CN103762693A - 一种用于钒电池充放电的电路结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于储能系统控制领域的一种用于钒电池的充放电电路结构及其控制方法。钒电池电堆充放电主电路由电网、充电机与钒电池主电堆串联连接，其中充电机由交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC、三相全桥DC/AC和电网串联连构成，电解液循环控制电路由控制器与钒电池正负极端部的泵连接，控制泵驱动电解液循环，通过充电机的上位控制软件下发充放电指令，充电机各组成电路工作在相应工况下，并通过电压、电流闭环控制实现钒电池电堆的充放电功能；本发明不仅实现钒电池与电网电气隔离的要求，还提升了系统工作效率，实现了各种充放电状态下平滑切换，保证钒电池使用安全。
Description
技术领域
本发明属于储能系统控制领域，特别涉及一种用于钒电池的充放电电路结构及其控制方法。
背景技术
液流电池又称为氧化还原液流电池，其正负极活性物质电解液是独立存放的，充放电的时候，电解液通过泵流入电池内部进行电化学反应。钒液流电池简称钒电池，具备功率和容量可独立设计、响应快、寿命长、维护成本低等优点，使其在风电、光伏发电、电网调峰等领域有着极其广阔的应用前景。由于钒电池储能系统不仅需要控制电池电堆充放电，还需要为控制器供电，系统供电回路多。并且，钒电池的低压直流系统需要与高压交流电网电气隔离。同时，由于钒电池通常用于电功率平抑，为满足电网需求，电池充放电工况复杂，切换频繁，储能系统控制难度高。
针对上述问题，现有以下电路结构和控制方法实现钒电池的充放电。
目前大部分钒电池储能系统的电堆与控制器从同一端口并联接入充电机，电池启动过程中，充电机首先采用恒压充电方式为控制器供电，钒电池自检完成后自动闭合主闸，然后电池电堆并入充电机端口，通过充电机控制实现充放电。但这种供电方式使得控制器供电易受电堆影响，当电堆充放电回路出现故障时，控制电路也可能失电，造成电堆不受控现象出现。同时，由于电池电堆初始电压通常与控制器恒压供电值不相等，在主闸闭合时会对电池产生较大的冲击电流。
目前通过工频变压器并网的钒电池系统，可以实现钒电池低压直流系统与电网交流系统电气隔离，保证交流侧故障不会通过电气连接线直接传导至电池，保障钒电池的使用安全。但工频变压器单位功率的体积和重量都较大，损耗也较大，不易于提高钒电池系统的充放电效率。
因此，期望通过改进钒电池系统的电路结构及其控制方法，不仅实现钒电池电堆的充放电回路与控制电回路独立受控，提高并网充放电过程中的系统效率，而且实现钒电池不同模式下稳定运行、不同工作状态间平滑切换，满足电网侧功率需求。
发明内容
本发明的目的提出一种用于钒电池充放电的电路结构及其控制方法，其特征在于，钒电池电堆充放电主电路由电网、充电机与钒电池主电堆串联连接，主电路功率可达兆瓦级，主要实现钒电池对外的充放电功能；电解液循环控制电路由控制器与钒电池正负极端部的泵连接，控制泵驱动电解液循环，控制器由48V稳压电源供电，电解液循环电路的辅助电功率为600W，主要实现电池内部自检和电解液循环功能；其中充电机由交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC、三相全桥DC/AC和电网串联连构成；其中，交错并联BuckBoost电路包含电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4；高频隔离全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4；三相全桥DC/AC电路包含自带反并二极管的开关管Sc1至Sc6。
所述交错并联BuckBoost电路组成为C1的一端与L1和L2的公共节点和钒电池正极连接；L1连接S4开关管的源极和S2开关管的漏极，L2连接S3开关管的源极和S1开关管的漏极，C2的一端连接S4开关管的漏极和S3开关管的漏极，C2的另一端与C1的另一端、S1开关管的源极、S2开关管的源极、Sa2开关管的源极和Sa4开关管的源极连接一起，Sa1开关管的源极和Sa2开关管的漏极连接，并和T1初级一端连接；Sa3开关管的源极和Sa4开关管的漏极连接，并和T1初级的另一端连接；Sa1开关管的漏极和Sa2开关管的漏极与C2的一端连接；
