一种基于三闭环结构的全钒液流电池充放电控制系统及其控制策略

摘要

本发明公开了一种基于三闭环结构的全钒液流电池充放电控制系统及其控制策略，包括SOC控制器、电压控制器、电流控制器、全钒液流电池、预估模块和直流变换器；该控制策略采用三闭环结构，全钒液流电池的实际荷电状态反馈至SOC控制器的输入端，构成第一闭环结构；全钒液流电池的堆栈电压估计值反馈到电压控制器的输入端，构成第二闭环结构；全钒液流电池的实际充放电电流反馈到所述电流控制器的输入端，构成第三闭环结构。本发明能实现全钒液流电池堆栈电压的估计，并基于该堆栈电压实现全钒液流电池的充放电控制，从而提高全钒液流电池的储电能力，同时在保证电池的安全情况下提高充电速度。

权利要求

1.一种基于三闭环结构的全钒液流电池的充放电控制系统，其特征包括：SOC控制器、电压控制器、电流控制器、全钒液流电池、预估模块和直流变换器；

将所设定的荷电状态SOCref与全钒液流电池的实际荷电状态SOC输入到所述SOC控制器中进行计算，从而获得堆栈电压的给定值Vs-ref；

将所述全钒液流电池的外部端电压Ud与实际充放电电流Id输入到所述预估模块中，从而获得堆栈电压的估计值将堆栈电压的给定值Vs-ref与堆栈电压的估计值 输入到所述电压控制器中进行计算，从而获得充放电电流的给定值Id-ref；

将充放电电流的给定值Id-ref与实际充放电电流Id输入到所述电流控制器中进行计算，从而获得控制电压Uc并输入到所述直流变换器中；

以所述直流变换器的输出电压作为所述全钒液流电池的外部端电压Ud，并对所述全钒液流电池进行充放电，从而获得全钒液流电池的实际充放电电流Id；

通过所述全钒液流电池的实际充放电电流Id获得全钒液流电池的实际荷电状态SOC；

将所述全钒液流电池的实际荷电状态SOC反馈至所述SOC控制器的输入端，从而形成第一闭环结构；

将所述全钒液流电池的堆栈电压的估计值 反馈到所述电压控制器的输入端，从而形成第二闭环结构；

将所述全钒液流电池的实际充放电电流Id反馈到所述电流控制器的输入端，从而形成第三闭环结构。

2.根据权利要求1所述的基于三闭环结构的全钒液流电池的充放电控制系统的充放电控制方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1：检测全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id；

步骤2：根据所述全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id进行计算，获得全钒液流电池的实际荷电状态SOC；

步骤3：将所设定的荷电状态SOCref与所述全钒液流电池的实际荷电状态SOC相减，再进行比例积分计算，从而获得全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref；

步骤4：根据所述全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id，利用式(1)获得全钒液流电池的堆栈电压的估计值式(1)中，Ip表示全钒液流电池的泵损；Zeq表示全钒液流电池的等效阻抗，并有：式(2)中，s表示复频率；Rres表示全钒液流电池的质子传递电阻、膜电阻、溶液电阻、电极电阻和双极板电阻的总和；Rrea表示全钒液流电池中由反应动力学引起的等效电阻；Rf表示全钒液流电池的寄生损耗；Ce表示全钒液流电池的电极电容；

式(1)中，K(s)为全钒液流电池的堆栈电压与端电压的相关系数，并有：步骤5：将全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref与堆栈电压的估计值 相减，再进行比例积分计算，从而获得全钒液流电池的充放电电流的给定值Id-ref；

