CN219659447U - 钒流电池和锂电池混合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的钒流电池和锂电池混合系统，包括钒流电池、锂电池和直流母线，锂电池连接有两个单向DC/DC变换器，钒流电池连接有一个双向DC/DC变换器，所有单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器并联后与直流母线连接，直流母线上还连接有源和负载。本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统，充分发挥钒流电池环保、高寿命、大容量等优势，同时为了弥补钒流电池动态切换和响应时间相对慢的劣势，利用锂电池动态优越的特点，优劣互补，利用单向和双向宽范围DC/DC变换器并联，达到环保、长寿命、高可靠性、动态响应快速等综合优势。

Description

钒流电池和锂电池混合系统

技术领域

本实用新型属于电力电子技术和微网储能技术领域，具体涉及钒流电池和锂电池混合系统。

背景技术

目前微网储能系统中，储能电池是不可缺少的重要组件，通过电池的充放电管理和运行，起到削峰填谷、并离网运行等作用。常规的微网储能系统，除了储能电池外，绿色能源如光伏系统、交流AC/DC系统也必不可少。

常用的储能电池类型如铅酸电池、锂电池如三元锂、铁锂等比较常用，目前储能领域，锂电池和钒硫电池两种电池各有应用场景，锂电池一般应用在小型微网储能系统，动态调节能力强；钒流电池一般用于大型储能系统，安全可靠、寿命长。目前储能系统的拓扑和架构，电池直接接PCS逆变器母线或通过双向DC/DC连接母线，直流母线可接入光伏、PCS逆变器以及其他直流负载等。专利文献1《一种大型液流电池储能系统及储能系统的直流变换装置》(公开号：CN216981520U，公开日：2022-07-15)提出了大型液流电池储能系统，其特征如电堆集装箱、直流变换装置、变流器、液流罐及变压器分区布设，还包括DC/DC、AC/DC等常规变换器，是一种常规的系统，特点在于分组布置。专利文献2《铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法》(公开号：CN115241862A，公开日：2022-10-25)提出的铝空燃料电池(外特性类似光伏)与储能铁锂电池、逆变器组成储能系统，利用相关的调度策略给铁锂电池充放电以及负载供电等，调度策略也比较常规。

以上方案都是从锂电池或钒流电池单独配置出发，构建出一套微网储能系统，配合相关的调度和运行策略，实现相应的储能和能量调度目标。虽然各有特色，但基本上都是针对单一电池类型构建，较难避免各自劣势的不利影响。虽然锂电池系列在能量密度大、体积小、动态好具有一定的优势，但是劣势也非常明显，如寿命短、不环保等。相比锂电池，钒流电池的最新技术发展，使得钒流电池在储能应用的优势越实用新型显，如寿命长、环保、容量大、安全等，劣势也比较突出如体积大、动态切换响应时间长，通常为20ms，还需额外供电给循环泵启动使得电解液循环，对于特殊的动态要求、稳定性较高的场合，若钒流电池无法短时提供或释放能量，将可能导致能量无法吸收或提供使得直流母线超出正常运行范围，进一步导致系统振荡、停机甚至烧坏直流系统相关设备。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种钒流电池和锂电池混合系统，具有动态调节能力强、安全可靠的特点。

本实用新型所采用的技术方案是，钒流电池和锂电池混合系统，包括钒流电池、锂电池和直流母线，锂电池连接有两个单向DC/DC变换器，钒流电池连接有一个双向DC/DC变换器，所有单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器并联后与直流母线连接，直流母线上还连接有源和负载。

本实用新型的特点还在于：

单向DC/DC变换器包括第一单向DC/DC变换器和第二单向DC/DC变换器，第一单向DC/DC变换器为放电变换器，第二单向DC/DC变换器为充电变换器，第二单向DC/DC变换器内还设置有用于控制母线侧的电压上限阈值的控制器，第一单向DC/DC变换器内还设置有用于控制锂电池侧电压下限阈值的控制器。