所述S1开关管、S2开关管、S3开关管至S4开关管分别与D1二极管、D2二极管、D3二极管和D4二极管反并连；
所述三相全桥DC/AC电路为C3的一端连接Sc1开关管、Sc2开关管和Sc3开关管的漏极，C3的另一端连接Sc4开关管、Sc5开关管和Sc6开关管的源极，Sc1开关管、Sc2开关管和Sc3开关管的源极分别和Sc4开关管、Sc5开关管和Sc6开关管的漏极连接，该三个节点分别连接LC滤波器，组成三相全桥DC/AC电路，其中，C3的两端分别连接Sb4开关管的源极和Sb3开关管的的漏极；三相LC滤波器通过开关连接交流电源的A、B、C相线上。
一种钒电池充放电的控制方法，其特征在于，钒电池主电堆的充放电控制，通过充电机的预置控制软件下发充放电指令，充电机各组成电路工作在相应工况下，并通过电压、电流闭环控制实现钒电池电堆的充放电功能；电解液循环电路的控制由预置在钒电池内控制器驱动电机及泵体，带动电解物质不断循环流动，完成氧化和还原反应，反应完成后电解液又被送回储液罐，如此完成电解液循环控制；从而实现钒电池的恒流限压充电、恒压限流充电、恒功率充电、恒流限压放电、恒功率放电；其中恒流限压充放电常用于电池按某电流值充放电的情况，恒压限流充电常用于电池接近满充状态时的浮充情况，恒功率充放电常用于平抑功率波动、补偿电网功率等情况。通过充放电系统的预置控制软件的切换指令实现钒电池在上述各充放电状态间的平滑切换，充放电回路的控制还包括对钒电池主电堆电压的过压、欠压保护，和其充放电电流的过流保护，以及钒电池在各种充放电工作状态下，电压纹波和电流纹波的优化控制，和钒电池的控制器、泵的供电电源的控制；
本发明的有益效果是通过采用相互独立的电路结构为钒电池电堆和控制器提供电源，解决了两者共用同一充放电系统接口造成相互影响，以及电堆主闸闭合时产生冲击电流的问题。同时，充放电系统采用高频隔离变压器结构，不仅实现钒电池与电网电气隔离的要求，还提升了系统工作效率，减小了系统功率体积和重量。本发明提供的控制方法，实现了各种充放电状态下平滑切换，保护了钒电池的使用安全，优化了钒电池充放电时的电压、电流纹波。
附图说明
图1钒电池储能系统结构框图。
图2钒电池充放电系统的电路拓扑结构图。
具体实施方式
本发明提出一种用于钒电池充放电的电路结构及其控制方法，下面根据附图对本发明的具体实施方式、控制方法及工作原理予以说明。
如图1所示为本发明提出的钒电池储能系统结构框图，其中，所述钒电池为在钒电池电堆正负极分别连接充放电系统，电堆由正负电极、离子交换膜组成；电堆由正负两端分别连接正负极电解液储液罐和泵；控制器分别连接两个泵，稳压电源为钒电池控制器提供稳定电源。泵从储液罐中将电解液送入电堆内，在外部充放电系统的控制下完成氧化和还原反应，反应完成后电解液又被送回储液罐，如此活性物质不断循环流动，完成充放电；钒电池电堆充放电主电路由电网、充放电系统和钒电池串联连接，控制器与钒电池电堆储能系统的正负极泵连接，控制器与48V稳压电源连接构成；其中充放电系统由交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC、三相全桥DC/AC和电网串联连构成；
如图2所示为本发明提出的钒电池充电机的电路拓扑结构图，钒电池与交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC电路、三相全桥DC/AC电路接；其中，交错并联BuckBoost电路包含电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4；高频隔离全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4；三相全桥DC/AC电路包含自带反并二极管的开关管Sc1至Sc6；