步骤6：将充放电电流的给定值Id-ref与充放电电流Id相减，再进行比例积分计算，从而获得直流变换器的控制电压Uc；

步骤7：根据所述控制电压Uc，利用式(4)获得所述全钒液流电池的外部端电压Ud：式(4)中，Ks表示直流变换器的放大系数；T表示直流变换器的开关周期；

步骤8：利用全钒液流电池的外部端电压Ud对所述全钒液流电池进行充放电，从而获得全钒液流电池的实际充放电电流Id；

步骤9：重复循环步骤1-步骤8执行，直到所述全钒液流电池完成充放电。

3.根据权利要求2所述的充放电控制方法，其特征是：

当所设定的荷电状态SOCref大于所述全钒液流电池的荷电状态SOC，则表示对所述全钒液流电池进行充电，反之，表示对所述全钒液流电池进行放电；

当所设定的荷电状态SOCref等于所述全钒液流电池的荷电状态SOC，则表示完成所述全钒液流电池的充放电。

说明书

一种基于三闭环结构的全钒液流电池充放电控制系统及其控

制策略

技术领域

[0001] 本发明属于电池充放电控制技术领域，特别涉及一种基于三闭环结构的全钒液流电池充放电控制系统及其控制策略。

背景技术

[0002] 随着社会经济的快速发展，全球气候变暖、环境污染问题、传统能源危机等现象日益严重，大力发展清洁能源、开发可再生能源的方略被提上议程。光伏、风能等可再生能源具有波动性、随机性和间歇性，对电网有冲击，加上“弃风、弃光”现象日趋严重，影响了可再生能源的利用和发展，因此亟需储能系统来提高可再生能源的利用率，降低其对电网的冲击。

[0003] 全钒液流电池(Vanadium Redox Battery，简称VRB)是一种新型的化学储能装置，由电堆、正负极储液罐、循环泵和控制系统组成。其中电堆由多个单体全钒液流电池串联组成，单体电池是由电极、导流板、石墨毡电极、石墨导电板、离子隔膜组合而成的；正极电解液由V(V)和V(IV)离子溶液组成，负极电解液由V(III)和V(II)离子溶液组成；循环泵是整个系统的动力部分，完成电解液的运输；控制系统的作用是为了完成全钒液流电池的充放电控制及保护。与常规的电化学电池比较，全钒液流电池具有系统设计灵活(功率、容量可单独设计)、寿命长、安全可靠、对环境无污染等特点，非常适合大容量储能系统。

[0004] 全钒液流电池能否合理地进行充放电直接影响着电池的性能、使用寿命和系统效率，电池的堆栈电压反映了电池内部真实的电量。文献《VRB Modeling for the Study of Output Terminal Voltages，Internal Losses and Performance》建立了全钒液流电池的等效电路模型，充放电时堆栈电压连续变化，端电压不连续，充电结束时堆栈电压并没有达到额定值。文献(全钒液流电池模型及其充放电控制)根据全钒液流电池的荷电状态SOC来控制直流变换器的工作模式，指出充放电电流越大，充电时的堆栈电压越大，放电时的堆栈电压越小，但充电结束时堆栈电压没有达到额定值。专利《一种含DC/DC变换器的全钒液流电池安全充放电控制方法》(专利号：201210524163.0)及文献《含DC/DC变换器全钒液流电池储能系统安全充放电策略》提出了内环为VRB侧电感平均电流控制，外环为恒功率、恒压、涓流切换控制的DC/DC变换器双闭环策略，该控制策略没有考虑到全钒液流电池的堆栈电压，且外环要根据条件切换，控制器复杂。

[0005] 因此，如何实现全钒液流电池堆栈电压的估计，基于该堆栈电压实现电池安全充放电控制，并提高充电速度具有重要意义。

发明内容

[0006] 本发明为克服上述技术中存在的不足之处，提供一种基于三闭环结构的全钒液流电池充放电控制系统及其控制策略，以期能实现全钒液流电池的堆栈电压的估计，并基于全钒液流电池的堆栈电压实现电池的充放电控制，从而提高全钒液流电池的储电能力，以及提高电池充电速度的同时，保证电池的安全。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0008] 本发明一种基于三闭环结构的全钒液流电池的充放电控制系统的特点包括：SOC控制器、电压控制器、电流控制器、全钒液流电池、预估模块和直流变换器；

