本發(fā)明屬于電池充放電控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的全釩液流電池充放電控制系統(tǒng)及其控制策略。

背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球氣候變暖、環(huán)境污染問題、傳統(tǒng)能源危機等現(xiàn)象日益嚴重，大力發(fā)展清潔能源、開發(fā)可再生能源的方略被提上議程。光伏、風(fēng)能等可再生能源具有波動性、隨機性和間歇性，對電網(wǎng)有沖擊，加上“棄風(fēng)、棄光”現(xiàn)象日趨嚴重，影響了可再生能源的利用和發(fā)展，因此亟需儲能系統(tǒng)來提高可再生能源的利用率，降低其對電網(wǎng)的沖擊。全釩液流電池(VanadiumRedoxBattery，簡稱VRB)是一種新型的化學(xué)儲能裝置，由電堆、正負極儲液罐、循環(huán)泵和控制系統(tǒng)組成。其中電堆由多個單體全釩液流電池串聯(lián)組成，單體電池是由電極、導(dǎo)流板、石墨氈電極、石墨導(dǎo)電板、離子隔膜組合而成的；正極電解液由V(V)和V(IV)離子溶液組成，負極電解液由V(III)和V(II)離子溶液組成；循環(huán)泵是整個系統(tǒng)的動力部分，完成電解液的運輸；控制系統(tǒng)的作用是為了完成全釩液流電池的充放電控制及保護。與常規(guī)的電化學(xué)電池比較，全釩液流電池具有系統(tǒng)設(shè)計靈活(功率、容量可單獨設(shè)計)、壽命長、安全可靠、對環(huán)境無污染等特點，非常適合大容量儲能系統(tǒng)。全釩液流電池能否合理地進行充放電直接影響著電池的性能、使用壽命和系統(tǒng)效率，電池的堆棧電壓反映了電池內(nèi)部真實的電量。文獻《VRBModelingfortheStudyofOutputTerminalVoltages，InternalLossesandPerformance》建立了全釩液流電池的等效電路模型，充放電時堆棧電壓連續(xù)變化，端電壓不連續(xù)，充電結(jié)束時堆棧電壓并沒有達到額定值。文獻(全釩液流電池模型及其充放電控制)根據(jù)全釩液流電池的荷電狀態(tài)SOC來控制直流變換器的工作模式，指出充放電電流越大，充電時的堆棧電壓越大，放電時的堆棧電壓越小，但充電結(jié)束時堆棧電壓沒有達到額定值。專利《一種含DC/DC變換器的全釩液流電池安全充放電控制方法》(專利號：201210524163.0)及文獻《含DC/DC變換器全釩液流電池儲能系統(tǒng)安全充放電策略》提出了內(nèi)環(huán)為VRB側(cè)電感平均電流控制，外環(huán)為恒功率、恒壓、涓流切換控制的DC/DC變換器雙閉環(huán)策略，該控制策略沒有考慮到全釩液流電池的堆棧電壓，且外環(huán)要根據(jù)條件切換，控制器復(fù)雜。因此，如何實現(xiàn)全釩液流電池堆棧電壓的估計，基于該堆棧電壓實現(xiàn)電池安全充放電控制，并提高充電速度具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為克服上述技術(shù)中存在的不足之處，提供一種基于三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的全釩液流電池充放電控制系統(tǒng)及其控制策略，以期能實現(xiàn)全釩液流電池的堆棧電壓的估計，并基于全釩液流電池的堆棧電壓實現(xiàn)電池的充放電控制，從而提高全釩液流電池的儲電能力，以及提高電池充電速度的同時，保證電池的安全。