控制器均为PI控制器。

源为用于给直流母线提供能量和电流的绿色清洁能源。

绿色清洁能源包括若干组光伏系统，光伏系统均连接有光伏优化器，所有光伏优化器并联后与直流母线连接，光伏系统由若干并联或串联的光伏组件组成。

直流母线还连接有并离网逆变器，并离网逆变器与负载并联设置。

并离网逆变器为并离网逆变器PCS。

钒流电池容量大于锂电池容量。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统，基于钒流电池和锂电池的混合并联系统DC/DC连接关系与控制目标，结构简单，设置灵活，可靠性高；

(2)本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统，钒流电池系统和锂电池系统并联后还可以与外围的光伏系统、并离网逆变器系统和负载组成整个微网储能系统，充分发挥钒流电池和锂电池各自优势，优势互补，整体性能较好；

(3)本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统，通过钒流电池和锂电池的混合并联系统的各自单向和双向DC/DC环路控制与运行策略，兼顾容量和动态调节优势，保证直流母线电压范围可控，稳定性强。

附图说明

图1是本实用新型钒流电池和锂电池混合系统的结构示意图；

图2是图1中第二单向DC/DC变换器的控制环路示意图；

图3是图1中第一单向DC/DC变换器的控制环路示意图；

图4是本实用新型钒流电池和锂电池混合系统中环路电流幅值时间限制示意图；

图5是本实用新型钒流电池和锂电池混合系统中实施例的结构示意图；

图6是本实用新型图5中光伏DC/DC变换器的控制流程图；

图7是本实用新型图5中锂电池SOC管理策略。

图中，1.源，2.直流母线，3.第一单向DC/DC变换器，4.第二单向DC/DC变换器，5.锂电池，6.钒流电池，7.双向DC/DC变换器，8.负载，9.光伏系统，10.光伏优化器，11.直流负载，12.并离网逆变器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统，结构如图1所示，钒流电池6系统和锂电池5系统混合并联在直流母线2上，直流母线2上除了混合并联系统外，还接入其他类型的设备，可分成两种分别为源1和负载8。源1为给直流母线2提供能量和电流Idc的绿色清洁能源设备，负载8为消耗能量或电流Io的设备。

绿色清洁能源设备为光伏系统9或风力系统。

如图5所示，源1包括若干组光伏系统9，光伏系统9由若干并联或串联的光伏组件组成，光伏系统9通过光伏优化器10并联在直流母线2上，直流母线2上同时挂有其他直流负载11，同时挂有与交流电网交互的并离网逆变器12，并离网逆变器12连接外部电网，直流负载11和并离网逆变器12并联设置。钒流电池6容量大于锂电池5容量。

钒流电池6系统需要电解液的循环装置使得电解液在电池系统循环才能正常运转工作，运行前需要额外的交流供电，要么从电网取电，如果离网系统需要配置额外的离网逆变器从备用电池等源启动供电，必须有备用电池提供能量来源，光伏正常也可以，晚上或阴雨不可控，对于供电M为电解液泵电机，其供电为三相交流电压，也可以单相供电，取决于电机类型。

如图1所示，钒流电池6通过双向DC/DC变换器7与直流母线2连接，双向DC/DC变换器7可工作在充电、放电和电流自由切换模式。钒流电池6的端口电压为V1，电流为I1，规定正方向如图1所示，正方向只是表示电流的方便，正代表箭头方向，负代表箭头反方向。双向DC/DC变换器7母线侧输出电压为Vdc，电流为Idc1。

锂电池5系统中，锂电池5为一组共用的电池组，锂电池5通过两个单向DC/DC系统分别与直流母线2连接，锂电池5端口电压为V2。第一单向DC/DC变换器3内还设置有用于控制锂电池侧电压下限阈值的控制器，第一单向DC/DC变换器3为放电变换器，能量只能从电池流向母线，其输入电流I3，输出电流Idc3；第二单向DC/DC变换器4内还设置有用于控制母线侧的电压上限阈值的控制器，第二单向DC/DC变换器4为充电变换器，能量只能从母线流向电池，输入电流Idc3，输出电流I2。

