CN102290587B - 液流电池模拟方法及模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液流电池模拟方法及模拟器。模拟方法为依据直流电流和荷电状态得到模拟器直流电压参考值V_ref。以V_ref为给定值，直流电压为反馈量进行电压外环、电流内环的双闭环反馈控制，使得实际直流电压跟踪V_ref，从而动态模拟液流电池外特性。模拟器包括三相电压型PWM整流器、IGBT驱动电路、微处理器和电流电压测量电路，三相电压型PWM整流器的三个交流输入端分别连接可调电抗器后再一起连接三相交流接触器，三相交流接触器通过三相隔离变压器连接三相可调变压器的三个输出端，三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有三组切换电路。整个装置结构简单、使用方便、参数灵活可调，方便试验与调试。

Description

液流电池模拟方法及模拟器

技术领域

本发明涉及大容量储能电池领域以及电力电子技术领域，具体涉及一种液流电池模拟方法及模拟器，用以模拟真实的液流电池的外特性。

背景技术

液流电池是新型的大容量储能电池，其中使用比较广泛的是全钒氧化液流电池。全钒液流电池具有蓄电容量大、能够100％深度放电、寿命长等优点，已进入商业应用阶段。开展全钒氧化液流电池系统特性研究，可以掌握全钒液流电池系统的配置原则、运行模式、集成评价和应用条件等，为确保全钒液流电池高效、安全、可靠地应用于可再生能源接入和削峰填谷提供有力的技术支撑。

目前对液流电池的研究尚处于起步阶段，将液流电池的原型应用于电力系统实验的情况并不常见。这是因为液流电池的成本比较高、对其特性的研究还不够成熟，在实际的电力系统的研究和实验中如果采用真实的液流电池储能设备，会产生较高的实验、维护成本，并且受到安全、场地、环境等因素的影响。因此很有必要研发低成本、参数灵活可调、使用方便的液流电池模拟器，用以模拟真实的液流电池的工作特性，使之能够广泛应用于电力系统的实验与研究中。

目前市面上尚没有液流电池模拟器，而已经研发出来的光伏电池模拟器一般是以不控整流电路和DC/DC变换器为拓扑电路，能量无法双向流动，故无法模拟液流电池的外特性，只能用于光伏电池的模拟。同时，大多数传统电池的模拟器单纯的模拟电池电压和电池电流两者之间的关系，很少有考虑到荷电状态SOC对电池外特性的影响。根据已有的研究资料和文献可知，液流电池的外特性主要与其电池电压、电池电流和荷电状态(SOC)有关系，在不同的电池电流和荷电状态(SOC)下，电池电压不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种液流电池模拟方法液流电池模拟器，能实现对真实的液流电池的外特性的模拟。

一种液流电池模拟方法，具体为：

(1)设置模拟器的荷电状态SOC初始值和容量C；

(2)实时采集模拟器的直流电压V_o，直流电流I_o，交流电流I_A、I_B、I_C和交流电压V_A、V_B、V_C，并依据I_o和SOC计算直流电压参考值V_ref，对I_A、I_B、I_C作dq解耦变换得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，对V_A、V_B、V_C作dq解耦变换得到d轴电压e_d和q轴电压e_q；

(3)以V_ref为给定值，V_o为反馈量进行电压外环反馈控制，输出d轴电流指令值i_d ^*，q轴电流指令值i_q ^*设置为0；

(4)以i_d ^*和i_q ^*为给定值，i_d和i_q为反馈量进行电流内环反馈控制，输出电流内环d轴分量E_d和q轴分量E_q；

(5)E_d、E_q、i_d、i_q、e_d和e_q经过前馈解耦控制后得到d轴调制电压V_d和q轴调制电压V_q；

(6)采用V_d和V_q作为调制信号产生脉宽调制波PWM，以控制IGBT的开关状态使得V_o等于V_ref；

(7)依据I_o、V_o和C更新荷电状态SOC；

(8)重复(2)～(7)直到模拟结束。

本发明提供一种液流电池模拟器，包括三相电压型PWM整流器H1，三相电压型PWM整流器的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路3、微处理器2和电流电压测量电路1，微处理器2连接人机界面4；三相电压型PWM整流器的三个交流输入端分别一对一连接可调电抗器L1、L2、L3后再一起连接三相交流接触器KM，三相交流接触器KM通过三相隔离变压器TM1连接三相可调变压器TU1的三个输出端，三相电压型PWM整流器的三个交流输入端还分别一对一连接一个电容后再相接；三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有三组切换电路，切换电路由一电容和一连接片串接构成。