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明一種基于三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的全釩液流電池的充放電控制系統(tǒng)的特點包括：SOC控制器、電壓控制器、電流控制器、全釩液流電池、預(yù)估模塊和直流變換器；將所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref與全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC輸入到所述SOC控制器中進行計算，從而獲得堆棧電壓的給定值Vs-ref；將所述全釩液流電池的外部端電壓Ud與實際充放電電流Id輸入到所述預(yù)估模塊中，從而獲得堆棧電壓的估計值將堆棧電壓的給定值Vs-ref與堆棧電壓的估計值輸入到所述電壓控制器中進行計算，從而獲得充放電電流的給定值Id-ref；將充放電電流的給定值Id-ref與實際充放電電流Id輸入到所述電流控制器中進行計算，從而獲得控制電壓Uc并輸入到所述直流變換器中；以所述直流變換器的輸出電壓作為所述全釩液流電池的外部端電壓Ud，并對所述全釩液流電池進行充放電，從而獲得全釩液流電池的實際充放電電流Id；通過所述全釩液流電池的實際充放電電流Id獲得全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC；將所述全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC反饋至所述SOC控制器的輸入端，從而形成第一閉環(huán)結(jié)構(gòu)；將所述全釩液流電池的堆棧電壓的估計值反饋到所述電壓控制器的輸入端，從而形成第二閉環(huán)結(jié)構(gòu)；將所述全釩液流電池的實際充放電電流Id反饋到所述電流控制器的輸入端，從而形成第三閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明一種基于三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的全釩液流電池的充放電控制策略的特點是按如下步驟進行：步驟1：檢測全釩液流電池的外部端電壓Ud和實際充放電電流Id；步驟2：根據(jù)所述全釩液流電池的外部端電壓Ud和實際充放電電流Id進行計算，獲得全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC；步驟3：將所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref與所述全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC進行比例積分計算，從而獲得全釩液流電池的堆棧電壓的給定值Vs-ref；步驟4：根據(jù)所述全釩液流電池的外部端電壓Ud和實際充放電電流Id，利用式(1)獲得全釩液流電池的堆棧電壓的估計值式(1)中，Ip表示全釩液流電池的泵損；Zeq表示全釩液流電池的等效阻抗，并有：式(2)中，s表示復(fù)頻率；Rres表示全釩液流電池的質(zhì)子傳遞電阻、膜電阻、溶液電阻、電極電阻和雙極板電阻的總和；Rrea表示全釩液流電池中由反應(yīng)動力學(xué)引起的等效電阻；Rf表示全釩液流電池的寄生損耗；Ce表示全釩液流電池的電極電容；式(1)中，K(s)為全釩液流電池的堆棧電壓與端電壓的相關(guān)系數(shù)，并有：步驟5：將全釩液流電池的堆棧電壓的給定值Vs-ref與堆棧電壓的估計值進行比例積分計算，從而獲得全釩液流電池的充放電電流的給定值Id-ref；步驟6：將充放電電流的給定值Id-ref與充放電電流Id進行比例積分計算，從而獲得直流變換器的控制電壓Uc；步驟7：根據(jù)所述控制電壓Uc，利用式(4)獲得所述全釩液流電池的外部端電壓Ud：式(4)中，Ks表示直流變換器的放大系數(shù)；T表示直流變換器的開關(guān)頻率；步驟8：利用全釩液流電池的外部端電壓Ud對所述全釩液流電池進行充放電，從而獲得全釩液流電池的實際充放電電流Id；步驟9：重復(fù)循環(huán)步驟1-步驟8執(zhí)行，直到所述全釩液流電池完成充放電。本發(fā)明2所述的充放電控制策略的特點也在于：當(dāng)所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref大于所述全釩液流電池的荷電狀態(tài)SOC，則表示對所述全釩液流電池進行充電，反之，表示對所述全釩液流電池進行放電；當(dāng)所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref等于所述全釩液流電池的荷電狀態(tài)SOC，則表示完成所述全釩液流電池的充放電。