全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路及方法

技术领域

本发明涉及电池的技术领域，具体涉及全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路及方法。

背景技术

全钒液流电池微电网系统中，光伏阵列将光能进行光-电能量转化，储存于全钒液流电 池中，在全钒液流电池微电网光伏逆变控制系统中，为了提高光伏逆变控制系统的发电效 率，需要使其工作在输入源最大功率点。

目前，通常采用MPPT算法实现对最大功率点的跟踪，然而，现有的MPPT算法如： 恒定电压法、扰动观察法和电导增量法等多种MPPT算法虽然收敛速度较快、稳态震荡较 小，但是如果光照强度变化比较剧烈的情况下，会出现误判现象，并且当外界环境，如光 照强度，温度等变化时，光伏曲线有可能出现局部最大功率点等情况，这些情况会大大降 低系统发电效率。

此外，在全钒液流电池微电网系统中，钒电池作为储能装置具有重要的作用，其安全、 高效充放电，也是提高光伏逆变系统的发电效率的重要手段。

图2是现有技术中离网微电网能量流动模式图，如图2所示，整个微网系统的理想能 量流动模式分为(a)～(b)四类；

工作模式(a)：当光伏电池的输出功率高于负载功率时，光伏电池将以化学能的形式 将一部分能量存储在钒电池中，同时向负载提供能量。钒电池工作在充电状态；

工作模式(b)：当光伏电池的输出功率低于负载功率时，负载能量供给来源于钒电池 和光伏电池。系统此时是双电源供电模式。钒电池处于放电状态；

工作模式(c)：当负载不工作时，光伏电池全部能量供给钒电池。钒电池处于充电状 态；

工作模式(d)：当光伏电池不工作时，负载需要供电。负载的全部能量来源于钒储能 电池，钒储能电池处于放电状态。

如图2所示，在微电网储能系统的实际工作过程中，有多种工作方式交替进行，钒电 池的充放电控制是保证系统正常运行的关键因素之一。

然而，现有技术中，普通的单相双向直流变换器的输出功率有限，因此，通过对钒储 能电池实现充放电控制并协调其与光伏电池的供电关系，以提高系统的可靠性、效率及延 长电池使用寿命就显得尤为重要。

发明内容

针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种能够有效提高充放电效率的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路，包括双向DC/DC电压转换电路和PWM控制电路；所述双向DC/DC电压转换电路包括：BUCK降压电路和BOOST升压电 路，所述BUCK降压电路包括：开关管T

相应地，全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制方法，包括：双向DC/DC电压 转换电路和PWM控制电路；所述PWM控制电路与光伏模块的输出端电连接，所述PWM 控制电路的输出端与双向DC/DC电压转换电路的输入端电连接；所述PWM控制电路上设 置有MPPT控制算法，所述的控制方法包括如下步骤：

