CN113161582A - 全钒液流电池微电网控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的全钒液流电池微电网控制系统，包括：采集模块、主控模块、继电控制模块、全钒液流电池电源模块、辅助锂电池电源模块、电源转换模块、电池切换模块和按键模块；采集模块输出端与主控模块的输入端电连接，主控模块的输出端、按键模块的输出端分别与继电控制模块的输入端电连接，继电控制模块的输出端分别与电池切换模块的受控端、循环泵的受控端电连接；全钒液流电池电源模块的输出端、辅助锂电池电源模块的输出端分别与电池切换模块的输入端电连接，电池切换模块与电源转换模块电连接；本发明具有能够稳定可靠运行的有益效果，适用于电池管理系统领域。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理系统的技术领域，具体涉及全钒液流电池微电网控制系统。
背景技术
全钒液流储能电池其具有安全、功率和容量可分离等优点，成为规模储能系统的优选对象。它被应用在电力系统、分布式能源发电及微电网中时，其功率能达到数百千瓦甚至兆瓦量级以上，容量也超过数百千瓦时或数兆瓦时。
一般来说，百千瓦时的离网型微电网应用最为广泛；不同于目前常用的锂电池等化学储能装置，全钒液流电池具有电堆与电解液相对独立的特点，循环泵对于电池的充放电也起着关键的作用。循环泵能够驱动电解液的循环，使电堆内的电解液及时得到更换和补充。当循环泵停止后，如果没有外部电源或备用电池，系统将无法实现自启动，导致系统可靠性降低。
发明内容
针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种能够稳定可靠运行的全钒液流电池微电网控制系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
全钒液流电池微电网控制系统，包括：采集模块、主控模块、继电控制模块、全钒液流电池电源模块、辅助锂电池电源模块、电源转换模块、电池切换模块和按键模块；所述采集模块输出端与主控模块的输入端电连接，所述主控模块的输出端、按键模块的输出端分别与继电控制模块的输入端电连接，所述继电控制模块的输出端分别与电池切换模块的受控端、循环泵的受控端电连接；所述全钒液流电池电源模块的输出端、辅助锂电池电源模块的输出端分别与所述电池切换模块的输入端电连接，所述电池切换模块的输出端与电源转换模块的输入端电连接，所述电源转换模块的输出端输出24V直流电压、5V直流电压和220V交流电压为整个控制系统提供电源供给。
优选地，还包括：均衡模块，所述均衡模块的输入端与主控模块的输出端电连接，所述均衡模块的输出端与全钒液流电池电源模块的输入端电连接。
优选地，所述主控模块和继电控制模块之间设置有光电保护模块。
优选地，还包括：故障指示报警模块和通信模块；所述故障指示报警模块的输入端与主控模块的输出端电连接；所述通信模块与主控模块通信连接。
优选地，所述全钒液流电池电源模块的输出端和辅助锂电池电源模块的输出端之间设置有充电控制模块，所述充电控制模块的受控端与继电控制模块的输出端电连接。
优选地，所述采集模块包括：电压采集电路、电流采集电路和温度采集电路，所述电压采集电路的输出端、电流采集电路的输出端、温度采集电路的输出端均与主控模块的输入端电连接；所述电压采集电路包括：端电压采集传感器、输入电压采集传感器和锂电池电压采集传感器；所述端电压采集传感器用于采集全钒液流电池电源模块的内核电压，所述输入电压采集传感器用于采集全钒液流电池电源模块工作时的输出电压，所述锂电池电压采集传感器用于采集辅助锂电池电源模块工作时的输出电压。
优选地，所述电源转换模块包括：第一电源转换器、第二电源转换器和逆变器；所述电池切换模块的输出端分别与第一电源转换器的输入端、逆变器的输入端电连接，所述第一电源转换器的输出端分别与电压采集电路的电源端、继电控制模块的电源端以及第二电源转换器的输入端电连接，所述第二电源转换器的输出端分别与电流采集电路的电源端、温度采集电路的电源端和主控模块的电源端电连接；所述逆变器的输出端与循环泵的电源端电连接；所述电池切换模块的输出端为48V直流电压，所述第一电源转换器的输出电压为24V直流电压，所述第一电源转换器的输出电压为5V直流电压，所述逆变器的输出电压为220V交流电压。
