CN115940337A - 一种电池预充电电路及软启控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种电池预充电电路及软启控制方法，该预充电电路包括：直流平波电感、直流功率单元、直流软启回路、直流控制开关、直流母线电容、AC/DC功率单元、滤波电感、滤波电容、交流软启回路、交流控制开关等器件，预充电电路控制回路包括：电池电压采样电路、直流电流采样电路、交流母线电压采样电路、控制单元、交流电流采样电路、交流电压采样电路等。该方案预充电过程简单，能够快速切换至功率充电模式，且预充电电压可动态调节，可以实现对液流电池的0伏预充电，进而满足储能系统的正常运行需求。

Description

一种电池预充电电路及软启控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种电池预充电电路及软启控制方法。

背景技术

随着“碳达峰，碳中和”目标提出，我国能源结构调整加快，新能源对传统化石能源的逐步替代将是历史必然。我国拥有丰富的太阳能、风能资源，但它们具有间歇性、波动性等特点，另外在电力供给和需求方面也存在时间和空间上错配，主要表现为时间和区域上不平衡等现象。解决上述问题的重要途径就是储能技术，电化学储能具有效率高、响应快、不收地理环境限制等优点，适用于供给侧风光发电的平滑处理，也适用于需求侧的电能平衡。相比其他电化学储能技术，液流电池具有安全性高、循环寿命长等特点，特别适用于大规模储能电站。

液流电池是一种液相电化学储能装置，其活性物质完全溶解在电解液中，通过活性元素的氧化价态变化来实现能量的存储与释放，属于一种氧化还原电池。与传统电池相比，液流电池的初始电压接近0伏，单级DC/AC变流器无法直接并网运行，必须对电池进行预充电促使电池正负极活性元素的氧化价态(电位)发生相应变化，将电能转化为化学能，储存在电解质溶液中。因此，液流电池储能系统正常并网运行前需首先对电池进行预充电，当电池电压达到变流器的启动电压后，变流器才能正常工作。目前，针对液流电池的充电主要采用变压器降压充电和AC/DC+DC/DC两级电路进行预充电，该方法装置结构复杂且成本昂贵。

对于液流储能系统，通常有以下两种变流器预充电方案：

1)变流器降压预充方案。

该方案中变流器初始充电电路主要包括：变压器、不控整流单元+预充电阻、开关切换单元、功率单元；预充电过程分为初始充电模式和正常充电模式，其中，初始充电模式包括：不控整流阶段及功率转换阶段。充电过程为：开关切换单元切换至不控整流单元+预充电阻支路，通过该支路将电压预充至设定的第一阈值；开关切换单元切换至变压器相电压端口与功率单元连接，以相电压不控整流方式进入功率转换阶段，将电压充至设定的第二阈值；开关切换单元切换至变压器线电压端口与功率单元连接，转入正常充电模式，完成对电池的预充电。

缺陷：由于液流电池容量及电堆功率不定，电池的等效内阻不确定，不利于预充电阻选型设计；另外预充电过程牵涉到三次开关的切换，预充电过程复杂。

2)AC/DC+DC/DC预充方案。

该方案中变流器充电电路主要包括：AC/DC功率单元、开关切换单元、降压型DC/DC单元、电池电压采集单元；预充电过程分为初始充电模式和正常充电模式。充电过程为：开关切换单元将AC/DC单元和DC/DC单元连通，AC/DC将交流电转为直流电，DC/DC通过调整占空比对电池进行降压初始充电，当检测到电池电压满足AC/DC正常工作电压后开关切换单元将AC/DC单元和电池连通，转入正常充电模式，完成对电池的预充电。

缺陷：系统采用两级拓扑，考虑预充电时间，DC/DC功率等级应与AC/DC功率等级匹配，因此系统硬件成本高，不利于工程实施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池预充电电路及软启控制方法，用以解决变流器预充电过程复杂，以及系统硬件成本高不利于工程实施的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电池预充电电路，包括交流控制开关、交流端软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关、直流功率单元、采样单元和控制单元；AC/DC功率单元的交流端通过交流母线用于连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关，且交流端软启回路与交流控制开关并联；AC/DC功率单元的直流端通过直流母线用于连接电池；直流母线上串设有直流控制开关和直流功率单元；采样单元用于采集交流母线电压、直流功率单元输出端的直流电流和电池电压，并与控制单元连接，以将采集的数据发送给控制单元；控制单元控制连接交流控制开关、交流软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关和直流功率单元，用于采用如下方法进行电池的软启：