钒流电池6容量占比远大于锂电池5系统容量，维持正常充放电储能需要；单向变换器正常运行容量远小于钒流电池6系统，但是可短时运行过功率状态，支撑直流母线2，过功率状态指电流瞬态要求，无散热要求。

图1中的单向或双向变换器，根据系统需要配置相关参数的变换器，升压、降压或升降压等，其拓扑可能不尽一样，若隔离需求需采用隔离DC/DC。

第二单向DC/DC变换器4的一般拓扑为Buck、Boost或四管Buck/Boost，若需隔离增加隔离变换器，其对外特性控制均相似，一般为端口外环加电流内环结构。第二单向DC/DC变换器4的控制环路主要部分如图2所示，其中对于充电模块控制，常见电流内环和发波，外环为端口电流环或端口限压环，图2为端口电流环和端口电压环双环竞争取小。充电时，电池电压和电池充电电流都受控在给定，V2*为最高电池电压，V2一般小于V2*，电压环输出正饱和状态IL_max，具体充电电流由I2*给定控制。

第二单向DC/DC变换器4在正常的充电状态控制的基础上，增加母线侧的电压上限阈值控制环路，直流电压环均为一般的PI控制器，或其他控制器，Vdc*给定母线上限阈值，-1代表差值取反，也就是Vdc-Vdc*送入控制器计算，一般情况下差值小0，控制负向饱和，限幅值为I_min和I_max。当I_min小于0时，变换器停止工作，大于0时，以I_min电流内环运行充电状态。I_min与I2可能相同也可能不同，取决于拓扑结构。

当母线Vdc大于给定后，限压环路迅速启动，调节I_ref迅速增大，给锂电池快速充电维持母线电压或减缓母线上升速度，起到试图稳定直流母线作用，能力范围内能稳定母线阈值，范围为起到减缓电压动态量的作用，Ic为稳态。

如图3所示，第一单向DC/DC变换器3控制结构与图2一样，给定和限幅不同。正常情况下，电池电压V2大于电池最低阈值给定电压V2*，差取反后送控制调节，正向调节使得输出电流给定Iref1为I_max。Vdc大于最低阈值给定电压，误差后送控制调节，负向调节使得输出电流给定Iref1为I_min。I_min若小于0，停止电流输出，大于0以I_min内环电流持续运行，给电池放电。

一旦母线电压Vdc持续下降小于给定限制，电压环正向调节电流使得I_ref2增大，电池迅速放电支撑母线。Idc3端口电流控制能让端口电流控制更加精确。环路运行过程中电流与时间的关系曲线如图4所示，持续运行时间越大允许的电流越大，若运行过程中电流变化，按照平均计算。

本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统的工作原理为：

锂电池5通过放电的第一单向DC/DC变换器3给直流母线2提供能量，一旦系统正常运转后，外部的源和负载处于实时变化之中，特别是直流母线2上挂相关的不可控负载，源1若为光伏系统9其能量也随着天气等情况实时调节。当源1和负载8之间不匹配时，必然出现直流母线2电压的波动甚至失控，其维持能量平衡稳压作用的基本装置为大型钒流电池6储能装置，但是钒流电池6的容量虽大能长期储能，但是其充电和放电的转换时间和响应较慢，其瞬态负载的变化，使得无法保持母线的合理范围和平稳性。采用快速的锂电池5配置系统，既能充电也能放电，锂电池5的快速动态性能又较好完全能适应负载动态需求。但是锂电池其缺点不能大容量使用，若不能大容量则对于负载动态调节能力非常有限，也无法起到真正的调节作用。钒流电池的动态调节时间典型如20ms，因此在20ms甚至更长时间上吸收能量，等待钒流电池6正常调节完成后，自动停止运行，就是一种相对经济、性能较好的系统运行策略。

钒流电池和锂电池混合系统的运行策略如下：

步骤1、设置直流母线2电压波动幅值预设范围；

步骤2、启动钒流电池和锂电池混合系统，若外部电网正常，则外部电网启动直流母线2，钒流电池6运行，直至直流母线2电压波动幅值处于预设范围；若外部电网不正常，则锂电池5工作，为直流母线2充电，同时钒流电池6系统启动，直至直流母线2电压波动幅值处于预设范围；