优选地，所述端电压采集传感器、输入电压采集传感器和锂电池电压采集传感器均为霍尔电压传感器。
优选地，所述全钒液流电池电源模块由4个电堆串联组成。
本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的全钒液流电池微电网控制系统，使用时，设置的辅助锂电池电源模块作为系统的黑启动电源，能够在系统启动时，通过逆变器实现220V交流电压的输出为循环泵提供电源供给，使得系统能够稳定可靠运行；同时，整个系统在运行过程中，通过采集模块对全钒液流电池电源模块和辅助锂电池电源模块的电池电压、电流、温度进行采样，并传送至主控模块，主控模块根据电压、电流、温度参数，输出控制信号至继电控制模块，使继电控制模块控制循环泵启停操作，以及控制电池切换模块切换至全钒液流电池电源模块或辅助锂电池电源模块进行电源供给；能够提高了全钒液流电池微电网控制系统的可靠性，实用性极强。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的全钒液流电池微电网控制系统的电路结构框图；
图2是本发明实施例二提供的全钒液流电池微电网控制系统的电路结构框图；
图3是本发明中光电保护模块和按键模块的电路连接图；
图4是本发明中继电控制模块的电路连接图一；
图5是本发明中继电控制模块的电路连接图二；
图6是本发明中采集模块的电路结构框图；
图7是本发明中主控模块和采集模块的电路连接图；
图8是本发明中主控模块及其外围电路的电路连接图；
图9是本发明实施例二中电源转换模块的电路结构框图；
图10是本发明实施例二中电源转换模块的电路连接图；
图11是本发明中均衡模块的电路连接图；
图12是本发明中通信模块的电路连接图；
图13是本发明的工作流程图；
图14是本发明中电堆SOC估计的流程示意图；
图15是本发明全钒液流电池组均衡控制系统框图；
图16是本发明全钒液流电池组的均衡控制流程图；
图中：1为采集模块，2为主控模块，3为继电控制模块，4为全钒液流电池电源模块，5为辅助锂电池电源模块，6为电源转换模块，7为电池切换模块，8为按键模块，9为均衡模块，10为光电保护模块，11为故障指示报警模块，12为通信模块，13 为充电控制模块，14为循环泵；
101为电压采集电路，102为电流采集电路，103为温度采集电路；
601为第一电源转换器，602为第二电源转换器，603为逆变器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图详细说明所述全钒液流电池微电网控制系统的一个实施例。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的全钒液流电池微电网控制系统的电路结构框图；如图1所示，全钒液流电池微电网控制系统，包括：采集模块1、主控模块2、继电控制模块3、全钒液流电池电源模块4、辅助锂电池电源模块5、电源转换模块6、电池切换模块7和按键模块8；
所述采集模块1的输出端与主控模块2的输入端电连接，所述主控模块2的输出端、按键模块8的输出端分别与继电控制模块3的输入端电连接，所述继电控制模块3 的输出端分别与电池切换模块7的受控端、循环泵14的受控端电连接；
所述全钒液流电池电源模块4的输出端、辅助锂电池电源模块5的输出端分别与所述电池切换模块7的输入端电连接，所述电池切换模块7的输出端与电源转换模块6 的输入端电连接，所述电源转换模块6的输出端输出24V直流电压、5V直流电压和220V 交流电压为整个控制系统提供电源供给。
