CN202217040U

CN202217040U - 液流电池模拟器

Info

Publication number: CN202217040U
Application number: CN2011202247636U
Authority: CN
Inventors: 陆继明; 谢俊文; 王丹; 毛承雄; 易杨; 易长松
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-06-29

Abstract

本实用新型涉及一种液流电池模拟器，主要包括三相电压型PWM整流器、IGBT驱动电路、微处理器和电流电压测量电路，三相电压型PWM整流器的三个交流输入端分别连接可调电抗器后再一起连接三相交流接触器，三相交流接触器通过三相隔离变压器连接三相可调变压器的三个输出端，三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有三组切换电路。本实用新型采用双闭环控制策略来实现对真实液流电池的工作特性的模拟，整个装置结构简单、使用方便，在电力系统和大容量储能电池研究和实验中具有实用价值。

Description

液流电池模拟器

技术领域

本实用新型涉及大容量储能电池领域，具体涉及一种液流电池模拟器，用以模拟真实的液流电池的工作特性。

背景技术

液流电池是新型的大容量储能电池，其中使用比较广泛的是全矾氧化液流电池。目前对液流电池的研究尚处于起步阶段，有关液流电池在电力系统中的应用的研究也并不常见。由于液流电池的成本比较高、对其特性的研究还不够成熟，在实际的电力系统的研究和实验中如果采用真实的液流电池储能设备，会产生较高的实验、维护成本，并且受到场地、环境等因素的影响。因此很有必要研发低成本的液流电池模拟器，用以模拟真实的液流电池的工作特性，使之能够广泛应用于电力系统的实验与研究中。

目前市面上尚没有液流电池模拟器，而已经研发出来的光伏电池模拟器一般是以不控整流电路和DC/DC变换器为拓扑电路，能量无法双向流动，故无法模拟液流电池的外特性。根据已有的研究资料和文献可知，液流电池的工作特性与其直流输出电压、直流输出电流和荷电状态(SOC)有关系，在不同的直流输出电流和荷电状态(SOC)下，其直流输出电压不同。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、使用方便、模拟电压等级可调的液流电池模拟器，能实现对真实的液流电池的工作特性的模拟，通过本实用新型可以很好的观察液流电池运行时直流输出电流、直流输出电压和荷电状态(SOC)三者的关系。

一种液流电池模拟器，包括三相电压型PWM整流器H1，三相电压型PWM整流器的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路3、微处理器2和电流电压测量电路1，微处理器2连接人机界面4；三相电压型PWM整流器的三个交流输入端分别一对一连接可调电抗器L1、L2、L3后再一起连接三相交流接触器KM，三相交流接触器KM通过三相隔离变压器TM1连接三相可调变压器TU1的三个输出端，三相可调变压器TU1的三个输入端分别一对一连接交流快速熔断器FU1、FU2、FU3后再一起连接小型断路器QF1，三相电压型PWM整流器的三个交流输入端还分别一对一连接一个电容后再相接；三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有三组切换电路，切换电路由电容C4、C5、C6和连接片LP1、LP2、LP3串接构成。

进一步地，所述电流电压测量电路1包括三个分别连接在可调电抗器L1、L2、L3和三相交流接触器KM之间的交流电流传感器TA1、TA2、TA3、三个分别连接在三相隔离变压器TM1的三个输出端两两之间的交流电压传感器TV1、TV2、TV3、两个串接在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端的直流电流传感器TA4、TA5、一个连接在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间的直流电压传感器TV4。

进一步地，还在三相电压型PWM整流器的两个交流输入端之间接有交流电压表PV1，在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有直流电压表PV2，在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端串接有直流电流表PA1、分流器FL1和直流快速熔断器FU4。

本实用新型的技术效果体现在：本实用新型在现有的模拟器的基础上进行创新，可通过调节三相可调变压器来达到调节三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间的电压范围，使三相电压型PWM整流器的直流输出电压范围可以覆盖几十伏到几百伏不等。通过调节可调电抗器、改变切换电路以及控制IGBT的开通与关断，使液流电池模拟器在输出不同的电压等级时都能有良好的波形效果。其中，P点模拟液流电池的正极，N点模拟液流电池的负极，通过选取电压外环、电流内环的双闭环控制策略，可以达到P、N点之间的输出电压完全模拟真实的液流电池充电、放电输出外特性曲线的效果，提高其实用性。

附图说明

图1为本实用新型的电路示意图；

图2为本实用新型的实施例所模拟的工作特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述，但该实施方式不应理解为对本发明的限制。

参见图2，以单体串联级数为39的液流电池储能体为例，其直流输出电流Io，直流输出电压Vo和荷电状态(SOC)的关系曲线如图2。由图2可知，在荷电状态(SOC)为0.5、直流输出电流为-70A～70A时，直流输出电压的变化范围是47.5V～61.2V。根据三相电压型PWM整流器的工作原理可知，整流器输入线电压的有效值上限为28V。

