CN109037738A - 一种兆瓦级全钒液流电池系统装置的黑启动方法 - Google Patents

一种兆瓦级全钒液流电池系统装置的黑启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种兆瓦级全钒液流电池系统的黑启动方法。兆瓦级全钒液流电池系统主要由功率转换单元、全钒液流电池单元、黑启动单元等构成；功率转换单元包括PCS变流器；全钒液流电池单元包括：正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、正极电解液循环泵、负极电解液循环泵、电堆、电池管理系统BMS、变频器A、变频器B、兆瓦级DC‑DC变流器、PLC、通讯线；黑启动单元包括：黑启动蓄电池及BMS模块、电流传感器N、数据采集或控制模块U等；本发明可以实现全钒液流电池系统在任何情况下均可启动，优点在于：变频器驱动循环泵工作，可以优化电机控制调节；黑启动过程所需蓄电池功率很小，实现以最小功率启动兆瓦级液流电池系统。

Description

一种兆瓦级全钒液流电池系统装置的黑启动方法
技术领域
本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种兆瓦级全钒液流电池系统的黑启动方法。
背景技术
全钒液流电池是一种新型蓄电储能设备，具有使用寿命长、储能规模大、电池均匀性好、安全可靠等突出优势，成为规模储能的首选技术之一，在可再生能源发电和节能技术等领域有着极其广阔的应用前景。相较于其它非液流电池系统，全钒液流电池系统显著的特征在于：液流电池需要靠循环泵工作才能正常进行充电与放电。在系统停止循环泵后，如果没有外部电源或备用电池将无法实现自启动。此外，需要解决备用电池功率容量与兆瓦级循环泵等设备启动功率协同问题，实现最小备用电池的功率容量配置优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种兆瓦级全钒液流电池系统装置的黑启动方法，以解决现有技术无外部电池或备用电池无法启动、备用电池功率与循环泵等启动功率协同等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供兆瓦级全钒液流电池系统装置，包括功率转换单元、全钒液流电池单元、黑启动单元；全钒液流电池单元通过功率转换单元与上级配电网或独立负载相连，黑启动单元并接在功率转换单元与全钒液流电池单元之间。
功率转换单元包括PCS变流器；
全钒液流电池单元包括正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、正极电解液循环泵、负极电解液循环泵、电堆、电池管理系统BMS、变频器A、变频器B、兆瓦级DC-DC变流器、PLC、通讯线、DC-DC变流器A；
所述正极电解液循环泵通过所述变频器A、所述负极电解液循环泵通过所述变频器B，并接在所述PCS变流器与所述兆瓦级DC-DC变流器之间；所述DC-DC变流器A并接在所述PCS变流器与所述兆瓦级DC-DC变流器之间，为所述PLC、所述电池管理系统BMS提供电源；
黑启动单元包括黑启动蓄电池及BMS模块、电流传感器N、数据采集或控制模块U、DC-DC变流器B、充电模块、按钮开关START、二极管；
所述黑启动蓄电池及BMS模块与所述DC-DC变流器B相连；所述充电模块输入端并接在所述DC-DC变流器B输出端，输出端并接在所述DC-DC变流器B输入端；所述按钮开关串接所述二极管之后，并接在所述黑启动蓄电池及BMS模块与所述DC-DC变流器B之间，控制黑启动的开始；
所述数据采集或控制模块U并接在所述黑启动蓄电池及BMS模块两端，采集所述黑启动蓄电池及BMS模块输出电压信号，控制所述DC-DC变流器B、所述充电模块的接通及关断；
所述电流传感器N串接在所述黑启动蓄电池及BMS模块与所述DC-DC变流器B之间，测量所述黑启动蓄电池及BMS模块输出电流信号，并传输给所述数据采集或控制模块U。
所述正极电解液储液罐，用于存储正极电解液；
所述负极电解液储液罐，用于存储负极电解液；
所述正极电解液循环泵，由变频器A驱动，用于将正极电解液储液罐中的正极电解液沿管路输送至电堆，流经电堆后再沿管路输送回正极电解液储液罐；
所述负极电解液循环泵，由变频器B驱动，用于将负极电解液储液罐中的负极电解液沿管路输送至电堆，流经电堆后再沿管路输送回负极电解液储液罐；
所述电堆，用于通过电解液电化学反应产生直流电能，并将电能供给兆瓦级DC-DC变流器；
所述电池管理系统BMS，用于监测电堆运行数据并将运行数据信息输送给PLC；
所述兆瓦级DC-DC变流器，用于将电堆供给的直流电能调压后供给DC-DC变流器A，并用于将电堆供给的直流电能调压后分别供给变频器A、变频器B，驱动正极电解液循环泵、负极电解液循环泵；
所述PLC，用于接收数据采集或控制模块U采集来的黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池电压和电流信号及电池管理系统BMS采集的电堆运行数据，并将控制信息反馈给数据采集或控制模块U；