本发明提供的全钒液流电池微电网控制系统，使用时，设置的辅助锂电池电源模块作为系统的黑启动电源，能够在系统启动时，通过逆变器实现220V交流电压的输出为循环泵提供电源供给，使得系统能够稳定可靠运行；同时，整个系统在运行过程中，通过采集模块对全钒液流电池电源模块和辅助锂电池电源模块的电池电压、电流、温度进行采样，并传送至主控模块，主控模块根据电压、电流、温度参数，输出控制信号至继电控制模块，使继电控制模块控制循环泵启停操作，以及控制电池切换模块切换至全钒液流电池电源模块或辅助锂电池电源模块进行电源供给；能够提高了全钒液流电池微电网控制系统的可靠性，实用性极强。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的全钒液流电池微电网控制系统的电路结构框图；如图2所示，在实施例一的基础上，全钒液流电池微电网控制系统，还包括：均衡模块9，所述均衡模块9的输入端与主控模块2的输出端电连接，所述均衡模块9的输出端与全钒液流电池电源模块4的输入端电连接。
具体地，全钒液流电池微电网控制系统还包括：故障指示报警模块11和通信模块12，所述故障指示报警模块11的输入端与主控模块2的输出端电连接；所述通信模块 12与主控模块2通信连接。
进一步地，所述全钒液流电池电源模块4的输出端和辅助锂电池电源模块5的输出端之间设置有充电控制模块13，所述充电控制模块13的受控端与继电控制模块3 的输出端电连接。
本实施例中，由于电路中交直流信号以及各种开关信号共同存在，为保证系统可靠性必须解决电磁干扰问题。因此，本发明采用二级保护策略，分别利用光电耦合器和继电器进行二次隔离。
图3是本发明中光电保护模块的电路连接图；如图3所示，所述主控模块2和继电控制模块3之间设置有光电保护模块10，所述的光电保护模块10包括10个型号为TPL250的光电耦合器，所述的主控模块2的输出端与光电耦合器相连，进行直交流的隔断，所述光电耦合器的输出信号控制通过继电控制模块3进行二次干扰信号隔离。
具体地，所述光电保护模块10的输入端PCO、PC1、PC2、PC3、PC6、PC7、PC8、 PC12、PC13、PC15分别与主控模块2的输出端电连接；
所述光电保护模块10的输出端CDLED、GZLED、FDLED、BJLED分别与故障指示报警模块11的信号指示灯电连接；
所述光电保护模块10的输出端OUT5、OUT6、OUT7、OUT8、OUT9分别与继电控制模块3的自动正泵启动输入高电平运行信号输入端、自动负泵启动输入高电平运行信号输入端、高电平钒电池闭合信号输入端、低电平切断锂电池信号输入端、钒电池给锂电池充电信号输入端电连接；
所述按键模块包括：按键接口J1，所述按键接口J1的引脚5～引脚9分别与继电控制模块3的自动运行信号输入端QH、正泵手动运行输入端ZB、负泵手动运行输入端 FB、安全运行接地端JT、关机信号输入端GJ电连接。
图4是本发明中继电控制模块的电路连接图一；图5是本发明中继电控制模块的电路连接图二；如图4、图5所示，本发明中继电控制模块以实现继电器控制功能，具体包括：手动与自动切换、正负泵的启停、钒锂电池切换、上电自锁以及紧急制动等，本模块由多个24V的JRC-27F继电器来实现控制。
为了保证控制系统的安全性和可操作性，本发明设计了自动控制与手动控制两部分完全独立的电路；手动控制全部由继电器来完成，并且在实现钒锂切换的输入端设计两路控制继电器，分别对钒锂电池的正负两极同时进行控制，避免不必要的电磁干扰，显著提高了系统的可靠性。为了保证系统的可扩展性，上述模块预留了多个继电器与相应的电路接口。
本实施例中，光电保护模块10的输出端OUT9通过控制继电控制模块中的继电器K15和继电器K16，以实现全钒液流电池电源模块对辅助锂电池电源模块进行充电；一般地，钒电池给锂电池在充电过程中，充电电流较大，为避免继电器受损，本实施例中的两个继电器K15和继电器K16采用并联方式，提高了系统的可靠性。
此外，本实施例中，还设置了备用继电器K14，当其他继电器有受损情况时，将该备用继电器K14进行替换。