参见图1，本实用新型在使用的时候在A、B、C三个端口接入380V的市电，可以调节三相可调变压器TU1的变比，使得隔离变压器TM1的输出线电压为28V。同时，可以调节可调电抗器L1、L2、L3使其电感值为0.2mH，通过投切连接片LP1、LP2、LP3，使得实际接入电路的电容为1000uF。通过这样调节电路参数可保证在47.5V～61.2V的电压等级内输出波形良好。

在液流电池模拟器启动前，可以通过人机界面设定初始的荷电状态(SOC)、模拟器的容量。当液流电池模拟器启动工作后，直流电流传感器TA4、TA5检测直流输出电流Io的值，直流电压传感器TV4检测直流输出电压Vo的值，交流电压传感器TV1、TV2、TV3检测交流侧的电压值，交流电流传感器TA1、TA2、TA3检测交流侧的电流值。此时，根据检测到的充电、放电电流值Io，以及设定的SOC值，微处理器将根据图2的曲面计算得到理论的输出电压V_ref。将V_ref作为参考电压，与实际直流电压传感器检测到的电压值Vo进行比较，得到偏差后通过负反馈送入电压外环PI控制器，得到电流内环的电流指令。同时为了方便控制器的设计，在电流内环采用前馈解耦控制策略，将交流电流传感器TA1、TA2、TA3检测到的交流侧的三相电流进行dq解耦变换。将电压外环的输出作为电流内环的电流指令，与实际的d轴电流和q轴电流进行比较，得到偏差后通过负反馈送入电流内环PI控制器，得到d轴和q轴调制电压。此调制电压送入到微处理器，由微处理器经过处理后产生PWM波。PWM波被送入到驱动电路，驱动电路产生脉冲信号直接驱动IGBT的开通与关断。由于PI控制器为无静差控制器，如果选取合理的控制参数，可以使得实际输出和给定没有偏差，从而使实际输出电压Vo跟踪参考电压V_ref。最后，微处理器将会根据当前的SOC、设定的容量、检测到的直流输出电流值Io以及直流输出电压Vo，来更新SOC值，并将此SOC值作为下一个周期的初始SOC值，然后微处理器开始下一个循环周期。

特别指出，三相电压型PWM整流器还可工作在逆变的状态。当液流电池模拟器处于逆变的工作状态时，可以通过交流电压传感器检测交流侧的并网电压值、逆变器输出频率等，只有符合并网条件后，微控制器才会向三相交流接触器KM发出合闸命令。

此外，所述液流电池模拟器还具有保护功能。当传感器检测到的电压、电流值过大，发生过压、过流故障时，将会采取相应的措施，例如停止向开关器件发生脉冲、接触器跳闸、熔断器熔断等。

上述实施方式是以单体串联级数为39的液流电池储能体为例，如果单体串联级数发生了变化，则需要重新调整三相可调变压器TU1的变比、可调电抗器L1、L2、L3的值以及切换电路的接入支路，便可以保证有较好的波形效果。除此之外，在不同的单体串联级数的情况下，其余的实现原理和方式和上述一致。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种液流电池模拟器，包括三相电压型PWM整流器(H1)，其特征在于，三相电压型PWM整流器的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路(3)、微处理器(2)和电流电压测量电路(1)，微处理器(2)连接人机界面(4)；三相电压型PWM整流器的三个交流输入端分别一对一连接可调电抗器(L1、L2、L3)后再一起连接三相交流接触器(KM)，三相交流接触器(KM)通过三相隔离变压器(TM1)连接三相可调变压器(TU1)的三个输出端，三相可调变压器(TU1)的三个输入端分别一对一连接交流快速熔断器(FU1、FU2、FU3)后再一起连接小型断路器(QF1)，三相电压型PWM整流器的三个交流输入端还分别一对一连接一电容后再相接；三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有三组切换电路，切换电路由电容(C4、C5、C6)和连接片(LP1、LP2、LP3)串接构成。

2.根据权利要求1所述的液流电池模拟器，其特征在于，所述电流电压测量电路(1)包括三个分别连接在可调电抗器(L1、L2、L3)和三相交流接触器(KM)之间的交流电流传感器(TA1、TA2、TA3)、三个分别连接在三相隔离变压器(TM1)的三个输出端两两之间的交流电压传感器(TV1、TV2、TV3)、两个串接在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端的直流电流传感器(TA4、TA5)、一个连接在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间的直流电压传感器(TV4)。

3.根据权利要求1或2所述的液流电池模拟器，其特征在于，还在三相电压型PWM整流器的两个交流输入端之间接有一个交流电压表(PV1)，在三相电压型PWM整流器的两个直流输出端之间接有直流电压表(PV2)，在三相电压型PWM整流器的一个直流输出端串接有直流电流表(PA1)、分流器(FL1)和直流快速熔断器(FU4)。