所述通讯线，用于传输控制指令及各模块监测数据；
所述黑启动蓄电池及BMS模块，用于存储充电模块供给的直流电能，并用于将存储的直流电能供给DC-DC变流器B、PLC及数据采集或控制模块U；
所述数据采集或控制模块U，用于监测黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池电压及借助电流传感器N监测黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池电流，并借助通讯线将黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池输出状况传输给PLC及接收PLC控制指令；
所述DC-DC变流器B，用于将黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池供给的直流电能调压后供给变频器A、变频器B；
所述充电模块，用于将兆瓦级DC-DC变流器供给的直流电能调压后供给黑启动蓄电池及BMS模块；
所述二极管，用于保证带有按钮开关START的回路上黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池单向向外供电输出；
在上述系统上实现的兆瓦级液流电池系统的黑启动方法，包括以下步骤：
a11：黑启动开始；
a12：按下按钮开关START；
a13：黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池放电，供电给数据采集或控制模块U、PLC、电池管理系统BMS；
a14：PLC发送接通DC-DC变流器B指令给数据采集或控制模块U；
a15：数据采集或控制模块U接收指令，控制接通DC-DC变流器B；
a16：DC-DC变流器B将黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池供给的直流电能调压后分别供给变频器A、变频器B，驱动正极电解液循环泵、负极电解液循环泵；
a17：正极电解液循环泵、负极电解液循环泵分别将电解液送至电堆产生电能；
a18：数据采集或控制模块U监测黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池输出电压和输出电流信号，并判断是否有输出电压和输出电流信号，若有输出电压，无输出电流，则进入步骤a19，若有输出电流，则进入步骤a13；
a19：PLC发送断开DC-DC变流器B指令给数据采集或控制模块U，并提示断开按钮开关START；
a20：数据采集或控制模块U控制断开DC-DC变流器B；
a21：关断按钮开关START；
a22：电堆将直流电能供给兆瓦级DC-DC变流器；
a23：兆瓦级DC-DC变流器将直流电能调压后供给DC-DC变流器A；
a24：DC-DC变流器A将直流电能调压后供给PLC、电池管理系统BMS；
a25：兆瓦级DC-DC变流器将电堆供给的直流电能调压分别供给变频器A、变频器B，驱动正极电解液循环泵、负极电解液循环泵；
a26：正极电解液循环泵、负极电解液循环泵分别将电解液送至电堆产生电能；
a27：黑启动结束。
5、根据权利要求4所述的黑启动方法，步骤a27的后续步骤包括：
b11：兆瓦级DC-DC变流器将电堆供给的直流电能调压后供给充电模块；
b12：PLC发送接通充电模块指令给数据采集或控制模块U；
b13：数据采集或控制模块U接收指令，控制接通充电模块；
b14：充电模块将电堆供给的直流电能调压后供给黑启动蓄电池及BMS模块；
b15：黑启动蓄电池及BMS模块中的蓄电池充电；
b16：黑启动蓄电池及BMS模块中的BMS监测黑启动蓄电池SOC是否低于指定值，若是，则返回步骤b11，否则进入步骤b17；
b17：黑启动蓄电池停止充电。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明首先利用黑启动蓄电池存储电能供电给DC-DC变流器B、数据采集或控制模块U、PLC及电池管理系统BMS，利用DC-DC变流器B将直流电能调压供给变频器A、变频器B，从而驱动正、负极电解液循环泵，以使电堆产生电能，当黑启动蓄电池有输出电压无输出电流时，黑启动蓄电池停止放电，由兆瓦级DC-DC变流器将电堆供给的直流电能调压供给变频器A、变频器B，以驱动正、负极电解液循环泵，再经DC-DC变流器A直流调压供给数据采集或控制模块U、PLC及电池管理系统BMS，实现了系统在任何情况下均可启动。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例中兆瓦级全钒液流电池系统黑启动方法的控制流程图；
图3为本发明实施例中黑启动蓄电池电能补充控制流程图；
图4为本发明实施例中系统能量流图。