S11，采集电池组的端电压U

S12，判断电池组的端电压U

S13，在所述电池组放电时，通过MPPT控制算法使光伏模块输出电压为最大功率点。

优选地，所述步骤S12中，在对电池组进行充电和电池组放电过程中，通过三闭环柔 性控制方法进行电池组的充放电控制。

优选地，所述通过三闭环柔性控制方法进行电池组的充放电控制，具体包括如下步骤：

S21，根据实际SOC值与参考SOC值的差，判断钒电池是充电还是放电状态，如差值小于零，则对钒电池进行充电，执行步骤S22，如差值大于零，则执行步骤S23；

S22，对电池进行充电；充电过程中：

电压环先达到饱和状态，此时电压环的输出阈值为电流环的固定充电电流；系统进入 恒流充电，核心电压V

当恒流充电达到饱和状态时，输出阈值为恒压充电电压U

在恒压充电过程中，电池的叠加电压V

S23，电池进行放电；放电过程中：

电压环先达到饱和状态，此时电压环的输出阈值为电流环的固定放电电流；系统进入 恒流放电，核心电压V

当恒流放电达到输出电压下限阈值时，系统进入恒压放电阶段；

在恒压放电过程中，电池的叠加电压V

优选地，所述步骤S12中，对电池组进行充电时，具体包括如下步骤：

通过PWM控制电路控制BUCK降压电路中开关管T

其中：t1

优选地，所述步骤S12中，电池组放电时，具体包括如下步骤：

通过PWM控制电路控制BOOST升压电路中开关管T

其中：t2

优选地，所述步骤S13中，通过MPPT控制算法使光伏模块输出电压为最大功率点，具体包括如下步骤：

S31，初始化，读取当前的历元数据，并获取k时候光伏模块的电压值V

S32，判断V

所述电压扰动的表达式为：

其中：V

S33，P

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路及方法，综合考虑了钒电池的 充放电特性、光照强度、温度和时间等因素对光伏电池输出功率的影响，将三闭环柔性控 制方法与MPPT算法进行结合，MPPT算法能够在光照和温度突变的情况下快速响应和追踪到光伏阵列的最大功率点，三闭环柔性控制方法可实现快速响应和稳定的充放电，进而能够提高钒电池的储能能力，延长钒电池的使用寿命，实用性极强。

2、本发明中的三闭环柔性控制方法，采用SOC环、电压环和电流环结构作为控制依据，外环由SOC控制，通过实际SOC与参考SOC的比较来实现电池充电和放电控制；中 间环由电压控制，通过反馈的预估电压，实现电池定压充电；内环为电流环，根据电池的 实际工作情况实现定流充电，极大的提高了系统的充放电效率，实用性极强。

3、本发明中，本发明采用双向DC/DC转换电路的拓扑结构，在该结构中，通过控制双向DC/DC开关管的关断，分时复用地实现电池充电和放电，与传统的充电和放电功能采用两个独立的接口电路相比，具有节约资源、减少体积、成本较低的优点，能够节省成本 和提高集成度。

4、本发明中的本MPPT控制算法，通过反复对比此刻和上一时刻输出功率的大小，根 据反馈的差值增加或减小扰动步长，从而达到光伏电池的输出功率尽可能接近最大功率点 的目的，提高了充放电效率。

附图说明

图1是现有技术中全钒液流电池微电网光伏逆变控制系统的典型结构框图；

图2是现有技术中离网微电网能量流动模式图；

图3是本发明实施例一提供的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路的电路结构图；

图4是本发明实施例一提供的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路的流程示意图；

图5是本发明实施例一使用时BUCK降压电路的电路结构示意图；

图6是本发明实施例一使用时BOOST升压电路的电路结构示意图；

图7是本发明实施例二中三闭环柔性充放电控制方法对电池组进行充放电的流程示 意图；

图8是本发明实施例二中三闭环柔性充放电控制方法的仿真模型图；

图9是本发明实施例三中MPPT控制算法的流程示意图；

图10为不同光强和温度下光伏电池输出特性曲线；

图11是基于C1C2数学模型的MPPT控制算法仿真模型图；

图12是图11在不同工作模式下的仿真波形图；

图13是本发明全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制方法的仿真模型图；

图14是本发明中PWM控制电路的仿真模型图；

图15是本发明在不同光强下的钒电池充放电电流曲线图；

图16是本发明在不同光强下的直流母线充放电电压曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实 施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

以下结合附图详细说明所述本发明的一个实施例。

实施例一

图3是本发明实施例一提供的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路的电路结构图；如图3所示，全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路，包括双向DC/DC 电压转换电路和PWM控制电路；所述双向DC/DC电压转换电路包括：BUCK降压电路和 BOOST升压电路，所述BUCK降压电路包括：开关管T

图4是本发明实施例一提供的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制电路的流程示意图；如图4所示，全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制方法，包括：双向 DC/DC电压转换电路和PWM控制电路；所述PWM控制电路与光伏模块的输出端电连接， 所述PWM控制电路的输出端与双向DC/DC电压转换电路的输入端电连接；所述PWM控 制电路上设置有MPPT控制算法，所述的控制方法包括如下步骤：