直流母线2电压波动幅值处于预设范围时，钒流电池6按照既定的充放电策略运行维持正常充放电储能需要，稳定直流母线2电压，锂电池5待机。

步骤3、当源1和负载8功率失去平衡，且钒流电池6系统在短时内未能调节，使得直流母线2电压波动幅值持续超出预设范围时，锂电池5系统快速响应，通过两个单向DC/DC变换器支撑直流母线2，短时提供过功率充电或放电能量，稳定最高电压或最低电压，在锂电池5调节动态过冲或下降过程中，钒流电池6系统也在按照既定的充放电策略运行调节充放电过程，并逐步承担调节主要力量，锂电池5系统逐步降低调节能力，直至维持直流母线2电压波动幅值稳定在预设范围内后，此时锂电池5调节自动降低到最小状态。最小状态为两个单向DC/DC变换器都维持到最小给定的电流值上，一般为0，待机运行；若特殊需要充电或放电时，通过修正电流给定值实现充电或放电。

锂电池5系统快速响应具体为：若负载8突加或源1功率突然减少，幅值小于直流母线2电压波动预设范围后，第一单向DC/DC变换器3自动运行在维持最低限制电压状态，给直流母线2短时提供能量；若负载突减或源功率突然增多，幅值大于预设范围后，第二单向DC/DC变换器4自动运行在维持最高限制电压状态，给锂电池5充电达到直流母线2短时释放能量。

锂电池5系统快速响应，短时提供过功率充电和放电能量，维持直流母线2正常范围，若根据电流或功率超额情况，即直流母线2电压波动幅值持续在预设范围之外，则锂电池5动态按照最低电流调节能力调节，电流/功率与时间关系如图4所示。

最低调节能力是指的以I_c电流充电或放电，以上状态中本来是以最大电流输出，时间长了为了降低热风险，主动的降低调节能力的一种保护性行为。

实施例

如图5所示，源1为光伏系统9，光伏系统9包括多个并联的光伏组件，两个光伏系统9通过光伏优化器10并联在直流母线2上，直流母线2上并联有钒流电池6系统和锂电池5系统，同时挂有其他直流负载11，同时挂有与交流电网交互的并离网逆变器12，并离网逆变器12为并离网逆变器PCS。并离网逆变器12连接外部电网，直流负载11和并离网逆变器12并联设置。钒流电池6容量大于锂电池5容量。锂电池5通过两个单向DC/DC系统分别与直流母线2连接，第一单向DC/DC变换器3内还设置有用于控制锂电池侧电压下限阈值的控制器，第一单向DC/DC变换器3为放电变换器，第二单向DC/DC变换器4内还设置有用于控制母线侧的电压上限阈值的控制器，第二单向DC/DC变换器4为充电变换器，钒流电池6通过双向DC/DC变换器7与直流母线2连接。

其基本运行策略为：

1)并网时，电网正常，交流电网启动直流母线2，钒流电池6系统启动，与并离网逆变器PCS一起稳定直流母线2电压，光伏系统9正常发电并网或储能；锂电池5系统一般情况下待机。

并网工况只是增加了一个双向的ACDC设备，可充当源也可以负载。

2)离网状态，锂电池5工作，为直流母线2充电，钒流电池6系统启动，直流母线2电压波动幅值稳定到预设范围后，锂电池5待机运行，钒流电池6运行维持正常充放电储能需要。

离网逆变器从直流母线2取电输出交流电给钒流电池6提供运行的基本条件，将循环用的泵供电运转起来，并不直接参与其控制。

3)如果运行状态，光伏或负载8突变，直流母线2电压波动，超出预设范围后，单向锂电池5系统自动选择单个变换器工作，稳定最高电压或最低电压，维持直流母线2电压波动幅值稳定；