图6是本发明中采集模块的电路结构框图；图7是本发明中主控模块和采集模块的电路连接图；图8是本发明中主控模块及其外围电路的电路连接图；如图6、图7、图8所示，所述采集模块1包括：电压采集电路101、电流采集电路102和温度采集电路103，所述电压采集电路101的输出端、电流采集电路102的输出端、温度采集电路 103的输出端均与主控模块2的输入端电连接；所述电压采集电路101包括：端电压采集传感器、输入电压采集传感器和锂电池电压采集传感器；所述端电压采集传感器用于采集全钒液流电池电源模块4的内核电压，所述输入电压采集传感器用于采集全钒液流电池电源模块4工作时的输出电压，所述锂电池电压采集传感器用于采集辅助锂电池电源模块5工作时的输出电压。
如图6、图7所示，本实施例中，所述全钒液流电池电源模块4可由4个电堆串联组成，所述端电压采集传感器、输入电压采集传感器和锂电池电压采集传感器均为霍尔电压传感器。
本发明对全钒液流电池电源模块进行工作电流采集时，电流霍尔传感器首先将采集电流转换为0～3.3V的电压信号，然后由主控模块2处理；本实施例可采用DS18B20进行电堆温度采集，需要先将采集的温度值转换成电阻值，再将电阻值转换成电压值输入至主控模块2中。
此外，由于钒电池的特殊性，工作时需要首先启动循环泵，因此需要配套的锂电池实现钒电池的黑启动。待循环泵稳定带动电解液流动后，钒电池才能正常工作。一旦检测到钒电池电压足够给控制系统供电后，系统可以通过钒锂切换，实现钒电池对控制系统的供电。同时，系统还要求钒电池能量足够大时，可以为锂电池充电。因此，控制系统的电压采集包含了开路电压采集、端电压采集和锂电池电压采集三部分；本实施例进行电压采集时，同样需要先将采集的电压信号转换为0～3.3V电压，然后交由主控模块2处理。
在电压采集电路中，端电压是指钒电池组正负极间的电压，也称内核电压；输入电压指的是钒电池正常工作时与控制系统的接口端的电压，两者并非同一数值；采用钒电池供电时，控制系统充当负载，输入电压明显低于电池端电压；通过对现有全钒液流电池储能系统进行反复多次测量可得，输入电压低于电池的端电压2V左右，这个电压值会随着控制系统的功耗设计、钒电池特性而变化。因此，为了避免设备故障，在进行钒锂切换时，需要采集控制系统输入电压，而不能直接采集钒电池的端电压；除此之外，控制系统还能够通过采集锂电池的电压信息实现对锂电池充电，使系统能够更加彻底的摆脱对大电网的依赖。
图9是本发明实施例二中电源转换模块的电路结构框图；如图9所示，所述电源转换模块6包括：第一电源转换器601、第二电源转换器602和逆变器603；所述电池切换模块7的输出端分别与第一电源转换器601的输入端、逆变器603的输入端电连接，所述第一电源转换器601的输出端分别与电压采集电路101的电源端、继电控制模块3的电源端以及第二电源转换器602的输入端电连接，所述第二电源转换器602 的输出端分别与电流采集电路102的电源端、温度采集电路103的电源端和主控模块2 的电源端电连接；所述逆变器603的输出端与循环泵14的电源端电连接；所述电池切换模块7的输出端为48V直流电压，所述第一电源转换器601的输出电压为24V直流电压，所述第一电源转换器601的输出电压为5V直流电压，所述逆变器603的输出电压为220V交流电压。
电源是系统工作的动力，全钒液流电池电源模块中的全钒液流电池在启动时，需由 48V的辅助电源(本实施例中，由辅助锂电池电源模块提供)通过纯正弦波逆变器启动220V交流循环泵，一旦全钒液流电池的钒电池电解液开始循环流动，并通过端电压采集传感器采集全钒液流电池电源模块的内核电压，当内核电压高于40V，则自动切换至由全钒液流电池电源模块供电。
一般地，全钒液流电池的正常工作电压变化范围为32V～60V，选择给本发明控制系统供电的电压范围为42V～60V，因此供电单元要考虑钒电池为宽电压输入；此外，在离网微电网系统中，直流母线直接给直流负载供电，存在电压波动大、干扰大等问题，会对控制系统的芯片以及其他元器件造成一些不可估计的损坏。
图10是本发明实施例二中电源转换模块的电路连接图；如图10所示，本发明中的电源转换模块在设计时，选择ICH10048S24 XP隔离降压模块实现48V至24V的电源线性转换，主电源经隔离降压转换为24V直流电压，另一方面经由24V转5V电源模块给主控模块和其他传感器供电。24V转5V电源模块选择Godsend公司的XRE10/24S05型号，功率小，带隔离，可靠性强。