S11，采集电池组的端电压U

S12，判断电池组的端电压U

S13，在所述电池组放电时，通过MPPT控制算法使光伏模块输出电压为最大功率点。

本实施例一中，由于充放电能量流动的过程必然进行DC/DC电压的转换，传统充电和 放电功能的实现采用两个独立的接口电路完成，存在资源浪费、体积大和成本高的缺点， 为了节省成本和提高集成度，本发明采用双向DC/DC转换电路的拓扑结构，在该结构中， 通过控制双向DC/DC开关管的关断，分时复用地实现电池充电和放电。

具体地，本发明实施例一提供的双向DC/DC电压转换电路包含有：BUCK降压电路和BOOST升压电路，当钒电池充电时，电池组的端电压U

进一步地，所述步骤S12中，对电池组进行充电时，具体包括如下步骤：通过PWM 控制电路控制BUCK降压电路中开关管T

图5是本发明实施例一使用时BUCK降压电路的电路结构示意图；如图5所示，BUCK降压电路工作时，通过PWM控制电路控制开关管T

更进一步地，所述步骤S12中，电池组放电时，具体包括如下步骤：通过PWM控制 电路控制BOOST升压电路中开关管T

其中：t2

图6是本发明实施例一使用时BOOST升压电路的电路结构示意图；如图6所示，BOOST升压电路工作时，通过PWM控制电路控制开关管T

本实施例中，无论在电池组充电控制还是放电控制即：BUCK降压电路还是BOOST升压电路中，都要控制开关管T

实施例二

在实施例一的基础上，本发明实施例二提供的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控 制方法，所述步骤S12中，在对电池组进行充电和电池组放电过程中，通过三闭环柔性控 制方法进行电池组的充放电控制。

图7是本发明实施例二中通过三闭环柔性控制方法进行电池组的充放电控制的流程 示意图；图8是本发明实施例二中三闭环柔性充放电控制方法的仿真模型图；如图7、图8所示，所述通过三闭环柔性控制方法进行电池组的充放电控制，具体包括如下步骤：

S21，根据实际SOC值与参考SOC值的差，判断钒电池是充电还是放电状态，如差值小于零，则对钒电池进行充电，执行步骤S22，如差值大于零，则执行步骤S23；

S22，对电池进行充电；充电过程中：

电压环先达到饱和状态，此时电压环的输出阈值为电流环的固定充电电流；系统进入 恒流充电，核心电压V

当恒流充电达到饱和状态时，输出阈值为恒压充电电压U

在恒压充电过程中，电池的叠加电压V

S23，电池进行放电；放电过程中：

电压环先达到饱和状态，此时电压环的输出阈值为电流环的固定放电电流；系统进入 恒流放电，核心电压V

当恒流放电达到输出电压下限阈值时，系统进入恒压放电阶段；

在恒压放电过程中，电池的叠加电压V

本发明中的三闭环柔性控制方法，结合恒流和恒压充电的特点，阶段充电法在钒电池 充电初期，先恒流充电，以避免恒压充电带来的大电流安全问题；当充电电压达到预定阈 值后，对电池进行恒压充电；在恒压充电过程中，充电电流随着电池电压的增大逐渐减小。 当充电电流降至预定阈值时，电池进入浮充阶段。该方法保证电池安全工作的同时，可以 延长电池寿命以及提高电池充放电效率。

本发明通过三闭环柔性充放电控制方法中，SOC外环不仅能够反映电池的工作状态还 可以作为充放电判断的依据；电压为中间环采用恒压充电；电流作为内环采用恒流充电； 三环采用带限PID控制器；使用时，根据实际SOC与参考SOC的差值，SOC外环首先判 断电池组是充电还是放电，若差值小于零，则对电池组进行充电。

实施例三

图9是本发明实施例三中MPPT控制算法的流程示意图；如图9所示，在实施例一 的基础上，本发明实施例三提供的全钒液流电池光伏逆变系统的充放电控制方法，所述步 骤S13中，通过MPPT控制算法使光伏模块输出电压为最大功率点，具体包括如下步骤：