(1)启动软启，闭合电池预充电路中的交流软启回路，当采集的交流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时，使交流电网与AC/DC功率单元连通，并断开交流软启回路；

(2)闭合直流控制开关，控制开启AC/DC功率单元的控制脉冲，使AC/DC功率单元进入恒压充电模式；恒压充电模式中，在直流功率单元输出端的直流电流值小于或等于直流电流保护设定阈值的情况下，控制直流功率单元的控制脉宽逐渐增大，以完成电池预充启动；

(3)当电池电压值大于或等于变流器并网运行电压设定阈值时，使AC/DC功率切换为恒功率充电模式；恒功率充电模式中，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，完成对电池的预充电。

有益效果为：在变流器启动过程中，设置软启回路，避免对电池有过大的冲击电流损害电池，分为恒压和恒功率充电模式，能够快速切换至功率充电模式，且预充电电压可动态调节，预充过程简单使成本降低，实现了对液流电池的0伏预充电，满足储能系统的正常运行需求。

进一步地，预充电电路还包括直流软启回路，与直流控制开关并联。

有益效果为：直流控制开关两端并联有直流软启回路，避免冲击电流对电池的损害。

进一步地，LC滤波电路设置在交流控制开关和AC/DC功率单元之间的交流母线上。

有益效果为：LC滤波电路可以有效滤除杂波和干扰信号。

进一步地，预充电电路还包括直流平波电感，直流平波电感串设在直流功率单元和电池之间的直流母线上。

有益效果为：直流平波电感可以有效限制电流并滤除杂波。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电池预充电电路的软启控制方法，包括如下步骤：

(1)启动软启，闭合电池预充电路中的交流软启回路，当采集的交流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时，使交流电网与AC/DC功率单元连通，并断开交流软启回路；

(2)闭合直流控制开关，控制开启AC/DC功率单元的控制脉冲，使AC/DC功率单元进入恒压充电模式；恒压充电模式中，在直流功率单元输出端的直流电流值小于或等于直流电流保护设定阈值的情况下，控制直流功率单元的控制脉宽逐渐增大，以完成电池预充启动；

(3)当电池电压值大于或等于变流器并网运行电压设定阈值时，使AC/DC功率切换为恒功率充电模式；恒功率充电模式中，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，完成对电池的预充电；

其中，变流器并网运行电压设定阈值小于充电截止电压设定阈值；电池预充电路包括交流控制开关、交流端软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关和直流功率单元；AC/DC功率单元的交流端通过交流母线用于连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关，且交流端软启回路与交流控制开关并联；AC/DC功率单元的直流端通过直流母线用于连接电池，直流母线上串设有直流控制开关和直流功率单元。

有益效果为：在变流器启动过程中，设置软启回路，避免对电池有过大的冲击电流损害电池，分为恒压和恒功率充电模式，能够快速切换至功率充电模式，且预充电电压可动态调节，预充过程简单使成本降低，实现了对液流电池的0伏预充电，满足储能系统的正常运行需求。

进一步地，启动软启后，当采集的交流母线电压值小于软启电压设定阈值时，断开交流软启回路，退出软启过程。

有益效果为：软启退出启动以便及时提醒软启过程异常。

进一步地，在控制直流功率单元的脉宽逐渐增大的过程中，当检测到直流电流值大于直流电流保护设定阈值时，立即关闭直流功率单元的控制脉冲，停止预充电。

有益效果为：直流电流大于保护设定值退出预充电，避免大电流对电池的损坏。

进一步地，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，需闭锁直流功率单元和AC/DC功率单元的控制脉冲，使AC/DC功率单元转为热备状态。