图中，1、正极电解液储液罐；2、负极电解液储液罐；3、正极电解液循环泵；4、负极电解液循环泵；5、电堆；6、电池管理系统BMS；7、变频器A；8、变频器B；9、兆瓦级DC-DC变流器；10、PLC；11、通讯线；12、PCS变流器；13、黑启动蓄电池及BMS模块；14、电流传感器N；15、数据采集或控制模块U；16、DC-DC变流器A；17、DC-DC变流器B；18、充电模块；19、二极管；20、按钮开关START。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种兆瓦级全钒液流电池系统的黑启动方法，结构示意图如图1所示。兆瓦级全钒液流电池系统，包括功率转换单元、全钒液流电池单元、黑启动单元；全钒液流电池单元通过功率转换单元与上级配电网或独立负载相连，黑启动单元并接在功率转换单元与全钒液流电池单元之间。
功率转换单元包括PCS变流器12(如阳光电源SC500TL)；
全钒液流电池单元包括正极电解液储液罐1、负极电解液储液罐2、正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4、电堆5、电池管理系统BMS6(电池管理系统BMS具有监测电堆运行数据的功能，如对液流电池SOC的监测)、变频器A7(如西门子SIMOREG CM)、变频器B8(如西门子SIMOREG CM)、兆瓦级DC-DC变流器9、PLC10(如汇川H3U-1616MT-XP)、通讯线11、DC-DC变流器A16；
正极电解液循环泵3通过变频器A7、负极电解液循环泵4通过变频器B8，并接在PCS变流器12与兆瓦级DC-DC变流器9之间；DC-DC变流器A16并接在PCS变流器12与兆瓦级DC-DC变流器9之间，为PLC10、电池管理系统BMS6提供电源；
黑启动单元电池包括黑启动蓄电池及BMS模块13、电流传感器N14、数据采集或控制模块U15(如研华模块ADAM-6050)、DC-DC变流器B17、充电模块18(充电模块具有高压降压功能，如XD308H)、按钮开关START20、二极管19；黑启动蓄电池及BMS模块内部包含蓄电池(如锂电池)和BMS(BMS原理类似于电池管理系统BMS，用于测蓄电池SOC，如力高B31)。
黑启动蓄电池及BMS模块13与DC-DC变流器B17相连；充电模块18输入端并接在DC-DC变流器B17输出端，输出端并接在DC-DC变流器B17输入端；按钮开关START20串接二极管19之后，并接在黑启动蓄电池及BMS模块13与DC-DC变流器B17之间，控制黑启动的开始；
数据采集或控制模块U15并接在黑启动蓄电池及BMS模块13两端，采集黑启动蓄电池及BMS模块13输出电压信号，控制DC-DC变流器B17、充电模块18接通及关断；电流传感器N14串接在黑启动蓄电池及BMS模块13与DC-DC变流器B17之间，测量黑启动蓄电池及BMS模块13输出电流信号，并传输给数据采集或控制模块U15。
如图2所示，图2为本发明实施例中兆瓦级全钒液流电池系统黑启动方法的控制流程图。首先利用黑启动蓄电池及BMS模块13中蓄电池存储电能供电给DC-DC变流器B17、数据采集或控制模块U15、PLC10及电池管理系统BMS6，利用DC-DC变流器B17将直流电能调压供给变频器A7、变频器B8，从而驱动正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4，以使电堆5产生电能，当黑启动蓄电池及BMS模块13中蓄电池有输出电压无输出电流时，黑启动蓄电池及BMS模块13中蓄电池停止放电，由兆瓦级DC-DC变流器9将电堆5供给的直流电能调压供给变频器A7、变频器B8，以驱动正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4，再经DC-DC变流器A16直流调压供给数据采集或控制模块U15、PLC10及电池管理系统BMS6，包括以下步骤：
a11：黑启动开始；
a12：按下按钮开关START20；
a13：黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池放电，供电给数据采集或控制模块U15、PLC10、电池管理系统BMS6；
a14：PLC10发送接通DC-DC变流器B17指令给数据采集或控制模块U15；
a15：数据采集或控制模块U15接收指令，控制接通DC-DC变流器B17；
a16：DC-DC变流器B17将黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池供给的直流电能调压后分别供给变频器A7、变频器B8，驱动正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4；
a17：正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4分别将电解液送至电堆5产生电能；