所述交错并联BuckBoost电路组成为C1的一端与L1和L2的公共节点和钒电池正极连接；L1连接S4开关管的源极和S2开关管的漏极，L2连接S3开关管的源极和S1开关管的漏极，C2的一端连接S4开关管的漏极和S3开关管的漏极，C2的另一端与C1的另一端、S1开关管的源极、S2开关管的源极、Sa2开关管的源极和Sa4开关管的源极连接一起，Sa1开关管的源极和Sa2开关管的漏极连接，并和T1初级一端连接；Sa3开关管的源极和Sa4开关管的漏极连接，并和T1初级的另一端连接；Sa1开关管的漏极和Sa2开关管的漏极与C2的一端连接；
所述S1开关管、S2开关管、S3开关管至S4开关管分别与D1二极管、D2二极管、D3二极管和D4二极管反并连；
所述三相全桥DC/AC电路为C3的一端连接Sc1开关管、Sc2开关管和Sc3开关管的漏极，C3的另一端连接Sc4开关管、Sc5开关管和Sc6开关管的源极，Sc1开关管、Sc2开关管和Sc3开关管的源极分别和Sc4开关管、Sc5开关管和Sc6开关管的漏极连接，该三个节点分别连接LC滤波器，组成三相全桥DC/AC电路，其中，C3的两端分别连接Sb4开关管的源极和Sb3开关管的的漏极；三相LC滤波器通过开关连接交流电源的A、B、C相线上。
具体实施方式如下：针对大功率低电压直流系统，交错并联BuckBoost电路不仅降低了对每路开关管额定电流值的要求，同时增加了控制自由度，为实现稳态及动态优化控制提供拓扑基础。为了保证交流高压侧故障不通过电气连接线直接传导至低压直流钒电池侧，钒电池系统需要隔离并网，该功能通过高频隔离全桥DC/DC电路实现；同时，高频变压器由于采用非晶材料，且工作频率远高于工频变压器，从而可减小系统单位功率的体积和重量，提高系统工作效率。三相全桥DC/AC电路是常用的交直流变换电路，与上述的高频全桥DC/DC以及交错并联BuckBoost串联运行，使得钒电池侧的低电压大电流直流系统与三相电网侧的交流系统合理连接，不仅保证了钒电池与电网间的能量转换效率，同时为充电机控制钒电池充放电提供了可靠的电路拓扑结构。
利用图2所示的电路结构的一种钒电池充放电的控制方法，具体实现方式如下：
恒流限压放电模式的控制：交错并联BuckBoost电路的S1、S2开关管控制电容C2电压为150V；高频隔离DC/DC低压侧全桥四个开关管Sa1至Sa4控制钒电池放电电流为恒流放电给定电流值；当端口电压与电池放电保护电压值误差在0.2V之内时，电压闭环控制起作用，保证钒电池端口电压在限定电压值之内。DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压为750V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足当前设定的功率因数要求，默认设置功率因数为1，即电压、电流同相位，仅向电网送入有功功率。
恒功率放电模式的控制：交错并联BuckBoost电路的S1、S2开关管控制电容C2电压为150V；高频隔离DC/DC低压侧全桥四个开关管Sa1至Sa4控制放电电流为给定值，该电流由恒功率放电的给定功率值除以当前电池端电压得到；DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压为750V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足当前设定的功率因数要求，默认设置功率因数为1。
恒压限流充电模式的控制：DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压为800V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足设定功率因数的要求，默认功率因数为1；高频隔离DC/DC高压侧全桥四个开关管Sb1至Sb4首先控制充电电流以阶梯波形式逐渐增大，当电池电压与给定恒压值误差在0.2V之内时，电压闭环控制起作用，保证钒电池端口电压在限定电压值之内；BuckBoost开关管S3、S4按50%占空比控制，使得充电电流纹波最小。