[0009] 将所设定的荷电状态SOCref与全钒液流电池的实际荷电状态SOC输入到所述SOC控制器中进行计算，从而获得堆栈电压的给定值Vs-ref；

[0010] 将所述全钒液流电池的外部端电压Ud与实际充放电电流Id输入到所述预估模块中，从而获得堆栈电压的估计值

[0011] 将堆栈电压的给定值Vs-ref与堆栈电压的估计值 输入到所述电压控制器中进行计算，从而获得充放电电流的给定值Id-ref；

[0012] 将充放电电流的给定值Id-ref与实际充放电电流Id输入到所述电流控制器中进行计算，从而获得控制电压Uc并输入到所述直流变换器中；

[0013] 以所述直流变换器的输出电压作为所述全钒液流电池的外部端电压Ud，并对所述全钒液流电池进行充放电，从而获得全钒液流电池的实际充放电电流Id；

[0014] 通过所述全钒液流电池的实际充放电电流Id获得全钒液流电池的实际荷电状态SOC；

[0015] 将所述全钒液流电池的实际荷电状态SOC反馈至所述SOC控制器的输入端，从而形成第一闭环结构；

[0016] 将所述全钒液流电池的堆栈电压的估计值 反馈到所述电压控制器的输入端，从而形成第二闭环结构；

[0017] 将所述全钒液流电池的实际充放电电流Id反馈到所述电流控制器的输入端，从而形成第三闭环结构。

[0018] 本发明一种基于三闭环结构的全钒液流电池的充放电控制策略的特点是按如下步骤进行：

[0019] 步骤1：检测全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id；

[0020] 步骤2：根据所述全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id进行计算，获得全钒液流电池的实际荷电状态SOC；

[0021] 步骤3：将所设定的荷电状态SOCref与所述全钒液流电池的实际荷电状态SOC进行比例积分计算，从而获得全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref；

[0022] 步骤4：根据所述全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id，利用式(1)获得全钒液流电池的堆栈电压的估计值

[0023]

[0024] 式(1)中，Ip表示全钒液流电池的泵损；Zeq表示全钒液流电池的等效阻抗，并有：

[0025]

[0026] 式(2)中，s表示复频率；Rres表示全钒液流电池的质子传递电阻、膜电阻、溶液电阻、电极电阻和双极板电阻的总和；Rrea表示全钒液流电池中由反应动力学引起的等效电阻；Rf表示全钒液流电池的寄生损耗；Ce表示全钒液流电池的电极电容；

[0027] 式(1)中，K(s)为全钒液流电池的堆栈电压与端电压的相关系数，并有：

[0028]

[0029] 步骤5：将全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref与堆栈电压的估计值 进行比例积分计算，从而获得全钒液流电池的充放电电流的给定值Id-ref；

[0030] 步骤6：将充放电电流的给定值Id-ref与充放电电流Id进行比例积分计算，从而获得直流变换器的控制电压Uc；

[0031] 步骤7：根据所述控制电压Uc，利用式(4)获得所述全钒液流电池的外部端电压Ud：

[0032]

[0033] 式(4)中，Ks表示直流变换器的放大系数；T表示直流变换器的开关频率；

[0034] 步骤8：利用全钒液流电池的外部端电压Ud对所述全钒液流电池进行充放电，从而获得全钒液流电池的实际充放电电流Id；

[0035] 步骤9：重复循环步骤1-步骤8执行，直到所述全钒液流电池完成充放电。

[0036] 本发明2所述的充放电控制策略的特点也在于：

[0037] 当所设定的荷电状态SOCref大于所述全钒液流电池的荷电状态SOC，则表示对所述全钒液流电池进行充电，反之，表示对所述全钒液流电池进行放电；

[0038] 当所设定的荷电状态SOCref等于所述全钒液流电池的荷电状态SOC，则表示完成所述全钒液流电池的充放电。

[0039] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0040] 1、本发明通过采用三闭环结构，恒压、恒流和涓流三阶段充电自动切换，不需要增加切换条件，控制器简单，易于实现；

