CN104934997A - 一种基于钒电池的备用电源装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钒电池的备用电源装置及控制方法，通过钒电池与铅酸电池相互配合，实现了对负载电机的供电和备用电源装置的停机。在具体配置中，当备用电源装置为负载电机供电时，钒电池工作在电流源模式，以采集的母线电流和DC-DC1模块输出电流作为控制对象，使钒电池输出恒定电流，铅酸电池工作在电压源模式，以母线电压作为控制对象，稳定母线电压，再经过逆变过程输出交流电给负载电机，具有操作简单的特点，符合储能系统发展的需要。

Description

一种基于钒电池的备用电源装置及控制方法

技术领域

本发明属于储能系统控制领域，更为具体地讲，涉及一种基于钒电池的备用电源装置及控制方法。

背景技术

随着煤、石油等非再生资源的不断消耗，人们开始利用风能、太阳能等可再生清洁能源进行发电。但风能、太阳能作为一种非持续供电资源，因此需要一种性能优良的储能电池与之配套，在电量富余时用电池将电能储存起来，待电力缺乏时用电池并网发电，以满足没有风或阳光时可能带来的缺电情况。因此迫切需要解决的一个关键技术就是高效率、长寿命、低成本的储能问题。

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池。它由两个电解液槽和一层层的电池单元组成，两个电解液槽分别存放正负极电解液，电解液中分别存在着不同化合价的钒离子。使用泵将不同电解液槽的正负极电解液混合在一起，钒电池就通过电化学反应进行工作。钒电池由于具有性能可靠、使用寿命长、电化学反应迅速、能量转换效率高等优点，受到了广泛的关注。

目前大部分钒电池储能供电系统是在钒电池基础上接入一个充电机进行充放电工作。若电网没电时，就需要寻找另外一电源来驱动钒电池泵，从而保证该装置的正常工作。并且在使用过程中如果没有很好做到对钒电池的控制，可能会导致钒电池电流突变等情况，影响其使用寿命。

因此，期望通过改变钒电池储能供电系统的结构，并提出了新的控制方法来弥补现有装置的不足。新型的钒电池备用电源装置不仅可以更为方便的使用，而且可以保证其运行更加平稳，提高了系统使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于钒电池的备用电源装置及控制方法，使城域网与接入网得到有效融合，同时具有可扩展、高灵活以及低成本的性能。

为实现上述发明目的，本发明一种基于钒电池的备用电源装置，其特征在于，包括主回路和控制模块；

所述的主回路包括钒电池模块、铅酸电池模块、DC-DC1模块、DC-DC2模块、DC-AC模块和接触器；

DC-DC1模块的输入侧通过接触器与钒电池模块相连，输出侧接入直流母线；DC-DC2模块的输入侧通过接触器与铅酸电池模块相连，输出侧接入直流母线；DC-AC模块的输入侧与直流母线相连，输出侧通过变压器接入负载电机；

所述的控制模块包括DC-DC1控制模块、DC-DC2控制模块和DC-AC控制模块；

DC-DC1控制模块采用电流环控制模式：采集DC-AC模块的输入电流，经过低通滤波器滤波后，以直流分量作为DC-DC1控制模块的给定电流值，以DC-DC1模块的输出电流作为反馈，两者作差后进行PI控制，输出PWM驱动信号给DC-DC1模块；

DC-DC2控制模块采用电压环控制模式：将给定电压和直流母线电压作差，其差值进行PI控制，输出PWM驱动信号给DC-DC2模块；

DC-AC控制模块采用交流输出电压的压频比控制模式：取交流输出线电压和给定电压两者的小值，并结合电网电压的角频率进行dq/αβ变换，再通过SVPWM控制，输出PWM驱动信号给DC-AC模块。

进一步的，本发明还提供一种启动备用电源装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1、闭合铅酸电池模块与DC-DC2模块间连接的接触器，启动DC-DC2控制模块，从而稳定直流母线电压；