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：1、本發(fā)明通過采用三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，恒壓、恒流和涓流三階段充電自動切換，不需要增加切換條件，控制器簡單，易于實現(xiàn)；2、本發(fā)明通過預(yù)估模塊估算全釩液流電池的堆棧電壓值，使得堆棧電壓可視化，在充放電過程中可監(jiān)視全釩液流電池的堆棧電壓值，防止了電池過充或者過放，保證了電池的安全；同時，預(yù)估得到堆棧電壓后可進行荷電狀態(tài)估計，解決了荷電狀態(tài)估計不準的難題，對電池管理系統(tǒng)的研究有一定的參考價值；3、本發(fā)明不同于傳統(tǒng)以全釩液流電池的端電壓為反饋的雙閉環(huán)控制策略，而是在第二閉環(huán)結(jié)構(gòu)中采用堆棧電壓作為反饋值，能夠讓堆棧電壓達到設(shè)定值，使得電池真正的充滿，充分利用電池，提高了電池的儲電能力；同時減少了充電時間，提高了充電速度；4、本發(fā)明第一閉環(huán)結(jié)構(gòu)中采用SOC控制器，可防止全釩液流電池的荷電狀態(tài)SOC超過保護值，保證了充放電過程中電池的安全；5、本發(fā)明第三閉環(huán)結(jié)構(gòu)中采用電流控制器，可防止全釩液流電池的充放電電流超過保護值，保證了充放電過程中電池的安全。附圖說明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中全釩液流電池等效電路模型圖；圖2為本發(fā)明全釩液流電池三閉環(huán)控制圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例中，一種基于三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的全釩液流電池充放電控制系統(tǒng)包括：SOC控制器、電壓控制器、電流控制器、全釩液流電池、預(yù)估模塊和直流變換器；將所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref與全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC輸入到SOC控制器中進行計算，從而獲得堆棧電壓的給定值Vs-ref；SOC控制器的輸出帶限幅作用，SOC控制器的輸出限幅值決定了全釩液流電池的堆棧電壓給定值Vs-ref的最大值。將全釩液流電池的外部端電壓Ud與實際充放電電流Id輸入到預(yù)估模塊中，從而獲得堆棧電壓的估計值將堆棧電壓的給定值Vs-ref與堆棧電壓的估計值輸入到電壓控制器中進行計算，從而獲得充放電電流的給定值Id-ref；電壓控制器的輸出帶限幅作用，電壓控制器的輸出限幅值決定了全釩液流電池的充放電電流的給定值Id-ref的最大值。將充放電電流的給定值Id-ref與實際充放電電流Id輸入到電流控制器中進行計算，從而獲得控制電壓Uc并輸入到直流變換器中；電流控制器的輸出帶限幅作用，電流控制器的輸出限幅值決定了直流變換器的最大輸出電壓。以直流變換器的輸出電壓作為全釩液流電池的外部端電壓Ud，并對全釩液流電池進行充放電，從而獲得全釩液流電池的實際充放電電流Id；通過全釩液流電池的實際充放電電流Id獲得全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC；將全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC反饋至SOC控制器的輸入端，從而形成第一閉環(huán)結(jié)構(gòu)；將全釩液流電池的堆棧電壓的估計值反饋到電壓控制器的輸入端，從而形成第二閉環(huán)結(jié)構(gòu)；將全釩液流電池的實際充放電電流Id反饋到電流控制器的輸入端，從而形成第三閉環(huán)結(jié)構(gòu)。在本例實施中，為了便于對系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，以數(shù)學(xué)模型進行描述。