a18：数据采集或控制模块U15监测黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池输出电压和输出电流信号，并判断是否有输出电压和输出电流信号，若有输出电压，无输出电流，则进入步骤a19，若有输出电流，则进入步骤a13；
a19：PLC10发送断开DC-DC变流器B17指令给数据采集或控制模块U15，并提示断开按钮开关START20；
a20：数据采集或控制模块U15控制断开DC-DC变流器B17；
a21：关断按钮开关START20；
a22：电堆5将直流电能供给兆瓦级DC-DC变流器9；
a23：兆瓦级DC-DC变流器9将直流电能调压后供给DC-DC变流器A16；
a24：DC-DC变流器A16将直流电能调压后供给PLC10、电池管理系统BMS6；
a25：兆瓦级DC-DC变流器9将电堆5供给的直流电能调压分别供给变频器A7、变频器B8，驱动正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4；
a26：正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4分别将电解液送至电堆5产生电能；
a27：黑启动结束。
如图3所示，图3为本发明实施例中黑启动蓄电池电能补充控制流程图。黑启动蓄电池电能补充包括以下步骤：
b11：兆瓦级DC-DC变流器9将电堆5供给的直流电能调压后供给充电模块18；
b12：PLC10发送接通充电模块18指令给数据采集或控制模块U15；
b13：数据采集或控制模块U15接收指令，控制接通充电模块18；
b14：充电模块18将电堆5供给的直流电能调压后供给黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池；
b15：黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池充电；
b16：：黑启动蓄电池及BMS模块13中的BMS6监测黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池的SOC是否低于指定值，若是，则返回步骤b11，否则进入步骤b17；
b17：黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池停止充电。
如图4所示，图4为本发明实施例中系统能量流图。兆瓦级液流电池系统黑启动过程中，黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池提供较小启动功率，液流电池逐渐提供能量，可以实现以小功率电池启动大功率液流电池系统。具体包括以下几个步骤：
c11：黑启动开始时，黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池作为唯一能量来源，通过DC-DC变流器B17升压启动变频器A7、变频器B8；
c12：变频器A7、变频器B8启动时，以较小功率驱动驱动正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4；
c13：正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4低速工作，驱动电解液循环至电堆5，电堆5产生电能；
c14：电堆5产生的电能通过兆瓦级DC-DC变流器9与黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池提供的电能同时供给变频器A7、变频器B8，黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池提供的启动功率减小；
c15：黑启动中期，启动过程持续，变频器A7、变频器B8以较大启动功率驱动正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4；
c16：正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4以更大的转速驱动电解液至电堆5，电堆5产生更大的能量；
c17：电堆5提供更大的能量给变频器A7、变频器B8，黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池提供的启动功率继续减小；
c18：黑启动结束，变频器A7、变频器B8完全由电堆5产生电能提供能量，黑启动蓄电池及BMS模块13中的蓄电池停止输出能量，正极电解液循环泵3、负极电解液循环泵4能量实现正反馈调节，系统正常运行。

Claims (5)

1.一种兆瓦级全钒液流电池系统装置，包括功率转换单元、全钒液流电池单元、黑启动单元；其特征在于：全钒液流电池单元通过功率转换单元与上级配电网或独立负载相连，黑启动单元并接在功率转换单元与全钒液流电池单元之间。