恒流限压充电模式的控制：DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压为800V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足设定功率因数的要求，默认功率因数为1；高频隔离DC/DC高压侧全桥四个开关管Sb1至Sb4控制充电电流为恒流充电电流值；当端口电压与电池充电保护电压值误差在0.2V之内时，电压闭环控制起作用，保证钒电池端口电压在限定电压值之内。BuckBoost开关管S3、S4按50%占空比控制，使得充电电流纹波最小。
恒功率充电模式的控制：DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压为800V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足设定功率因数的要求，默认功率因数为1；高频隔离DC/DC高压侧全桥四个开关管Sb1至Sb4控制充电电流为给定值该电流给定值由当前设定的恒功率值除以当前电池端电压得到；BuckBoost开关管S3、S4按50%占空比控制，使得充电电流纹波最小。
充电模式或放电模式内部各状态切换的控制：保持DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压的电压值不变；保持交错并联BuckBoost电路的控制方式不变；隔离型DC/DC全桥四个开关管Sa1至Sa4或Sb1至Sb4四个开关管的占空比由当前保留值按斜坡函数变化形式逐渐变化至比较计算后得出的新值，平滑切换过程。
充电模式切换为放电模式的控制：首先迅速减小BuckBoost开关管S3、S4的占空比至0，同时逐渐减小高频隔离DC/DC开关管Sb1至Sb4；然后调节DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压由800V变为750V；然后打开BuckBoost电路的S1、S2开关管控制电容C2两端电压为150V，同时高频隔离DC/DC开关管Sa1至Sa4控制放电电流或功率为给定值；上述控制期间，高频隔离DC/DC的开关管占空比按斜坡函数形式变化，使得切换过程相对平滑。
放电模式切换为充电模式的控制：首先迅速减小BuckBoost开关管S1、S2的占空比至0，同时逐渐减小高频隔离DC/DC开关管Sa1至Sa4；然后调节DC/AC全桥六个开关管Sc1至Sc6控制电容C3电压由7500V变为800V；然后打开BuckBoost电路的S3、S4开关管,占空比设定为50%，同时高频隔离DC/DC开关管Sb1至Sb4控制充电电流或功率为给定值；上述控制期间，高频隔离DC/DC的开关管占空比按斜坡函数形式变化，使得状态切换过程中的功率变化相对平滑。
钒电池的过压、欠压保护和过流保护的控制：系统预先设定出电压、电流硬件保护值和软件保护值。当传感器检测到电压、电流超过软件保护值后，向系统发送故障状态代码，系统通过软件指令封锁所有开光管的驱动脉冲；当传感器检测到电压、电流超过硬件保护值后，直接通过硬件电路快速封锁所有开关管的驱动脉冲。
综合上各具体实施方法可知，双路供电模式保证了钒电池控制器独立可靠运行，消除了主闸闭合时的冲击电流；采用高频变压器实现钒电池与电网的电气隔离，减小了系统的单位功率体积和重量，提高了系统效率；通过控制实现钒电池各种充放电状态的平滑切换，并及时响应电网对有功功率和无功功率的需求；同时，保护了钒电池的使用安全，优化了钒电池的充放电电压、电流纹波。
以上对本发明的具体描述旨在说明具体实施方案的实现方式，不能理解为是对本发明的限制。本领域普通技术人员在本发明的教导下，可以在详述的实施方案的基础上做出各种变体，这些变体均应包含在本发明的构思之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限制。