图11是本发明中均衡模块的电路连接图；如图11所示，本发明中，考虑到全钒液流电池的特殊性和经济性，微电网由4个电堆串联而成，不需要测量单体电池，只需要实现电堆均衡；全钒液流电池的电堆有效工作电压范围为32-60V，然而，锂离子电池电压巡检和均衡芯片常用LTC6803、LTC6811、MC33771等，最大监测电压差为8V，不适合钒电池电堆的电压巡检。为了保证采集精度，本实施例中，选用中霍CHVS-ASV系列的霍尔电压传感器进行电压采集；开关管选择芯片KIA30N06，VDS为60V，工作电流可达25A。
图12是本发明中通信模块的电路连接图；如图12所示，本发明提供了串口J1、串口J2和以太网口J3，可以实现硬件电路与组态软件的信号传输、可实现数据的远程上传和与外部其他模块的通信。
图13是本发明的工作流程图，如图13所示，系统上电后，首先对控制系统参数进行初始化，并对钒电池端电压进行监测；判断钒电池端电压是否大于42V，如果大于42V则进行钒电池和锂电池切换，控制系统由钒电池供电；如果钒电池电压小于42V，则实现黑启动，由锂电池进行供电。电源供电启动后，对全钒液流电池进行故障检测，若系统连接有问题，则关闭泵与所有阀门，开启故障状态指示灯，发出警报提醒故障排除；若连接正常，则开始采集电池的温度、电压、电流等相关参数，同时主控模块的控制芯片根据这些参数输入进行每个电堆的SOC估计，并做出控制决策，包括充放电控制、均衡控制、报警控制和循环泵控制等。
综上，电源模块将48V的钒电和锂电分别转换成24V、5V和逆变成220V，给系统的各个模块供电；为了系统设计了双向DC/DC电路，通过开关切换的方式可以实现钒电池对黑启动锂电池的充放电控制；继电器模块则在控制模块的控制下实现钒锂切换，手自动切换和循环泵的启停；报警模块和故障灯模块主要通过蜂鸣声和指示灯的颜色变化实现故障提示，以便使用人员能很快地排除故障。
图14是本发明中电堆SOC估计的流程示意图；如图14所示，本发明中，所述的主控模块的控制芯片根据这些参数输入进行每个电堆的SOC估计，具体包括：
S10，建立全钒液流电池融合模型的等效电路；
S20，根据等效电路，建立荷电状态SOC方程；
S30，根据待测电池的安时积分计算模型和荷电状态SOC方程，建立钒电池的状态空间方程和非线性系统模型方程；
S40，将钒电池的SOC值作为系统状态方程的状态变量xk，电池的充放电电流Id作为系统状态方程的系统输入uk，电池的端电压Ud作为系统的观测方程的变量yk，通过自适应无迹卡尔曼滤波算法估计电池的SOC。
具体地，所述步骤S30中，所述待测电池的安时积分计算模型的表达式为：
其中：SOC0是电池充放电开始时刻的荷电状态；CN是额定容量；It是t时刻的充放电电流；η是电池充放电效率。
所述步骤S30中，所述钒电池的状态空间方程和非线性系统模型方程的表达式为：
其中：SOCk是电池充放电k时刻的SOC估计值；SOCk-1是电池充放电k-1时刻的SOC估计值；CN是额定容量；Ik-1是k-1时刻的充放电电流；wk-1是k-1时刻的系统噪声；Vk是 k时刻的观测噪声；ΔT是时间间隔；
Udk是k时刻钒电池的端电压；N是单体电池串接数量；E0是钒电池标准状态下的平衡电势；R是气体常数，T是温度K；F是法拉第常数；Rres是全钒液流电池电堆内阻损耗中的欧姆内阻；
xk是系统的状态方程的状态变量；uk是系统的状态方程的输入变量；f(xk-1，uk-1)是状态函数；yk是系统的观测方程的观测变量；h(xk，uk)是观测函数。
进一步地，所述步骤S40中，自适应无迹卡尔曼滤波算法估计电池的SOC具体包括：
S401，初始化系统状态量和误差方差矩阵；
S402，读取当前的历元数据，进行UT变换，获得Sigma点、Sigma的权值；
S403，基于Sigma点、Sigma的权值进行预测，得到状态变量和误差方差矩阵的预测值；
S404，基于状态预测、协方差矩预测、卡尔曼滤波系数k以及系统原输出变量的预测值Uk，对状态变量和误差方差矩阵的预测值进行更新；
S405，通过自适应因子对状态变量和误差方差矩阵的预测值进行修正，得到k+1时刻的SOC估计值；