1.2、闭合DC-AC模块输出端的接触器，启动DC-AC控制模块，控制交流输出线电压u，使交流输出线电压u稳定到380V、频率50Hz；

其中，交流输出线电压u满足：

u＝a·f²

$f=\left\{\begin{array}{c}\frac{50}{T}\×t;t\≤T\\ 50;t>T\end{array}\right.$

其中，f为交流输出线电压频率，单位为Hz，a为常数，T为软启动时间，t为运行时间；

1.3、完成步骤1.2后，闭合钒电池模块与DC-DC1模块间相连的接触器，启动DC-DC1控制模块，控制备用电源装置运行在电流环输出模式。

更进一步的，本发明还提供一种关闭备用电源装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.1、将DC-AC模块置于停机模式，启动DC-AC控制模块，控制交流输出线电压u，使交流输出线电压和频率逐渐减小为0；

其中，交流输出线电压u满足：

u＝a·f²

$f=\left\{\begin{array}{c}50-\frac{50}{T}\×t;t\≤T\\ 0\end{array}\right.$

其中，f为交流输出线电压频率，单位为Hz，a为常数，T为软停机时间，t为运行时间；

2.2、在完成步骤2.1后，断开DC-AC模块输出端的接触器，当DC-AC模块的输出电流和DC-DC1模块的给定电流逐步变为0时，关闭DC-DC1控制模块输出的PWM驱动信号，断开钒电池与DC-DC1模块间连接的接触器；

2.3、关闭DC-DC2控制模块输出的PWM驱动信号，断开铅酸电池与DC-DC2接口模块间连接的接触器。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于钒电池的备用电源装置及控制方法，通过钒电池与铅酸电池相互配合，实现了对负载电机的供电和备用电源装置的停机。在具体配置中，当备用电源装置为负载电机供电时，钒电池工作在电流源模式，以采集的母线电流和DC-DC1模块输出电流作为控制对象，使钒电池输出恒定电流，铅酸电池工作在电压源模式，以母线电压作为控制对象，稳定母线电压，再经过逆变过程输出交流电给负载电机，具有操作简单的特点，符合储能系统发展的需要。

同时，本发明基于钒电池的备用电源装置及控制方法还具有以下有益效果：

(1)、通过对DC-DC1模块使用三路交错并联双向半桥结构，减小了直流电流纹波的干扰，同时也顾及到钒电池输出电压波动范围大的特点，便于控制；

(2)、通过压频比的控制方式实现了对逆变过程的软启动，使系统运行平稳、无冲击；

(3)、采用电流比较来控制钒电池输出电流，保证了钒电池输出电流平稳不突变，可以延长钒电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明基于钒电池的备用电源装置的原理框图；

图2是图1所示DC-DC1模块采用的三路交错并联双向半桥拓扑结构图；

图3是图1所示DC-DC2模块采用的单路双向半桥拓扑结构；

图4是图1所示DC-AC模块采用的三相半桥拓扑结构；

图5是启动备用电源装置的方法流程图；

图6是关闭备用电源装置的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于钒电池的备用电源装置的原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于钒电池的备用电源装置，包括主回路和控制模块两部分；

其中，主回路包括钒电池模块1、铅酸电池模块2、DC-DC1模块3、DC-DC2模块4、DC-AC模块5和接触器601～603；

DC-DC1模块3采用三路交错并联双向半桥拓扑结构，其输入侧通过接触器601与钒电池模块1相连，输出侧接入直流母线；

DC-DC2模块4采用单路双向半桥拓扑结构，其输入侧通过接触器602与铅酸电池模块2相连，输出侧接入直流母线；

DC-AC模块5采用三相半桥拓扑结构，其输入侧与直流母线相连，输出侧通过接触器603与变压器相连，再接入到负载电机；

控制模块包括DC-DC1控制模块7、DC-DC2控制模块8和DC-AC控制模块9；

DC-DC1控制模块7采用电流环控制模式：首先采集DC-AC模块的输入电流，再经过低通滤波器滤波后，将直流分量作为DC-DC1控制模块7的给定电流值，以DC-DC1模块3的输出电流作为反馈，两者作差后进行PI控制，输出PWM驱动信号给DC-DC1控制模块7；

