全钒液流电池的柔性充放电控制

邱 亚，李 鑫，魏 达，余 玲



全钒液流电池的柔性充放电控制

邱 亚1，李 鑫1，魏 达2，余 玲1

（1合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009；2湖南德沃普电气股份有限公司，湖南邵东 422800）

全钒液流电池（vanadium redox battery，VRB）具有大容量，长寿命、安全可靠、对环境无污染等特点。为了保证全钒液流电池安全充放电并提高电池充电速度，本文提出基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略。该策略采用SOC环、电压环和电流环的三闭环结构，三个控制器均采用带限幅值的PI调节器。SOC外环可根据给定SOC值和实际SOC大小，判断电池充电或者放电；电压环采用预估的内核电压进行反馈，实现电池恒压充电；电流环可实现电池恒流充电。其中内核电压可根据全钒液流电池端电压、充放电电流及电池参考模型去预估。最后本文在Simulink上搭建了5 kW/30 kW·h的VRB模型进行仿真验证。结果表明，该控制策略下，电池充电时间缩短近40%，且保证内核电压不超调，实现了VRB的安全充放电。

全钒液流电池；柔性充放电控制；内核电压估计；三闭环

随着社会经济的快速发展，全球气候变暖、环境污染问题、传统能源危机等现象日益严重，大力发展清洁能源、开发可再生能源的方略被提上议程。光伏、风能等可再生能源具有波动性、随机性和间歇性，对电网有冲击，加上“弃风、弃光”现象日趋严重，影响了可再生能源的利用率和发展，亟需长寿命、大容量储能系统来提高新能源的利用率[1]。在储能装置类型中，全钒液流电池作为电化学储能的一种，具有系统设计灵活（功率、容量可单独设计）、寿命长、安全可靠、对环境无污染等特点[2-3]，非常适合大容量储能系统[4]。因此，对于全钒液流电池的充放电控制的研究具有重要意义。

全钒液流电池储能系统已被国内外学术界、企业界广泛关注，并进行了相关研究及示范。文献[5]详细研究了VRB在恒电压、恒电流、恒功率等不同充放电模式时的特性和效率；文献[6]提出了内环为VRB侧平均电流控制，外环为恒功率、恒压或者涓流充放电控制的DC/DC变换器双闭环策略，实现了VBR三阶段安全充放电，但外环切换根据VRB的SOC和端电压进行选择，控制器较为复杂且切换时不平滑。文献[7]将全钒液流电池组用于平抑风电场功率波动，以每级电池组的荷电状态值作为吞吐功率的优选目标，以外部端电压作为电池安全充放电的约束条件，提出多级VRB 组的功率优化分配策略。文献[8-10]在建立全钒液流电池模型的基础上进行了充放电仿真，研究了钒电池的充放电特性。文献[11]提出了一种基于电池SOC来调整电池充放电的控制策略。但是，上述文献的研究大都是采用基于端电压和SOC为约束条件的双闭环控制策略，或者只是单纯地研究全钒液流电池的充放电特性，没有考虑对电池的安全保护，另外，上述文献闭环反馈中采用的是端电压，并未考虑内核电压。VRB充放电电流大，内阻也与铅酸电池、锂电池不同[12]，内阻上压差大，导致端电压和内核电压差距过大，影响全钒液流电池的充放电及利用率。文献[13]通过实验手段及理论分析指出，充放电 模式的恰当选择有利于提高储能系统的整体工作 效率。

鉴于此，本文提出基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略。该策略采用三闭环控制结构（SOC外环、电压内环、电流内环），三环均采用带限幅值的PI调节器，SOC外环接受能量管理系统的调度，并判断电池进行充电还是放电，电压环采用内核电压作为反馈。采用内核电压反馈可有效利用电池充放电能力，提高充电速度。内核电压无法测量，故必须采取预估的方式。最后，本文针对 5 kW/30 kW·h的全钒液流电池为例进行了仿真验证，并与传统采用端电压反馈的双闭环充放电系统进行对比分析。

1 全钒液流电池模型

全钒液流电池是由电堆、正负极储液罐、循环泵和控制系统组成的。由文献[14-16]可知其等效电路模型如图1所示，其中d为钒电池两端的端电压，V；d为钒电池的充放电电流（文中以充电方向为正，A）；s为钒电池的内核电压（即开路电压），因与SOC有关，故采用受控电压源表示，V；p为泵损，采用恒流源表示，A；f为寄生损耗，Ω；rea、res表示包括反应动力等效的阻抗、传质阻抗、隔膜阻抗、溶液阻抗、电极阻抗和双极板阻抗等在内的所有电池内部阻抗，Ω，其中rea占这些内部损耗的60%，而res占内部损耗的40%；e为电极电容，主要用来模拟电池的动态过程，F。