进一步地，所述电流电压测量电路1包括信号处理电路、三个分别连接在可调电抗器L1、L2、L3和三相交流接触器KM之间的交流电流传感器TA1、TA2、TA3，三个分别连接在三相隔离变压器TM1的三个输出端两两之间的交流电压传感器TV1、TV2、TV3，两个串接在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端的直流电流传感器TA4、TA5，一个连接在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间的直流电压传感器TV4。

进一步地，还在三相电压型PWM整流器的两个交流输入端之间接有交流电压表PV1，在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有直流电压表PV2，在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端串接有直流电流表PA1、分流器FL1和直流快速熔断器FU4。

进一步地，人机界面4包括输入模块、显示模块、开关模块和指示灯模块。

进一步地，信号处理电路包括直流电压处理单元、直流电流处理单元、交流处理采集单元、交流电流处理单元、频率测量单元、相序测量单元、开入开出单元、过流过压保护单元。

进一步地，该模拟器的模拟方法为电压外环、电流内环的双环控制方式。其实现考虑了电池电压、电池电流和荷电状态(SOC)三个因素及它们之间的动态关系。并且可以通过灵活调节模拟器参数来实现不同等级的液流电池的模拟。

本发明的技术效果体现在三个方面：一是目前尚没有液流电池模拟器装置，本发明在现有的模拟器的基础上进行创新，以三相电压型PWM整流器作为主拓扑，使得模拟器既可模拟液流电池充电过程也可模拟液流电池放电过程，克服了现有模拟器只能模拟放电过程的不足。二是该模拟器能模拟电池电压、电池电流、荷电状态(SOC)外特性并动态模拟三者之间的相互关系，克服了传统电池模拟器只考虑电池电流和电池电压两者关系的不足。三是本发明实用性好、使用范围广，模拟器的参数可以灵活调整和更换。例如通过调节三相可调变压器可以调节三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间的电压范围，使模拟器可以模拟的液流电池电压范围覆盖几十伏到几百伏；调节可调电抗器、改变切换电路可以保证模拟器在输出不同的电压等级时都能有良好的波形效果；通过改变SOC初始值可以模拟不同工作状态的液流电池。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明的信号处理电路的组成示意图；

图3为本发明的人机界面的组成示意图；

图4为本发明的模拟方法流程图；

图5为本发明的模拟方法控制框图；

图6为本发明实施例所模拟的工作特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但该实施方式不应理解为对本发明的限制。

本发明液流电池模拟方法，具体为：

(1)设置模拟器的荷电状态SOC初始值和容量C；

荷电状态SOC的初始值可以为0～1之间的某一个数值，设置以后模拟器将以设定的SOC为初始状态开始工作，并且在工作中根据实际工作情况以及容量C不断自动更新SOC。

(2)实时采集模拟器的直流电压V_o，直流电流I_o，交流电流I_A、I_B、I_C和交流电压V_A、V_B、V_C，并依据I_o和SOC计算直流电压参考值V_ref，对I_A、I_B、I_C作dq解耦变换得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，对V_A、V_B、V_C作dq解耦变换得到d轴电压e_d和q轴电压e_q；

依据I_o和SOC可以通过以下公式：

$V_{\mathrm{ref}}=\frac{(k_T+V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC})\×V_{\mathrm{Stack}}+(R_{\mathrm{reaction}}+R_{\mathrm{resistive}})\×V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC}\×I_o}{k_T+V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC}+\frac{(R_{\mathrm{reaction}}+R_{\mathrm{resistive}})\×V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC}}{R_{\mathrm{FixedLosses}}}}$

得到直流电压参考值V_ref。其中：V_stack是电堆电压，R_reaction代表电化学反应内部损耗的等效电阻，R_resistive代表电堆内部电流损耗的等效电阻，R_FixedLosses代表寄生损耗中的固定不变部分，k_T等于42.5％，V_low代表放电电压下限。公式中的参数的具体取值与实际的液流电池的工作情况有关，可通过测试得到。