S406，判断k个历元是否结算完毕：如未完毕，则返回步骤S401，进行下一次循环；反之，结束运算。
更进一步地，所述步骤S403中，得到状态变量和误差方差矩阵的预测值的具体过程为：根据系统的状态方程，以及k时刻的状态变量xk和系统输入uk，对k+1时刻的状态变量xk+1′进行预测；并根据k时刻的误差方差矩阵Pk计算k+1时刻的误差方差矩阵Pk+1′；
所述对k+1时刻的状态变量xk+1′进行预测，具体为：
状态变量xk+1′的预测表达式为：
xk+1'＝Ak*xk+Bk*uk 式(4.1)；
所述对k+1时刻的误差方差矩阵Pk+1′进行预测，具体为：
误差方差矩阵Pk+1′的预测表达式为：
其中：Ak为系统的状态转移矩阵；Bk为系统的控制输入矩阵；xk和xk+1为系统在k时刻和k+1时刻的状态变量；Qk是系统噪声Wk的协方差矩阵；Pk是测量噪声Vk的误差方差矩阵。
优选地，所述步骤404中，对状态变量和误差方差矩阵的预测值进行更新，具体过程为：通过计算测量差值、测量误差协方差值和卡尔曼滤波系数，对系统状态变量和误差方差矩阵进行更新；
所述计算测量差值、测量误差协方差值，具体为：
测量差值的计算表达式为：
vk'＝yk-Ck*xk 式(4.3)；
测量误差协方差的计算表达式为：
所述计算卡尔曼滤波系数，对系统状态变量和误差方差矩阵进行更新，具体为：
卡尔曼滤波系数的计算表达式为：
系统状态变量的更新表达式为：
Xk+1＝xk+1'+Kk*vk' 式(4.6)；
误差方差矩阵的更新表达式为：
Pk+1＝(E-Kk*Ck)*Pk+1' 式(4.7)；
其中：Ck是系统观测矩阵；Rk是测量噪声；E是单位矩阵。
本发明中，所述步骤S10中，全钒液流电池融合模型的等效电路，包括：
等效电压Vs、内阻损耗模拟电路、泵损模拟电路和等效电容Ce；
所述泵损模拟电路包括：泵损电流IP和内阻Rf；所述泵损电流IP的一端并接内阻Rf的一端后分别与全钒液流电池端电压Ud的正极、等效电容Ce的一端相连；
所述内阻损耗模拟电路包括：极化电阻Rrea和欧姆内阻Rres，所述极化电阻Rrea一端与等效电压Vs的负极相连，所述极化电阻Rrea的另一端串接欧姆内阻Rres后与分别与泵损电流IP的另一端、内阻Rf的另一端、全钒液流电池端电压Ud的负极相连；所述等效电容Ce的另一端并接在极化电阻Rrea和欧姆内阻Rres之间的连线上。
优选地，所述步骤S20中，所述荷电状态SOC方程的表达式为：
其中：Vs是全钒液流电池的堆电压；N是单体电池串联数量；E是单体电池的电压；R为气体常数；T为温度；F为法拉第常数。
本发明对每个电堆的SOC估计，充分考虑了全钒液流电池化学反应带来的内阻，利用能斯特方程进行SOC估计，同时综合考虑了泵损以及一些机械特性，提高了电池模型的准确性和可行性；本发明在全钒液流电池融合模型等效电路的基础上，提出了一种基于自适应无迹卡尔曼滤波的全钒液流电池融合模型的SOC估算方法，实现了全钒流电池系统SOC的实时估计和误差观测；与传统的无迹卡尔曼滤波算法相比，该算法具有响应快、鲁棒性好等优点。
图15是本发明全钒液流电池组均衡控制系统框图；图16是本发明全钒液流电池组的均衡控制流程图；如图15所示，本发明提供的可采用20kW/120kWh作为全钒液流电池微电网系统，其中，采用4个全钒液流电池组串联的连接方式，数量少、电池组的差异较小，为追求更好的均衡效果，采用平均法作为均衡依据；该方法以平均荷电状态容差ZLsoc为基准，只要有一个SOC值与SOC均值的差不在容差范围之内，则系统将启动均衡的策略；该均衡系统要实现4个全钒液流电池组的均衡控制，为了保证电池组的四对正负极之间能够进行能量流通，需要K1～K9开关管作为选通元件，电容C为能量搬运元件。
如图16所示，本发明中主控模块做出的均衡控制决策为：基于SOC的均衡控制，具体包括：
S21，监测和估计所有电池组的SOC并计算平均值PJsoc；
S22，将所有电池组的SOC与PJsoc进行差值运算，如果差值均在设定的容差ZLsoc范围内，则停止均衡，继续对电池充电直到充电完成。只要有电池组的SOC与PJsoc的之差不在容差范围内，系统将启动均衡；