有益效果为：电池电压若大于等于充电截止电压设定阈值完成预充电，变流器转为热备状态以便下次启动冲电过程。

进一步地，恒功率充电模式中AC/DC功率单元的充电功率是可调整的。

有益效果为：电池电压可以在线调整充电模式，便于对充电功率在线调节。

附图说明

图1是本发明的预充电路原理图；

图2是本发明的预充电控制逻辑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

电池预充电电路的实施例：

本实施例的电池预充电路应用于液流电池，如图1所示，该电路包括直流平波电感、直流功率单元、直流软启回路、直流控制开关、直流母线电容、AC/DC功率单元(也称为变流器)、滤波电感、滤波电容、交流软启回路、交流控制开关、采样单元和控制单元等器件。其中AC/DC功率单元的交流端通过交流母线连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关(本实施例中为交流断路器)，且交流母线上还设置有LC滤波电路(由图1中的交流滤波电感和交流滤波容组成)，且交流端软启回路与交流断路器并联；AC/DC功率单元的直流端通过直流母线连接液流电池，直流母线上设置有直流控制开关(本实施中为直流断路器)、直流功率单元和直流平波电感，直流母线电容与AC/DC功率单元的直流端并联，直流软启回路与直流断路器并联。充电电流依次通过交流断路器、交流滤波电容、交流滤波电感、AC/DC功率单元、直流母线电容、直流控制开关和直流平波电感至液流电池。

电池预充电电路的采样单元包括：电池电压采样电路、直流电流采样电路、交流母线电压采样电路、直流母线电压采样、交流电流采样电路、交流电压采样电路等，设置的位置如图1所示。

其中，直流平波电感用于限流及滤除高频纹波；直流功率单元用于电压调节及短路快速保护；AC/DC功率单元用于交直流转换；交流滤波电感和交流滤波电容主要用于滤除交流高频纹波。

交流母线电压采样电路用于采样交流母线电压并将交流母线电压值传递给控制单元；直流母线电压采样电路用于采样直流母线电压并将直流母线电压值传递给控制单元；直流电流采样电路用于采样直流电流并将直流电流值传递给控制单元；电池电压采样电路用于采样电池电压并将电池电压值传递给控制单元；控制单元控制连接交流控制开关、交流软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关和直流功率单元。

如图2所示，具体实现软启的控制流程如下：

1)变流器接收到预充电启动命令后闭合交流软启回路，当采集的直流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时闭合交流断路器，交流断路器闭合之后断开交流软启回路；当采集的直流母线电压值小于软启电压设定阈值时断开交流软启回路，退出启动过程。

2)闭合直流断路器，控制单元开启AC/DC功率单元的PWM脉冲，将母线电容电压控制到恒压设定值，使变流器进入恒压充电模式。

3)控制单元控制直流功率单元的脉宽从0逐渐增大至1，在该过程中实时检测直流功率单元输出端的直流电流值，当检测到直流电流值大于或等于直流电流保护设定阈值时立即关闭直流功率单元控制脉冲，停止预充电过程；当直流电流值小于直流电流保护设定阈值时，逐步将直流功率单元控制脉宽增大至1，此时变流器对液流电流通过AC/DC功率单元进行大功率充电，预充电过程启动完成。

4)随着充电时间的增长，液流电池电压逐渐抬升，当控制单元检测到电池电压大于或等于变流器并网运行电压设定阈值后，将运行模式从恒压充电模式切换至恒功率充电模式，切换至恒功率充电模式后变流器可根据需求调整变流器充电功率，并根据恒功率充电指令完成液流电池的充电过程。

5)当控制单元检测到电池电压达到设定的充电截止电压设定阈值后，闭锁直流功率单元和AC/DC功率单元脉冲，变流器转为热备状态，完成对液流电池的预充电，若检测电池电压值小于变流器并网运行的电压值，继续进行恒压模式充电。

具体的，当软启电阻投入时会对直流母线电容进行充电，若检测到直流母线电压大于软启电压设定阈值则认为软启正常会执行后续启动流程，否则的话认为软启回路异常则会退出启动流程。

本发明的预充电电路拓扑结构简单、预充电过程控制易于实现，在变流器启动过程中，对电池无冲击电流，能够快速启动转入大功率充电模式，且预充电电压可动态调节，匹配不同厂家电池的充电需求。另外，根据电池电压可以在线调整充电模式，便于对充电功率在线调节。

电池预充电电路的软启控制方法的实施例：

如图1所示，该电路包括直流平波电感、直流功率单元、直流软启回路、直流控制开关、直流母线电容、AC/DC功率单元(也称为变流器)、滤波电感、滤波电容、交流软启回路、交流控制开关、采样单元和控制单元等器件。其中AC/DC功率单元的交流端通过交流母线连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关(本实施例中为交流断路器)，且交流母线上还设置有LC滤波电路(由图1中的交流滤波电感和交流滤波容组成)，且交流端软启回路与交流断路器并联；AC/DC功率单元的直流端通过直流母线连接液流电池，直流母线上设置有直流控制开关(本实施中为直流断路器)、直流功率单元和直流平波电感，直流母线电容与AC/DC功率单元的直流端并联，直流软启回路与直流断路器并联。充电电流依次通过交流断路器、交流滤波电容、交流滤波电感、AC/DC功率单元、直流母线电容、直流控制开关和直流平波电感至液流电池。