2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级全钒液流电池系统装置，其特征在于：功率转换单元包括PCS变流器(12)；全钒液流电池单元包括正极电解液储液罐(1)、负极电解液储液罐(2)、正极电解液循环泵(3)、负极电解液循环泵(4)、电堆(5)、电池管理系统BMS(6)、变频器A(7)、变频器B(8)、兆瓦级DC-DC变流器(9)、PLC(10)、通讯线(11)、DC-DC变流器A(16)；
所述正极电解液循环泵(3)通过所述变频器A(7)、所述负极电解液循环泵(4)通过所述变频器B(8)，并接在所述PCS变流器(12)与所述兆瓦级DC-DC变流器(9)之间；所述DC-DC变流器A(16)并接在所述PCS变流器(12)与所述兆瓦级DC-DC变流器(9)之间，为所述PLC(10)、所述电池管理系统BMS(6)提供电源。
3.根据权利要求1所述的一种兆瓦级全钒液流电池系统装置，其特征在于：黑启动单元包括黑启动蓄电池及BMS模块(13)、电流传感器N(14)、数据采集或控制模块U(15)、DC-DC变流器B(17)、充电模块(18)、按钮开关START(20)、二极管(19)；
所述黑启动蓄电池及BMS模块(13)与所述DC-DC变流器B(17)相连；所述充电模块(18)输入端并接在所述DC-DC变流器B(17)输出端，输出端并接在所述DC-DC变流器B(17)输入端；所述按钮开关START(20)串接所述二极管(19)之后，并接在所述黑启动蓄电池及BMS模块(13)与所述DC-DC变流器B(17)之间；
所述数据采集或控制模块U(15)并接在所述黑启动蓄电池及BMS模块(13)两端，采集所述黑启动蓄电池及BMS模块(13)输出电压信号，控制所述DC-DC变流器B(17)、所述充电模块(18)的接通及关断；所述电流传感器N(14)串接在所述黑启动蓄电池及BMS模块(13)与所述DC-DC变流器B(17)之间，测量所述黑启动蓄电池及BMS模块(13)输出电流信号，并传输给所述数据采集或控制模块U(15)。
4.一种权利要求3所述系统装置的黑启动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a11：黑启动开始；
a12：按下按钮开关START(20)；
a13：黑启动蓄电池及BMS模块(13)中的蓄电池放电，供电给数据采集或控制模块U(15)、PLC(10)、电池管理系统BMS(6)；
a14：PLC(10)发送接通DC-DC变流器B(17)指令给数据采集或控制模块U(15)；
a15：数据采集或控制模块U(15)接收指令，控制接通DC-DC变流器B(17)；
a16：DC-DC变流器B(17)将黑启动蓄电池及BMS模块(13)中的蓄电池供给的直流电能调压后分别供给变频器A(7)、变频器B(8)，驱动正极电解液循环泵(3)、负极电解液循环泵(4)；
a17：正极电解液循环泵(3)、负极电解液循环泵(4)分别将电解液送至电堆(5)产生电能；
a18：数据采集或控制模块U(15)监测黑启动蓄电池及BMS模块(13)中的蓄电池输出电压和输出电流信号，并判断是否有输出电压和输出电流信号，若有输出电压，无输出电流，则进入步骤a19，若有输出电流，则进入步骤a13；
a19：PLC(10)发送断开DC-DC变流器B(17)指令给数据采集或控制模块U(15)，并提示断开按钮开关START(20)；
a20：数据采集或控制模块U(15)控制断开DC-DC变流器B(17)；
a21：关断按钮开关START(20)；
a22：电堆(5)将直流电能供给兆瓦级DC-DC变流器(9)；
a23：兆瓦级DC-DC变流器(9)将直流电能调压后供给DC-DC变流器A(16)；
a24：DC-DC变流器A(16)将直流电能调压后供给PLC(10)、电池管理系统BMS(6)；
a25：兆瓦级DC-DC变流器(9)将电堆(5)供给的直流电能调压分别供给变频器A(7)、变频器B(8)，驱动正极电解液循环泵(3)、负极电解液循环泵(4)；
a26：正极电解液循环泵(3)、负极电解液循环泵(4)分别将电解液送至电堆(5)产生电能；
a27：黑启动结束。
5.根据权利要求4所述的黑启动方法，步骤a27的后续步骤包括：
b11：兆瓦级DC-DC变流器(9)将电堆(5)供给的直流电能调压后供给充电模块(18)；
b12：PLC(10)发送接通充电模块(18)指令给数据采集或控制模块U(15)；
b13：数据采集或控制模块U(15)接收指令，控制接通充电模块(18)；
b14：充电模块(18)将电堆(5)供给的直流电能调压后供给黑启动蓄电池及BMS模块(13)；
b15：黑启动蓄电池及BMS模块(13)中的蓄电池充电；
b16：黑启动蓄电池及BMS模块(13)中的BMS监测黑启动蓄电池SOC是否低于指定值，若是，则返回步骤b11，否则进入步骤b17；
b17：黑启动蓄电池停止充电。
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