[0041] 2、本发明通过预估模块估算全钒液流电池的堆栈电压值，使得堆栈电压可视化，在充放电过程中可监视全钒液流电池的堆栈电压值，防止了电池过充或者过放，保证了电池的安全；同时，预估得到堆栈电压后可进行荷电状态估计，解决了荷电状态估计不准的难题，对电池管理系统的研究有一定的参考价值；

[0042] 3、本发明不同于传统以全钒液流电池的端电压为反馈的双闭环控制策略，而是在第二闭环结构中采用堆栈电压作为反馈值，能够让堆栈电压达到设定值，使得电池真正的充满，充分利用电池，提高了电池的储电能力；同时减少了充电时间，提高了充电速度；

[0043] 4、本发明第一闭环结构中采用SOC控制器，可防止全钒液流电池的荷电状态SOC超过保护值，保证了充放电过程中电池的安全；

[0044] 5、本发明第三闭环结构中采用电流控制器，可防止全钒液流电池的充放电电流超过保护值，保证了充放电过程中电池的安全。

附图说明

[0045] 图1为现有技术中全钒液流电池等效电路模型图；

[0046] 图2为本发明全钒液流电池三闭环控制图。

具体实施方式

[0047] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行详细说明。

[0048] 本实施例中，一种基于三闭环结构的全钒液流电池充放电控制系统包括：SOC控制器、电压控制器、电流控制器、全钒液流电池、预估模块和直流变换器；

[0049] 将所设定的荷电状态SOCref与全钒液流电池的实际荷电状态SOC输入到SOC控制器中进行计算，从而获得堆栈电压的给定值Vs-ref；

[0050] SOC控制器的输出带限幅作用，SOC控制器的输出限幅值决定了全钒液流电池的堆栈电压给定值Vs-ref的最大值。

[0051] 将全钒液流电池的外部端电压Ud与实际充放电电流Id输入到预估模块中，从而获得堆栈电压的估计值

[0052] 将堆栈电压的给定值Vs-ref与堆栈电压的估计值 输入到电压控制器中进行计算，从而获得充放电电流的给定值Id-ref；

[0053] 电压控制器的输出带限幅作用，电压控制器的输出限幅值决定了全钒液流电池的充放电电流的给定值Id-ref的最大值。

[0054] 将充放电电流的给定值Id-ref与实际充放电电流Id输入到电流控制器中进行计算，从而获得控制电压Uc并输入到直流变换器中；

[0055] 电流控制器的输出带限幅作用，电流控制器的输出限幅值决定了直流变换器的最大输出电压。

[0056] 以直流变换器的输出电压作为全钒液流电池的外部端电压Ud，并对全钒液流电池进行充放电，从而获得全钒液流电池的实际充放电电流Id；

[0057] 通过全钒液流电池的实际充放电电流Id获得全钒液流电池的实际荷电状态SOC；

[0058] 将全钒液流电池的实际荷电状态SOC反馈至SOC控制器的输入端，从而形成第一闭环结构；

[0059] 将全钒液流电池的堆栈电压的估计值 反馈到电压控制器的输入端，从而形成第二闭环结构；

[0060] 将全钒液流电池的实际充放电电流Id反馈到电流控制器的输入端，从而形成第三闭环结构。

[0061] 在本例实施中，为了便于对系统进行分析和设计，以数学模型进行描述。

[0062] 将图1中的全钒液流电池的等效电路进行机理建模，可得到图2中的全钒液流电池的数学模型。

[0063] 具体实例中以5kW6h的全钒液流电池为例进行描述，全钒液流电池的参数及等效电路模型上的参数如下表所示。

[0064]