由图1可得出式(1)～(6)

电池SOC可根据式(7)计算

由Nernst方程知

在化学计量平衡时

VRB由个单体电池串联而成，则

忽略氢离子浓度对电势变化的影响，由式(8)～ (10)得

式(7)中SOC0表示电池初始电量，N表示电池额定容量，A·h。式(8)中，0表示电池标准电极电势，V；H表示氢离子浓度，mol/L；2、3、4、5分别表示电池中的V2+、V3+、VO2+、VO2+离子的瞬时浓度；为气体常数8.314 J/(K·mol)，表示温度，通常取298 K（即25 ℃），为法拉第常数96500 C/mol。

由此可得出VRB的结构如图2所示。

2 内核电压估计

电池内核电压也称为堆电压或者开路电压，反映了电池内部真实的电量，电池在充放电过程中该量无法测量，可通过电池端口电压和充放电电流进行预估，并具有以下意义：①预估得到内核电压后可进行SOC估计，解决了SOC估计不准的难题，对电池管理系统的研究有一定的参考价值；②能够让内核电压达到设定值，使得电池真正的充满，充分利用电池，提高电池的储电能力；③减少充电时间，提高充电速度。

传统的双闭环控制策略也能实现电池的三阶段充电，但控制的是电池的端电压d和充放电电流d，并不是内核电压s。通过文献[14, 17-19]的仿真结果可知，充电结束后d达到设定值，而s未达到设定值。因此，为了能够让电池的内核电压s达到设定值，必须采用内核电压做反馈。而实际系统中电池的内核电压是不能直接测量的量。因此本文通过对VRB进行机理建模，由可测量的已知量d、d去推测s的值。

假设：①f、rea、res、e均为常数；②c(0)=0，根据假设条件，可将图1中的等效电路进一步简化，如图3所示。

其中

由图3可得式(16)

由式(12)和式(16)可得式(17)

由(17)可得式(18)

综上所述，可根据已知量d和d及电池参考模型去预估s的值。

3 柔性充放电控制策略

VRB是否合理地进行充放电直接影响着电池的性能、使用寿命和系统效率。若采用恒压充放电，在电池充放电初期电流很大，充放电末期电流很小，充放电时间不易控制。若采用恒流充放电，则在充放电末期易造成电池过充过放，因此，文中采用先恒流后恒压再涓流的阶段式控制策略。在充放电的初期，先采用恒定电流对电池充放电，使电池较快速的充电或放电到一定的电量值，当电池端电压值上升或下降到设定的期望值后再切换到恒压充放电。此外，在充放电后期，也可采用涓流充放电控制使电池工作在安全工作区，提高电池充放电效率。这样的充电方式既避免了充电初期产生很大的冲击电流，而且可迅速充到较高的电量，在充电末期不会因电流过大而引起高电压，逐渐减小的充电电流还可使电池完全充满。

本文提出的基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略如图4所示。外环SOC接收能量管理系统的调度，并判断电池的状态，确定进行充电还是放电，电压环可实现恒压充电，电流环实现恒流充电。

SOC环先判断给定值SOC和实际SOC值的大小，决定电池是充电还是放电。若给定值SOC比实际SOC大，则给VRB充电。充电时，电压环先饱和，电流环的给定值等于电压环的输出限幅值，d与s同步增加，实现恒流充电，当d增加到限幅值时，进入恒压充电阶段，即保证d恒定。在恒压充电模式，随着充电进行，电池SOC逐渐增加，电池堆电压s也增大，但在这个过程中由于d保持不变，充电电流逐渐减小，故此时钒电池的SOC和内核电压增加缓慢。当电池的SOC达到阈值时，停止充电。若给定值SOC比实际SOC小，则给VRB放电。同理可分析电池放电过程。

4 算例仿真

为了验证所提出的基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略的合理性及有效性，本文针对含文献[20]所述双向DC/DC变换器的5 kW/30 kW·h VRB储能系统进行仿真验证，具体参数如表1所示。

为了验证基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略的合理性，仿真主要分为两个部分：首先针对5 kW/30 kW·h的VRB采用基于内核电压估计的双闭环控制策略（记为本文控制策略1）进行充电仿真，并与采用传统基于端电压反馈的双闭环控制策略（记为传统控制策略）进行对比分析。为了解决本文控制策略1引起的内核电压超调，在控制策略1的基础上引入SOC外环，提出基于内核电压估计的三闭环控制策略（记为本文控制策略2），然后对本文控制策略2和本文控制策略1进行仿真对比分析。