电池预充电电路的采样单元包括：电池电压采样电路、直流电流采样电路、交流母线电压采样电路、直流母线电压采样、交流电流采样电路、交流电压采样电路等，设置的位置如图1所示。

具体控制流程已在电池预充电电路的实施例中说明，这里不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电池预充电电路，其特征在于，包括交流控制开关、交流端软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关、直流功率单元、采样单元和控制单元；AC/DC功率单元的交流端通过交流母线用于连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关，且交流端软启回路与交流控制开关并联；AC/DC功率单元的直流端通过直流母线用于连接电池；直流母线上串设有直流控制开关和直流功率单元；采样单元用于采集交流母线电压、直流功率单元输出端的直流电流和电池电压，并与控制单元连接，以将采集的数据发送给控制单元；控制单元控制连接交流控制开关、交流软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关和直流功率单元，用于采用如下方法进行电池的软启：

(1)启动软启，闭合电池预充电路中的交流软启回路，当采集的交流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时，使交流电网与AC/DC功率单元连通，并断开交流软启回路；

(2)闭合直流控制开关，控制开启AC/DC功率单元的控制脉冲，使AC/DC功率单元进入恒压充电模式；恒压充电模式中，在直流功率单元输出端的直流电流值小于或等于直流电流保护设定阈值的情况下，控制直流功率单元的控制脉宽逐渐增大，以完成电池预充启动；

(3)当电池电压值大于或等于变流器并网运行电压设定阈值时，使AC/DC功率切换为恒功率充电模式；恒功率充电模式中，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，完成对电池的预充电。

2.根据权利要求1所述的电池预充电电路，其特征在于，所述预充电电路还包括直流软启回路，与直流控制开关并联。

3.根据权利要求1所述的电池预充电电路，其特征在于，所述预充电电路还包括LC滤波电路，所述LC滤波电路设置在交流控制开关和AC/DC功率单元之间的交流母线上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电池预充电电路，其特征在于，所述预充电电路还包括直流平波电感，直流平波电感串设在直流功率单元和电池之间的直流母线上。

5.一种电池预充电电路的软启控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)启动软启，闭合电池预充电路中的交流软启回路，当采集的交流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时，使交流电网与AC/DC功率单元连通，并断开交流软启回路；

(2)闭合直流控制开关，控制开启AC/DC功率单元的控制脉冲，使AC/DC功率单元进入恒压充电模式；恒压充电模式中，在直流功率单元输出端的直流电流值小于或等于直流电流保护设定阈值的情况下，控制直流功率单元的控制脉宽逐渐增大，以完成电池预充启动；

(3)当电池电压值大于或等于变流器并网运行电压设定阈值时，使AC/DC功率切换为恒功率充电模式；恒功率充电模式中，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，完成对电池的预充电；

其中，变流器并网运行电压设定阈值小于充电截止电压设定阈值；电池预充电路包括交流控制开关、交流端软启回路、AC/DC功率单元、直流控制开关和直流功率单元；AC/DC功率单元的交流端通过交流母线用于连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关，且交流端软启回路与交流控制开关并联；AC/DC功率单元的直流端通过直流母线用于连接电池，直流母线上串设有直流控制开关和直流功率单元。

6.根据权利要求5所述的电池预充电电路的软启控制方法，其特征在于，启动软启后，当采集的交流母线电压值小于软启电压设定阈值时，断开交流软启回路，退出软启过程。

7.根据权利要求5所述的电池预充电电路的软启控制方法，其特征在于，在控制直流功率单元的脉宽逐渐增大的过程中，当检测到所述直流电流值大于直流电流保护设定阈值时，立即关闭直流功率单元的控制脉冲，停止预充电。

8.根据权利要求5所述的电池预充电电路的软启控制方法，其特征在于，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，需闭锁直流功率单元和AC/DC功率单元的控制脉冲，使AC/DC功率单元转为热备状态。

9.根据权利要求5-8任一项所述的电池预充电电路的软启控制方法，其特征在于，恒功率充电模式中AC/DC功率单元的充电功率是可调整的。

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