S23，均衡过程就是通过采集电池组SOC求平均PJsoc，并与之进行差值计算，根据差值范围，控制开关阵列，利用超级电容实现能量搬移，使能量较高的全钒液流电池充电电流减小，能量较低的全钒液流电池充电电流增大，直至能量平衡，均衡结束。
此外，本发明中主控模块做出的充放电控制决策的具体过程可为：
S31，建立充放电控制电路的等效电路；其中，所述的等效电路包括：双向DC/DC 电压转换电路和PWM控制电路；所述双向DC/DC电压转换电路包括：BUCK降压电路和 BOOST升压电路，所述BUCK降压电路包括：开关管Ta，所述BOOST升压电路包括：开关管Tb；所述PWM控制电路与光伏模块的输出端电连接，所述PWM控制电路的输出端分别与开关管Ta的控制端、开关管Tb的控制端相连，所述开关管Ta的集电极分别与二极管D1的负极、电容C1的一端、直流母线电压Udc的正极相连，所述开关管Ta的发射极分别与二极管D1的正极、开关管Tb的集电极、二极管D2的负极、电感L的一端相连，所述开关管Tb的发射极分别与二极管D2的正极、直流母线电压Udc的负极、电容C1的另一端、电容C2的一端、电池组的端电压Us的负极相连，所述电感L的另一端分别与电容C2的另一端、电池组的端电压Us的正极相连
S32，采集电池组的端电压Us和直流母线电压Udc的电压值；
S33，判断电池组的端电压Us是否小于直流母线电压Udc，如是，则对电池组进行充电，双向DC/DC电压转换电路的BUCK降压电路工作，能量从直流母线侧流向电池组，如否，则电池组放电；
S34，在所述电池组放电时，通过MPPT控制算法使光伏模块输出电压为最大功率点。
其中，在对电池组进行充电和电池组放电过程中，通过三闭环柔性控制方法进行电池组的充放电控制，所述的MPPT控制算法为基于变步长扰动观测法的MPPT算法。
本发明中的充放电控制方法，综合考虑了钒电池的充放电特性、光照强度、温度和时间等因素对光伏电池输出功率的影响，将三闭环柔性控制方法与MPPT算法进行结合，MPPT算法能够在光照和温度突变的情况下快速响应和追踪到光伏阵列的最大功率点，三闭环柔性控制方法可实现快速响应和稳定的充放电，进而能够提高钒电池的储能能力，延长钒电池的使用寿命；其中：三闭环柔性控制方法，采用SOC环、电压环和电流环结构作为控制依据，外环由SOC控制，通过实际SOC与参考SOC的比较来实现电池充电和放电控制；中间环由电压控制，通过反馈的预估电压，实现电池定压充电；内环为电流环，根据电池的实际工作情况实现定流充电，极大的提高了系统的充放电效率；MPPT控制算法，通过反复对比此刻和上一时刻输出功率的大小，根据反馈的差值增加或减小扰动步长，从而达到光伏电池的输出功率尽可能接近最大功率点的目的，提高了充放电效率。
综上，本发明能够采集全钒液流电池电源模块和辅助锂电池电源模块的运行参数，并传送至主控模块，主控模块根据电压、电流、温度参数，输出控制信号至继电控制模块，使继电控制模块控制循环泵启停操作，以及控制电池切换模块切换至全钒液流电池电源模块或辅助锂电池电源模块进行电源供给，同时，为了使全钒液流电池系统能够实现黑启动，增设了一个48V锂电池作为系统的黑启动电源，为了系统设计了双向DC/DC 电路，通过开关切换的方式可以实现钒电池对黑启动锂电池的充放电控制，本发明通过继电器控制模块实现了在控制模块的控制下对钒锂电池的切换，手自动切换和循环泵的启停操作；故障指示报警模块实现故障提示，以便使用人员能很快地排除故障，整个系统运行可靠，实用性极强。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：包括：采集模块(1)、主控模块(2)、继电控制模块(3)、全钒液流电池电源模块(4)、辅助锂电池电源模块(5)、电源转换模块(6)、电池切换模块(7)和按键模块(8)；
所述采集模块(1)输出端与主控模块(2)的输入端电连接，所述主控模块(2)的输出端、按键模块(8)的输出端分别与继电控制模块(3)的输入端电连接，所述继电控制模块(3)的输出端分别与电池切换模块(7)的受控端、循环泵(14)的受控端电连接；