由于钒电池常用于平抑功率波动，响应电网功率需求的场合，所以其长期工作在恒功率或恒流充放电状态下，并可能在各状态间频繁切换。考虑到钒电池对电堆电压值的要求十分严格，若仅通过过欠压保护，当电池过欠压时的充放电电流仍较大，保护响应时间不及时会对电池造成较大危害。所以在控制方案中加入恒流限压充放电状态，当电池电压接近电压限定值后，控制器优先满足电池电压要求。综上所述，充电回路的控制包含恒流限压充电、恒压限流充电、恒功率充电；放电回路的控制包含恒流限压放电、恒功率放电。同时，控制方法还包括上述各充放电状态间的平滑切换，以及电压的过压、欠压保护和过流保护。
Claims (5)
1.一种用于钒电池充放电的电路结构，其特征在于，钒电池电堆充放电主电路由电网、充电机与钒电池主电堆串联连接，主电路功率可达兆瓦级，主要实现钒电池对外的充放电功能；电解液循环控制电路由控制器与钒电池正负极端部的泵连接，控制泵驱动电解液循环，控制器由48V稳压电源供电，电解液循环电路的辅助电功率为600W，主要实现电池内部自检和电解液循环功能；其中充电机由交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC、三相全桥DC/AC和电网串联连构成；其中，交错并联BuckBoost电路包含电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4；高频隔离全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4；三相全桥DC/AC电路包含自带反并二极管的开关管Sc1至Sc6。
2.根据权利要求1所述一种用于钒电池充放电的电路结构，其特征在于，所述交错并联BuckBoost电路组成为C1的一端与L1和L2的公共节点和钒电池正极连接；L1连接S4开关管的源极和S2开关管的漏极，L2连接S3开关管的源极和S1开关管的漏极，C2的一端连接S4开关管的漏极和S3开关管的漏极，C2的另一端与C1的另一端、S1开关管的源极、S2开关管的源极、Sa2开关管的源极和Sa4开关管的源极连接一起，Sa1开关管的源极和Sa2开关管的漏极连接，并和T1初级一端连接；Sa3开关管的源极和Sa4开关管的漏极连接，并和T1初级的另一端连接；Sa1开关管的漏极和Sa2开关管的漏极与C2的一端连接。
3.根据权利要求1所述一种用于钒电池充放电的电路结构，其特征在于，所述S1开关管、S2开关管、S3开关管至S4开关管分别与D1二极管、D2二极管、D3二极管和D4二极管反并连。
4.根据权利要求1所述一种用于钒电池充放电的电路结构，其特征在于，所述三相全桥DC/AC电路为C3的一端连接Sc1开关管、Sc2开关管和Sc3开关管的漏极，C3的另一端连接Sc4开关管、Sc5开关管和Sc6开关管的源极，Sc1开关管、Sc2开关管和Sc3开关管的源极分别和Sc4开关管、Sc5开关管和Sc6开关管的漏极连接，该三个节点分别连接LC滤波器，组成三相全桥DC/AC电路，其中，C3的两端分别连接Sb4开关管的源极和Sb3开关管的的漏极；三相LC滤波器通过开关连接交流电源的A、B、C相线上。
5.一种钒电池充放电的控制方法，其特征在于，钒电池主电堆的充放电控制，通过充电机的预置控制软件下发充放电指令，充电机各组成电路工作在相应工况下，并通过电压、电流闭环控制实现钒电池电堆的充放电功能；电解液循环电路的控制由预置在钒电池内控制器驱动电机及泵体，带动电解物质不断循环流动，完成氧化和还原反应，反应完成后电解液又被送回储液罐，如此完成电解液循环控制；从而实现钒电池的恒流限压充电、恒压限流充电、恒功率充电、恒流限压放电、恒功率放电；其中恒流限压充放电常用于电池按某电流值充放电的情况，恒压限流充电常用于电池接近满充状态时的浮充情况，恒功率充放电常用于平抑功率波动、补偿电网功率等情况，通过充放电系统的预置控制软件的切换指令实现钒电池在上述各充放电状态间的平滑切换，充放电回路的控制还包括对钒电池主电堆电压的过压、欠压保护，和其充放电电流的过流保护，以及钒电池在各种充放电工作状态下，电压纹波和电流纹波的优化控制，和钒电池的控制器、泵的供电电源的控制。
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