[0065] 本实施例中，一种基于三闭环结构的全钒液流电池的充放电控制策略是按如下步骤进行：

[0066] 步骤1：检测全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id；实际系统中可采用霍尔电压传感器和电流传感器进行检测。

[0067] 步骤2：根据全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id进行计算，获得全钒液流电池的实际荷电状态SOC；

[0068] 此处采用安时积分法计算全钒液流电池的实际荷电状态SOC，计算式如式(1)所示：

[0069]

[0070] 式(1)中，SOC0为全钒液流电池的初始荷电状态，充电开始前取值0.15；CN为全钒液流电池的额定容量，此处取值为630Ah；η为全钒液流电池的充放电效率，此处取值为0.9。

[0071] 步骤3：将所设定的荷电状态SOCref与全钒液流电池的实际荷电状态SOC进行比例积分计算，从而获得全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref；

[0072] 此处SOCref取0.9，SOCref与SOC相减，再进行比例积分计算，计算后的结果等于最大限幅值60，即此时全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref为60。

[0073] 步骤4：根据全钒液流电池的外部端电压Ud和实际充放电电流Id，利用式(2)获得全钒液流电池的堆栈电压的估计值

[0074]

[0075] 式(2)中，Ip表示全钒液流电池的泵损；Zeq表示全钒液流电池的等效阻抗，并有：

[0076]

[0077] 式(3)中，s表示复频率；Rres表示全钒液流电池的质子传递电阻、膜电阻、溶液电阻、电极电阻和双极板电阻的总和；Rrea表示全钒液流电池中由反应动力学引起的等效电阻；Rf表示全钒液流电池的寄生损耗；Ce表示全钒液流电池的电极电容；

[0078] 式(2)中，K(s)为全钒液流电池的堆栈电压与端电压的相关系数，并有：

[0079]

[0080] 步骤5：将全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref与堆栈电压的估计值 进行比例积分计算，从而获得全钒液流电池的充放电电流的给定值Id-ref；

[0081] 由步骤4得到全钒液流电池的堆栈电压的给定值Vs-ref为最大值60，则Vs-ref与 相减，经过比例积分计算后，电压控制器饱和，输出限幅值105，即此时全钒液流电池的充电电流给定值Id-ref为电压控制器的限幅值105。

[0082] 步骤6：将充放电电流的给定值Id-ref与充放电电流Id进行比例积分计算，从而获得直流变换器的控制电压Uc；

[0083] 步骤7：根据控制电压Uc，利用式(5)获得全钒液流电池的外部端电压Ud：

[0084]

[0085] 式(5)中，Ks表示直流变换器的放大系数；T表示直流变换器的开关频率；此处Ks取值为4，T取值为0.0001s。

[0086] 步骤8：利用全钒液流电池的外部端电压Ud对全钒液流电池进行充放电，从而获得全钒液流电池的实际充放电电流Id；

[0087] 此时，电流控制器起到跟踪作用，让实际充电电流Id跟踪给定值Id-ref，实现恒流充电。恒流充电时，端电压Ud与堆栈电压Vs同步增加；当Ud增加到限幅值时，进入恒压充电阶段，即保证Ud恒定。在恒压充电模式，随着充电进行，电池SOC逐渐增加，电池堆电压Vs也增大，但在这个过程中由于Ud保持不变，充电电流逐渐减小，故此时全钒液流电池的的SOC和Vs增加缓慢。当电池的SOC达到阈值时，停止充电。

[0088] 步骤9：重复循环步骤1-步骤8执行，直到全钒液流电池完成充放电。

[0089] 当所设定的荷电状态SOCref大于全钒液流电池的荷电状态SOC，则表示对全钒液流电池进行充电，反之，表示对全钒液流电池进行放电；

[0090] 当所设定的荷电状态SOCref等于全钒液流电池的荷电状态SOC，则表示完成全钒液流电池的充放电。