將圖1中的全釩液流電池的等效電路進行機理建模，可得到圖2中的全釩液流電池的數(shù)學(xué)模型。具體實例中以5kW6h的全釩液流電池為例進行描述，全釩液流電池的參數(shù)及等效電路模型上的參數(shù)如下表所示。本實施例中，一種基于三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的全釩液流電池的充放電控制策略是按如下步驟進行：步驟1：檢測全釩液流電池的外部端電壓Ud和實際充放電電流Id；實際系統(tǒng)中可采用霍爾電壓傳感器和電流傳感器進行檢測。步驟2：根據(jù)全釩液流電池的外部端電壓Ud和實際充放電電流Id進行計算，獲得全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC；此處采用安時積分法計算全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC，計算式如式(1)所示：式(1)中，SOC0為全釩液流電池的初始荷電狀態(tài)，充電開始前取值0.15；CN為全釩液流電池的額定容量，此處取值為630Ah；η為全釩液流電池的充放電效率，此處取值為0.9。步驟3：將所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref與全釩液流電池的實際荷電狀態(tài)SOC進行比例積分計算，從而獲得全釩液流電池的堆棧電壓的給定值Vs-ref；此處SOCref取0.9，SOCref與SOC相減，再進行比例積分計算，計算后的結(jié)果等于最大限幅值60，即此時全釩液流電池的堆棧電壓的給定值Vs-ref為60。步驟4：根據(jù)全釩液流電池的外部端電壓Ud和實際充放電電流Id，利用式(2)獲得全釩液流電池的堆棧電壓的估計值式(2)中，Ip表示全釩液流電池的泵損；Zeq表示全釩液流電池的等效阻抗，并有：式(3)中，s表示復(fù)頻率；Rres表示全釩液流電池的質(zhì)子傳遞電阻、膜電阻、溶液電阻、電極電阻和雙極板電阻的總和；Rrea表示全釩液流電池中由反應(yīng)動力學(xué)引起的等效電阻；Rf表示全釩液流電池的寄生損耗；Ce表示全釩液流電池的電極電容；式(2)中，K(s)為全釩液流電池的堆棧電壓與端電壓的相關(guān)系數(shù)，并有：步驟5：將全釩液流電池的堆棧電壓的給定值Vs-ref與堆棧電壓的估計值進行比例積分計算，從而獲得全釩液流電池的充放電電流的給定值Id-ref；由步驟4得到全釩液流電池的堆棧電壓的給定值Vs-ref為最大值60，則Vs-ref與相減，經(jīng)過比例積分計算后，電壓控制器飽和，輸出限幅值105，即此時全釩液流電池的充電電流給定值Id-ref為電壓控制器的限幅值105。步驟6：將充放電電流的給定值Id-ref與充放電電流Id進行比例積分計算，從而獲得直流變換器的控制電壓Uc；步驟7：根據(jù)控制電壓Uc，利用式(5)獲得全釩液流電池的外部端電壓Ud：式(5)中，Ks表示直流變換器的放大系數(shù)；T表示直流變換器的開關(guān)頻率；此處Ks取值為4，T取值為0.0001s。步驟8：利用全釩液流電池的外部端電壓Ud對全釩液流電池進行充放電，從而獲得全釩液流電池的實際充放電電流Id；此時，電流控制器起到跟蹤作用，讓實際充電電流Id跟蹤給定值Id-ref，實現(xiàn)恒流充電。恒流充電時，端電壓Ud與堆棧電壓Vs同步增加；當(dāng)Ud增加到限幅值時，進入恒壓充電階段，即保證Ud恒定。在恒壓充電模式，隨著充電進行，電池SOC逐漸增加，電池堆電壓Vs也增大，但在這個過程中由于Ud保持不變，充電電流逐漸減小，故此時全釩液流電池的的SOC和Vs增加緩慢。當(dāng)電池的SOC達到閾值時，停止充電。步驟9：重復(fù)循環(huán)步驟1-步驟8執(zhí)行，直到全釩液流電池完成充放電。當(dāng)所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref大于全釩液流電池的荷電狀態(tài)SOC，則表示對全釩液流電池進行充電，反之，表示對全釩液流電池進行放電；當(dāng)所設(shè)定的荷電狀態(tài)SOCref等于全釩液流電池的荷電狀態(tài)SOC，則表示完成全釩液流電池的充放電。