DC-DC2控制模块8采用电压环控制模式：将给定电压和直流母线电压作差，其差值进行PI控制，输出PWM驱动信号给DC-DC2控制模块8；

DC-AC控制模块9采用交流输出电压的压频比控制模式：取交流输出线电压和给定电压两者的小值，并结合电网电压的角频率进行dq/αβ变换，再通过SVPWM控制，输出PWM驱动信号给DC-AC模块9。

综上所述，采用钒电池控制电流与铅酸电池控制电压的相互配合控制方式，保证了钒电池备用电源装置可靠运行；采用电流比较控制钒电池输出电流，保证了钒电池输出电流平稳不突变，可以延长钒电池的使用寿命；

如图2所示，DC-DC1模块3采用三路交错并联双向半桥拓扑结构，当系统为负载电机供电时，DC-DC1模块3工作在升压状态，三个占空比相同的PWM驱动信号分别控制三个开关管Va’、Vb’和Vc’的通断，且作用时间分别延迟1/3周期，这使得三个开关管Va’、Vb’和Vc’导通时间起点相差1/3周期；当开关管Va’、Vb’和Vc’导通时电感La、Lb和Lc进行储能，当开关管Va’、Vb’和Vc’阻断时电感La、Lb和Lc释放能量，并经过续流二极管D1、D2和D3实现升压；在升压过程中，开关管Va、Vb、Vc都始终处于阻断状态，不进行工作。

如图3所示，DC-DC2模块4采用单路双向半桥拓扑结构，当系统为负载电机供电时，DC-DC2模块4工作在升压状态，PWM驱动信号控制开关管Vd’的通断，当开关管Vd’导通时电感Ld储能，当开关管Vd’阻断时电感Ld释放能量并经过续流二极管D4实现升压；在升压过程中，开关管Vd始终处于阻断状态，不进行工作。

如图4所示，DC-AC模块5采用三相半桥拓扑结构，当系统为负载电机供电时，DC-AC模块5处于逆变运行状态，通过SVPWM方式控制开关管Ve、Ve’、Vf、Vf’、Vg和Vg’的通断。

如图5所示，启动备用电源装置的方法，包括以下步骤：

S5.1、稳定直流母线电压

闭合铅酸电池模块与DC-DC2模块间连接的接触器，启动DC-DC2控制模块，通过铅酸电池控制启动备用电源装置运行的直流母线电压,使直流母线电压稳定在120V；

S5.2、控制交流输出电压

闭合DC-AC模块输出端的接触器，启动DC-AC控制模块，控制交流输出线电压u，使交流输出线电压u稳定到380V、频率50Hz；

其中，交流输出线电压u满足一下条件：

u＝a·f²

$f=\left\{\begin{array}{c}\frac{50}{T}\×t;t\≤T\\ 50;t>T\end{array}\right.$

其中，f为交流侧线电压频率，单位为Hz，a为常数，在本实施例中取值为0.152，T为软启动时间，t为运行时间；

S5.3、控制备用电源装置运行在电流环输出模式

完成步骤S5.2后，闭合钒电池模块与DC-DC1模块间相连的接触器，启动DC-DC1控制模块，控制备用电源装置运行在电流环输出模式。

如图6所示，关闭备用电源装置的方法，包括以下步骤：

S6.1、控制交流输出电压

将DC-AC模块置于停机模式，启动DC-AC控制模块，控制交流输出线电压u，使交流输出线电压u和频率逐渐减小为0；

其中，交流输出线电压u满足一下条件：

u＝a·f²

$f=\left\{\begin{array}{c}50-\frac{50}{T}\×t;t\≤T\\ 0\end{array}\right.$

其中，f为交流侧线电压频率，单位为Hz，a为常数，在本实施例中取值为0.152，T为软停机时间，t为运行时间。

S6.2、控制DC-AC模块的输出电流和DC-DC1模块的给定电流逐步变为0

在完成步骤S6.1后，断开DC-AC模块输出端的接触器，当DC-AC模块的输出电流和DC-DC1模块的给定电流逐步变为0时，关闭DC-DC1控制模块输出的PWM驱动信号，断开钒电池与DC-DC1模块间连接的接触器；

