奡博士撰写了部分内容。
本书得到了中央高校基本科研业务费专项资金（JZ2020HGQA0175）以及合肥综合性国家科学中心能源研究院的项目资助，在此深表谢意。感谢合肥工业大学苏建徽教授、中电联电力发展研究院高长征博士和合肥工业大学陈梅副教授，他们认真审阅了全部书稿，并提出了许多宝贵而中肯的修改意见。感谢中南大学刘素琴教授、湖南大学李欣然教授和中国科学院山西煤炭化学研究所李南文研究员对本书的建议和意见。
感谢合肥工业大学电气与自动化工程学院先进控制技术研究所研究生汪丹、张微微、莫言青、邵军康、黄钰笛、狄那、卢文品、侯杨成、朱浩宇、石帅飞、张超、高翔和何慧敏等在本书撰写过程中所做的资料整理等辛勤的工作。还要感谢书中引注和未曾引注的所有文献作者的辛勤工作。
本书可供从事全钒液流电池储能技术、智能电网等领域的相关研究人员参考使用，也可供高等院校广大师生借鉴参考。
限于作者水平及现阶段对液流电池的认知，虽然对书稿进行了反复研究推敲，但难免仍会存在疏漏与不足之处，恳请读者批评指正。

著 者