(3)以V_ref为给定值，V_o为反馈量进行电压外环反馈控制，输出d轴电流指令值i_d ^*，q轴电流指令值i_q ^*设置为0；

电压外环的作用是控制模拟器直流侧电压随着V_ref的变化而变化。V_ref和V_o相减得到偏差电压ΔV＝V_ref-V_o，ΔV送入电压外环PI控制器，输出d轴电流指令值i_d ^*。其中，q轴电流指令值i_q ^*为电流的无功分量，为了充分利用模拟器的容量，这里可以设置为0，即模拟器工作在单位功率因数状态。

(4)以i_d ^*和i_q ^*为给定值，i_d和i_q为反馈量进行电流内环反馈控制，输出电流内环d轴分量E_d和q轴分量E_q；

电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因素正弦波电流控制。i_d ^*和i_d相减得到偏差电压Δi_d＝i_d ^*-i_d，Δi_d送入电流内环PI控制器，输出电流内环d轴分量E_d。i_q ^*和i_q相减得到偏差电压Δi_q＝i_q ^*-i_q，Δi_q送入电流内环PI控制器，输出电流内环q轴分量E_q。

(5)E_d、E_q、i_d、i_q、e_d和e_q经过前馈解耦控制后得到d轴调制电压V_d和q轴调制电压V_q；

前馈解耦控制可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制方程如下：

v_d＝-E_d+ωLi_q+e_d

v_q＝-E_q-ωLi_d+e_q

式中，ω为角频率，等于2πf，f为电网频率50Hz，L为可调电抗器L1、L2、L3的电抗值。

(6)采用V_d和V_q作为调制信号产生脉宽调制波PWM，以控制IGBT的开关状态使得V_o等于V_ref。

根据调制信号V_d和V_q可产生相应的PWM波，以驱动IGBT的开通与关断，其目的是控制模拟器直流侧电压V_o使其等于给定值V_ref，从而实现对液流电池外特性的模拟。

(7)依据I_o、V_o和容量C更新荷电状态SOC，并且不断重复(2)～(7)直到模拟结束。

荷电状态SOC的更新公式为：

${\mathrm{SOC}}^{\′}=\mathrm{SOC}+\frac{\mathrm{Io}\×\mathrm{Vo}\×\mathrm{\Δt}}{C}$

式中Δt为循环周期，并且限制SOC的范围为0～1。由于I_o或SOC不断变化，则相应的V_ref也会不断变化，在此模拟方式下，V_o也会随着V_ref的变化而变化，实现对液流电池外特性的动态模拟。

图1给出了本发明的电路示意图，液流电池模拟器包括三相电压型PWM整流器H1，三相电压型PWM整流器的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路3、微处理器2和电流电压测量电路1，微处理器2连接人机界面4；三相电压型PWM整流器的三个交流输入端分别一对一连接可调电抗器L1、L2、L3后再一起连接三相交流接触器KM，三相交流接触器KM通过三相隔离变压器TM1连接三相可调变压器TU1的三个输出端；三相电压型PWM整流器的三个交流输入端还分别一对一连接一个电容后再相接；三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有三组切换电路，切换电路由一电容和一连接片串接构成。

可在三相可调变压器TU1的三个输入端分别一对一连接交流快速熔断器FU1、FU2、FU3后再一起连接小型断路器QF1，小型断路器的三个输入端三相市电380V，这样有利于模拟器的通电与断电，同时快速熔断器也起到了在故障时保护模拟器的作用。

所述电流电压测量电路1包括信号处理电路、三个分别连接在可调电抗器L1、L2、L3和三相交流接触器KM之间的交流电流传感器TA1、TA2、TA3，三个分别连接在三相隔离变压器TM1的三个输出端两两之间的交流电压传感器TV1、TV2、TV3，两个串接在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端的直流电流传感器TA4、TA5，一个连接在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间的直流电压传感器TV4。

在三相电压型PWM整流器的两个交流输入端之间接有交流电压表PV1，在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有直流电压表PV2，在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端串接有直流电流表PA1、分流器FL1和直流快速熔断器FU4。

参见图2，为信号处理电路的组成示意图。直流电压处理单元将直流电压传感器TV4的输出信号进行转换、滤波后送入微处理器进行AD转换，直流电流处理单元将直流电流传感器TA4、TA5的输出信号进行转换、滤波后送入微处理器进行AD转换，交流电压处理单元将交流电压传感器TV1、TV2、TV3的输出信号进行转换、滤波后送入微处理器进行AD转换，交流电流处理单元将交流电流传感器TA1、TA2、TA3的输出信号进行转换、滤波后送入微处理器进行AD转换。频率测量单元用于测量三相电压型PWM整流器交流侧输出频率以便锁相，相序检测单元用于检测三相电压型PWM整流器交流侧输出电压的相序，开入开出单元用于检测和控制模拟器中的开关装置，过流过压保护单元用于防止模拟器出现过电流、过电压的故障情况。