S6.3、关闭DC-DC2控制模块输出的PWM驱动信号，断开铅酸电池与DC-DC2接口模块间连接的接触器。

通过图5、图6所述的实施例可知，DC-AC模块采用压频比的软启动和软停机方式保证了系统运行平稳无冲击。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于钒电池的备用电源装置，其特征在于，包括主回路和控制模块；

所述的主回路主回路包括钒电池模块、铅酸电池模块、DC-DC1模块、DC-DC2模块、DC-AC模块和接触器；

DC-DC1模块的输入侧通过接触器与钒电池模块相连，输出侧接入直流母线；DC-DC2模块的输入侧通过接触器与铅酸电池模块相连，输出侧接入直流母线；DC-AC模块的输入侧与直流母线相连，输出侧通过变压器接入负载电机；

所述的控制模块包括DC-DC1控制模块、DC-DC2控制模块和DC-AC控制模块；

DC-DC1控制模块采用电流环控制模式：采集DC-AC模块的输入电流，经过低通滤波器滤波后，以直流分量作为DC-DC1控制模块的给定电流，以DC-DC1模块的输出电流作为反反馈，两者作差后进行PI控制，输出PWM驱动信号给DC-DC1模块；

DC-DC控制模块采用电压环控制模式：将给定电压和直流母线电压作差，其差值进行PI控制，输出PWM驱动信号给DC-DC2模块；

DC-AC控制模块采用交流输出电压的压频比控制模式：取交流输出线电压和给定电压两者的小值，并结合电网电压的角频率进行dq/αβ变换，再通过SVPWM控制，输出PWM驱动信号给DC-AC模块。

2.根据权利要求1所述的基于钒电池的备用电源装置，其特征在于，所述的DC-DC1模块采用三路交错并联双向半桥拓扑；DC-DC2模块采用单路双向半桥拓扑；DC-AC模块采用三相半桥拓扑。

3.一种启动权利要求1所述的备用电源装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.1、闭合铅酸电池模块与DC-DC2模块间连接的接触器，启动DC-DC2控制模块，从而稳定直流母线电压；

3.2、闭合DC-AC模块输出端的接触器，启动DC-AC控制模块，控制交流输出线电压u，使交流输出电压u稳定到380V、频率50Hz；

其中，交流输出线电压u满足：

u＝a·f²

$f=\left\{\begin{array}{c}\frac{50}{T}\×t;t\≤T\\ 50;t>T\end{array}\right.$

其中，f为交流输出线电压频率，单位为Hz，a为常数，T为软启动时间，t为运行时间；

3.3、完成步骤3.2后，闭合钒电池模块与DC-DC1模块间相连的接触器，启动DC-DC1控制模块，控制备用电源装置运行在电流环输出模式。

4.一种关闭权利要求1所述的备用电源装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.1、将DC-AC模块置于停机模式，启动DC-AC控制模块，控制交流输出线电压u，使交流输出线电压和频率逐渐减小为0；

其中，交流输出线电压u满足：

u＝a·f²

$f=\left\{\begin{array}{c}50-\frac{50}{T}\×t;t\≤T\\ 0\end{array}\right.$

其中，f为交流输出线电压频率，单位为Hz，a为常数，T为软停机时间，t为运行时间；

4.2、在完成步骤4.1后，断开DC-AC模块输出端的接触器，当DC-AC模块的输出电流和DC-DC1模块的给定电流逐步变为0时，关闭DC-DC1控制模块输出的PWM驱动信号，断开钒电池与DC-DC1模块间连连接的接触器；

4.3、关闭DC-DC2控制模块输出的PWM驱动信号，断开铅酸电池与DC-DC2接口模块间连接的接触器。