表1 全钒液流电池参数表

4.1 VRB充电采用本文控制策略1与传统控制策略的仿真比较

针对5 kW/30 kW·h的钒电池分别采用本文控制策略1和传统控制策略进行充电控制，充电时电池端电压、充电电流、内核电压及SOC曲线分别如图5、图6所示，图中数值为标幺化后的值；分别将图5、图6中的SOC曲线和内核电压曲线进行对比分析，如图7、图8所示。

对图5、图6、图7、图8的仿真结果进行对比分析，结果如表2所示。

表2 采用不同控制策略时的仿真结果对比

由表2可知，采用基于内核电压s反馈的双闭环充电系统与传统采用端电压反馈的双闭环相比，恒流时间长，总的充电时间缩短38.76%；相同时间内电池的SOC大；说明采用s反馈的充电系统可以提高充电速度，电阻上损耗小，提高了电池储电能力。另外，恒压恒流切换自动完成，不同于文 献[7]需要根据电压和SOC进行切换。但采用预估的s作为反馈会导致内核电压超调，因此需要在提高充电速度的同时要解决s超调的问题。

4.2 VRB充电采用本文控制策略2与本文控制策略1的仿真比较

在本文控制策略1的基础上增加SOC外环即本文控制策略2，外环采用PI调节器，给定值SOC=0.9，继续对VRB进行充电实验，充电仿真结果如图9所示。

将图9和图5中的SOC曲线、内核电压s曲线单独拿出来比较，如图10、图11所示，可知采用三闭环控制结构进行电池充电，电池内核电压s几乎无超调，SOC超调量也由5.2%减小至1%，由此可见采用三闭环结构可解决s超调问题。

采用本文控制策略2可解决控制策略1中内核电压超调的原因是因为控制策略2中采用三闭环结构，外环的输出是变化的量，如图12所示，控制策略2中，SOC外环的输出即电压环的给定是个变化的量，在=19370 s时，SOC外环的输出开始下降，如图12中D点所示；在=22670 s时，SOC外环的输出将至57.91 V，而双闭环电压环的给定仍为固定值59 V，如图12中点E、E'所示。由此可知，控制策略2优于控制策略1，即采用基于内核电压估计的三闭环控制策略可实现电池安全充放电并提高充电速度。

5 结 论

全钒液流电池应用于大容量储能系统时，电池的柔性充放电控制至关重要。本文在全钒液流电池数学模型的基础上进行了内核电压s的估计，并提出基于内核电压估计的三闭环柔性充放电控制策略，通过Simulink仿真验证了该控制策略的有效性，可实现VRB安全充放电，且充电时间缩短了近40%，在保证快速性的同时实现了内核电压的预估且不超调，提高了VRB的储电能力。

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Flexible charge-discharge control of vanadium redox battery

QIU Ya1, LI Xin2, WEI Da1, YU Ling2

(1School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China;2Hunan DOVOP Electric incorporated company, Shaodong 422800, Hunan, China)

Vanadium Redox Battery (VRB) has the advantages of large capacity, long service, safety and environmentally friendly. In order to ensure safe charge-discharge and increase the charge speed of Vanadium Redox Battery (VRB), the three closed-loop flexible charge-discharge control strategy which is based on estimated core voltage is proposed. This strategy uses three closed-loop structure, namely SOC loop, voltage loop and current loop. PI regulator with the limit value is used in these three loops. It determines the battery to charge or discharge by comparing the given SOC value and actual SOC value in SOC outer loop. The estimated core voltage is used as feedback in voltage loop, achieving constant voltage charge of VRB. Current loop can achieve constant current charge of VRB. Kernel voltage can be estimatyed by VRB voltage, charge and discharge current and reference model. Finally, a 5 kW/30 kW·h VRB model is builded on Simulink to verify the characteristic of VRB. The results show that the charge time decreases by nearly 40% via using the control strategy, which also ensures the core voltage non-overshoot and achieves safe charge-discharge of VRB.

vanadium redox battery (VRB); flexible charge-discharge control; estimated core voltage; three closed-loop

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0006

TM 911

A

2095-4239（2017）01-078-07

2016-03-28。

2016-05-26。

国家能源局“2015年能源自主创新和能源装备专项”专项。

邱亚（1989—），女，博士研究生，研究方向为储能系统 建模与控制，E-mail：qiuya123634@163.com；

李鑫， 副教授，研究方向为复杂系统建模与控制、学习控制，E-mail：lixin@hfut.edu.cn。