参见图3，为人机界面组成示意图。输入模块用于设定参数，比如设定SOC初始值、串联级数、容量等。显示模块用于显示模拟器当前的状态量，比如当前SOC、串联级数等。开关模块用于控制模拟器中的开关装置，比如接触器等。指示灯模块用于指示模拟器当前的工作状态，比如上电、断电、报警等。

参见图4，为模拟方法流程图。模拟器开始工作前可设置模拟器的荷电状态SOC初始值和容量C。开始工作后模拟器实时采集模拟器的直流电压V_o，直流电流I_o，交流电流I_A、I_B、I_C和交流电压V_A、V_B、V_C，并依据Io和SOC计算直流电压参考值V_ref，对I_A、I_B、I_C作dq解耦变换得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，对V_A、V_B、V_C作dq解耦变换得到d轴电压e_d和q轴电压e_q。将上面得到的V_ref、V_o、i_d、i_q、e_d和e_q送入双环控制器，得到d轴调制电压V_d和q轴调制电压V_q。采用V_d和V_q作为调制信号产生脉宽调制波PWM，以控制IGBT的开关状态，使得V_o等于V_ref。由于PI控制为无静差控制，合理的选取控制参数，将会使得电池电压V_o最后等于V_ref，从而与液流电池的外特性相一致。最后，依据I_o、V_o和容量C更新荷电状态SOC，并且不断重复上述步骤。

参见图5，为模拟方法的控制框图。模拟器的模拟方法为双环控制。通过选取电压外环、电流内环的双环控制策略，可以达到P、N点之间的输出模拟液流电池外特性并动态模拟电池电压、电池电流和SOC三者关系的目的，提高其实用性。

参见图6，以串联级数为39的液流电池系统为例，其电池电流I_o，电池电压V_o和荷电状态(SOC)的关系曲面如图5。由图5可知，在荷电状态(SOC)为0.5、电池电流I_o为-70A～70A时，电池电压V_o的变化范围是48V～62V。根据三相电压型PWM整流器的工作原理可知，三相电压型PWM整流器交流侧输入线电压的有效值上限为30V，故可调节三相可调变压器TU1的变比，使得隔离变压器TM1的输出线电压为30V。

参见图1，本发明在使用的时候在A、B、C三个端口接入380V的三相市电，P端口模拟液流电池的正极，N端口模拟液流电池的负极。可调节三相可调变压器TU1的变比，使得交流电压表PV1的读数为30V。同时，可以调节可调电抗器L1、L2、L3使其电感值为0.2mH，通过投切连接片LP1、LP2、LP3，使得实际接入电路的电容为1000uF。通过这样调节电路参数可保证在48V～62V的电压等级内输出波形良好。

在液流电池模拟器启动前，可以通过人机界面的输入模块设定SOC初始值、串联级数、容量等电池参数。当液流电池模拟器启动工作后，直流电流传感器TA4、TA5检测电池电流的值I_o，直流电压传感器TV4检测电池电压的值V_o，交流电压传感器TV1、TV2、TV3检测交流侧的电压值V_A、V_B、V_C，交流电流传感器TA1、TA2、TA3检测交流侧的电流值I_A、I_B、I_C。此时，依据I_o以及SOC，微处理器将根据图6的曲面计算得到电池电压参考值V_ref。同时为了便于控制器的设计，对I_A、I_B、I_C作dq解耦变换得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，对V_A、V_B、V_C作dq解耦变换得到d轴电压e_d和q轴电压e_q。以V_ref为给定值，V_o为反馈量进行电压外环反馈控制，输出d轴电流指令值i_d ^*，q轴电流指令值i_q ^*则设置为0。以i_d ^*和i_q ^*为给定值，i_d和i_q为反馈量进行电流内环反馈控制，输出电流内环d轴分量E_d和q轴分量E_q。E_d、E_q、i_d、i_q、e_d和e_q经过前馈解耦控制后得到d轴调制电压V_d和q轴调制电压V_q。微处理器根据调制电压V_d和V_q产生相应的PWM波。PWM波被送入到驱动电路，经过光耦隔离后驱动电路产生脉冲信号直接驱动IGBT的开通与关断。由于PI控制器为无静差控制器，如果选取合理的控制参数，可以实现给定值和反馈量之间没有偏差，即控制V_o使其接近或者等于V_ref，从而使V_o跟踪V_ref。最后，微处理器将会根据SOC、设定的容量C、I_o以及V_o，来更新SOC，并将此SOC作为下一个周期的初始SOC，然后微处理器开始下一个循环周期。在模拟器工作过程中I_o和SOC动态发生变化，则相应的V_ref也会发生变化，V_o也会跟踪V_ref，从而实现动态模拟电池电压、电池电流、荷电状态(SOC)外特性及其相互关系的功能。在模拟器工作的过程中，可通过显示模块观察当前的SOC，通过直流电压表PV2观察模拟器直流电压，通过直流电流表PA1观察模拟器直流电流，通过指示灯了解模拟器的工作状态，方便调试和试验。