4)锂电池5系统短时参与稳定直流，在一定时间内按照限流时间曲线运行，钒流电池6系统的调节能力起作用，会使得锂电池5系统逐步降低调节能力，直到自动停止工作。若超出锂电池5电流时间曲线，则锂电池5按照最低电流调节能力调节。锂电池5容量一般与钒流电池6容量比约为1:10，具体由系统需要和变换器能力决定。

5)光伏系统9的光伏优化器10为DC/DC隔离变换器，一般工作在最大功率点追踪MPPT状态，不负责直流母线2调节，如果后续调节能力不足，直流母线2电压持续增加，需提供自动电压限制功能，环路如图6所示。限压值小于锂电池5最高母线限压值，减小后续调节压力，也可以大于一定值。

6)电池电量管理策略：如图7所示，按照上述的锂电池5参与直流母线2稳定策略，一般电池容量正常情况都能稳定运行，但是若充电能量持续大于放电能量，锂电池5电压或SOC将持续增加，反之亦然。因此，需要根据电池SOC或折算的电压进行必要的能量调度管理。例如以SOC_0为50％为中心值，SOC_max为最高容量例如70％，SOC_min为最高容量例如30％，当SOC低于SOC_min时，启动充电参数设置，处于充电状态则总体上充电为主，当大于SOC_0停止充电状态；反之，若大于SOC_max启动持续放电参数设置，小于SOC_0停止充电状态；若介于上下限制范围内，不启动持续充电参数设置。

7)持续充放电参数设置：持续充电时只需将图2的第二单向DC/DC变换器4控制环路I_min从正常0-改成大于0A的任意值，持续放电时只需将图3的第一单向DC/DC变换器3控制环路I_min从正常0-改成大于0A的任意值。改成大于0A以上时，在正常工况下，图2中最高限压环外的其他环路均正饱和，如果母线限压环设置到0A以上，则按照预设电流持续充电，若需要快速充电能力，充电电流大于I_min还处于充电状态，相当于规定了最小的充电电流。图3的放电环路也有同样的效果。

本实用新型的钒流电池和锂电池混合系统，钒流电池和锂电池混合并联工作，充分发挥钒流电池环保、高寿命、大容量等优势，同时为了弥补钒流电池动态切换和响应时间相对慢的劣势，利用锂电池动态优越的特点，优劣互补，利用单向和双向宽范围DC/DC变换器并联，通过相关的环路控制和参数设置以及电池管理策略，达到环保、长寿命、高可靠性、动态响应快速等综合优势。该方案简单容易实施，控制简单可靠。

Claims (8)

1.钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，包括钒流电池(6)、锂电池(5)和直流母线(2)，所述锂电池(5)连接有两个单向DC/DC变换器，所述钒流电池(6)连接有一个双向DC/DC变换器(7)，所有单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器(7)并联后与所述直流母线(2)连接，所述直流母线(2)上还连接有源(1)和负载(8)。

2.根据权利要求1所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述单向DC/DC变换器包括第一单向DC/DC变换器(3)和第二单向DC/DC变换器(4)，第一单向DC/DC变换器(3)为放电变换器，第二单向DC/DC变换器(4)为充电变换器，第二单向DC/DC变换器(4)内还设置有用于控制母线侧的电压上限阈值的控制器，第一单向DC/DC变换器(3)内还设置有用于控制锂电池侧电压下限阈值的控制器。

3.根据权利要求2所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述控制器均为PI控制器。

4.根据权利要求1所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述源(1)为用于给直流母线(2)提供能量和电流的绿色清洁能源。

5.根据权利要求4所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述绿色清洁能源包括若干组光伏系统(9)，所述光伏系统(9)均连接有光伏优化器(10)，所有所述光伏优化器(10)并联后与所述直流母线(2)连接，所述光伏系统(9)由若干并联或串联的光伏组件组成。

6.根据权利要求5所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述直流母线(2)还连接有并离网逆变器(12)，所述并离网逆变器(12)与所述负载(8)并联设置。

7.根据权利要求6所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述并离网逆变器(12)为并离网逆变器PCS。

8.根据权利要求1所述的钒流电池和锂电池混合系统，其特征在于，所述钒流电池(6)容量大于所述锂电池(5)容量。