所述全钒液流电池电源模块(4)的输出端、辅助锂电池电源模块(5)的输出端分别与所述电池切换模块(7)的输入端电连接，所述电池切换模块(7)的输出端与电源转换模块(6)的输入端电连接，所述电源转换模块(6)的输出端输出24V直流电压、5V直流电压和220V交流电压为整个控制系统提供电源供给。
2.根据权利要求1所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：还包括：均衡模块(9)，所述均衡模块(9)的输入端与主控模块(2)的输出端电连接，所述均衡模块(9)的输出端与全钒液流电池电源模块(4)的输入端电连接。
3.根据权利要求1或2所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：所述主控模块(2)和继电控制模块(3)之间设置有光电保护模块(10)。
4.根据权利要求3所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：还包括：故障指示报警模块(11)和通信模块(12)；
所述故障指示报警模块(11)的输入端与主控模块(2)的输出端电连接；
所述通信模块(12)与主控模块(2)通信连接。
5.根据权利要求3所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：所述全钒液流电池电源模块(4)的输出端和辅助锂电池电源模块(5)的输出端之间设置有充电控制模块(13)，所述充电控制模块(13)的受控端与继电控制模块(3)的输出端电连接。
6.根据权利要求5所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：所述采集模块(1)包括：电压采集电路(101)、电流采集电路(102)和温度采集电路(103)，所述电压采集电路(101)的输出端、电流采集电路(102)的输出端、温度采集电路(103)的输出端均与主控模块(2)的输入端电连接；
所述电压采集电路(101)包括：端电压采集传感器、输入电压采集传感器和锂电池电压采集传感器；所述端电压采集传感器用于采集全钒液流电池电源模块(4)的内核电压，所述输入电压采集传感器用于采集全钒液流电池电源模块(4)工作时的输出电压，所述锂电池电压采集传感器用于采集辅助锂电池电源模块(5)工作时的输出电压。
7.根据权利要求6所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：所述电源转换模块(6)包括：第一电源转换器(601)、第二电源转换器(602)和逆变器(603)；
所述电池切换模块(7)的输出端分别与第一电源转换器(601)的输入端、逆变器(603)的输入端电连接，所述第一电源转换器(601)的输出端分别与电压采集电路(101)的电源端、继电控制模块(3)的电源端以及第二电源转换器(602)的输入端电连接，所述第二电源转换器(602)的输出端分别与电流采集电路(102)的电源端、温度采集电路(103)的电源端和主控模块(2)的电源端电连接；
所述逆变器(603)的输出端与循环泵(14)的电源端电连接；
所述电池切换模块(7)的输出端为48V直流电压，所述第一电源转换器(601)的输出电压为24V直流电压，所述第一电源转换器(601)的输出电压为5V直流电压，所述逆变器(603)的输出电压为220V交流电压。
8.根据权利要求6所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：所述端电压采集传感器、输入电压采集传感器和锂电池电压采集传感器均为霍尔电压传感器。
9.根据权利要求1所述的全钒液流电池微电网控制系统，其特征在于：所述全钒液流电池电源模块(4)由4个电堆串联组成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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