特别指出，三相电压型PWM整流器可以四象限运行，既可工作在整流状态还可工作在逆变的状态。根据三相电压型PWM整流器的工作原理，三相电压型PWM整流器可以自动的根据直流侧的外部状态来决定其运行象限，且不同状态时控制策略均一致。当模拟器模拟充电时，三相电压型PWM整流器工作于逆变状态；当模拟器模拟放电时，三相电压型PWM整流器工作于整流状态。当液流电池模拟器处于逆变的工作状态时，可通过交流电压传感器检测交流侧的并网电压值、逆变器输出频率等，只有符合并网条件后，微处理器才会向三相交流接触器KM发出合闸命令。

此外，所述液流电池模拟器还具有保护功能。当传感器检测到的电压、电流值过大，发生过压、过流故障时，将会采取相应的措施，例如停止向开关器件发生脉冲、接触器跳闸、熔断器熔断等，以保护模拟器不损坏。同时微处理器还具有故障录波的功能，方便分析故障。

上述实施方式是以单体串联级数为39的液流电池储能体为例，如果单体串联级数发生了变化，则只需简单的改变一下模拟器的参数便可继续试验。比如重新调整三相可调变压器TU1的变比、可调电抗器L1、L2、L3的值、投切切换电路以及改变一些控制参数，便可以保证有较好的波形效果。除此之外，在不同的串联级数的情况下，其余的工作原理和实现方式和上述一致。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种液流电池模拟方法，具体为：

（1）设置模拟器的荷电状态SOC初始值和容量C；

（2）实时采集模拟器的直流电压V_o，直流电流I_o，交流电流I_A、I_B、I_C和交流电压V_A、V_B、V_C，并依据I_o和SOC计算直流电压参考值V_ref，对I_A、I_B、I_C作dq解耦变换得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，对V_A、V_B、V_C作dq解耦变换得到d轴电压e_d和q轴电压e_q；

其中，直流电压参考值V_ref的计算公式为 $V_{\mathrm{ref}}=\frac{(k_T+V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC})\×V_{\mathrm{Stack}}+(R_{\mathrm{reaction}}+R_{\mathrm{resistive}})\×V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC}\×I_o}{k_T+V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC}+\frac{(R_{\mathrm{reaction}}+R_{\mathrm{resistive}})\×V_{\mathrm{low}}\×\mathrm{SOC}}{R_{\mathrm{FixedLosses}}}},$ V_Stack是电堆电压，R_reaction代表电化学反应内部损耗的等效电阻，R_resistive代表电堆内部电流损耗的等效电阻，R_FixedLosses代表寄生损耗中的固定不变部分，k_T等于42.5%，V_low代表放电电压下限；

（3）以V_ref为给定值，V_o为反馈量进行电压外环反馈控制，输出d轴电流指令值i_d ^*，q轴电流指令值i_q ^*设置为0；

（4）以i_d ^*和i_q ^*为给定值，i_d和i_q为反馈量进行电流内环反馈控制，输出电流内环d轴分量E_d和q轴分量E_q；

（5）E_d、E_q、i_d、i_q、e_d和e_q经过前馈解耦控制后得到d轴调制电压V_d和q轴调制电压V_q；

（6）采用V_d和V_q作为调制信号产生脉宽调制波PWM，以控制IGBT的开关状态使得V_o等于V_ref；

（7）依据I_o、V_o和C更新荷电状态

△t为循环周期；

（8）重复（2）～（7）直到模拟结束。

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