S31，初始化，读取当前的历元数据，并获取k时候光伏模块的电压值V

S32，判断V

所述电压扰动的表达式为：

其中：V

S33，P

本发明中，通过MPPT控制算法获取光伏模块的实时输出功率，并根据反馈信息控制 光伏电池的输出功率尽可能接近最大功率点，能够提高系统的能量转换效率。

本实施例中，a为变步长速度因子，是一个比例系数，a反映了变步长调整器的灵活度， 主要用于调整跟踪速度；由式(3)可知，当光伏输出功率与最大输出功率值的差较大时， 跟踪步长也相应大，反之则变小；当差值为0时，则无限趋近于最大功率点。

如图9所示，在流程图中，ε为无限接近于零的正数，主要用来判断V

为了验证本发明实施例三提供的MPPT控制算法最大功率点跟踪效果，本实施例建立 了光伏组件的C1C2数学模型，所述C1C2数学模型的表达式为：

其中：I

通过引用补偿系数，可近似计算任意光照S和电池温度T下尚书苑四个技术参数的计 算表达式：

其中：S

由式(32)可知，当电池的温度和光强变化时，可近似地计算出在任意温度和光照下 的四个技术参数I

图10为不同光强和温度下光伏电池输出特性曲线，如图10所示，在不同的光强和温 度下，以硅为基本材料的光伏电池的输出特性曲线也发生了变化。从图中可以看出，光强 对短路电流有很大的影响，最大功率点的输出电压却基本相同；温度对开路电压有很大的 影响，而且最大输出功率点随温度的变化出现了漂移。因此，为了获得最大功率点，必须综合考虑各种复杂的外部环境。

图11是基于C1C2数学模型的MPPT控制算法仿真模型图，图12是图11在不同工作模式下的仿真波形图；如图11、图12所示，本实施例中采用控制变量的方法对输出功率、 电流和电压之间的关系进行了比较和分析；假设光强是固定的，温度是变量，通过改变温 度来观察光伏电池的功率、电压和电流的输出特性曲线；同样地，假设温度是固定的，光 强是可变的，则通过改变光强来观察光伏电池的功率、电压和电流的输出特性曲线；因此， 光照强度可分为常量部分和可变部分，其中常量部分是1000W/m

表1 理想工作模式参数表

根据温度和光照的变量组合，本实施例对四种模式进行波形仿真，其中：

模式1为温度固定，光照固定；MPPT-I和MPPT-V分别是采用MPPT控制算法得到的电流波形图和电压波形图；MPPT VS Ideal是采用控制算法后得到的功率和理想最大功率的 对比曲线图；由图12(a)可以看出，MPPT控制算法存在启动震荡，但是能够在0.1s内迅速实现最大功率点的跟踪。

模式2为温度固定，光照突变；分别设置光照强度分别为600W/m

模式3为温度突变，光照固定；分别设置温度为25℃，37.5℃，50℃，通过仿真可以得到光伏电池电流、电压和功率的输出曲线，由图12(c)可得，当温度突变时，电池的电 流和电压都会发生波动，但变化相对较弱；因此，当温度变化时，输出功率变化不大，仿 真结果与光伏输出特性曲线一致。由图中的MPPT VS Ideal仿真曲线可以看出，该策略可 追踪最大功率点，并将功率误差控制在1W范围内。

模式4为温度突变，光照突变；当温度的取值分别为25℃、37.5℃和50℃；光照强度分别设置为600W/m

通过上述仿真可知，光强对光伏电池输出特性的影响比温度对光伏电池输出特性的影 响更大，本发明设计的仿真模型全面且符合实际情况，当环境变化时，输出功率能很快的 作出响应；因此，本发明中的MPPT控制算法响应速度快、精度高，对工程推广具有实际应用价值。

实施例四

为了验证本发明的充放电响应情况，本发明在5kW/30kWh的微电网系统模型的基础上， 搭建了控制方法的Simulink仿真模型，图13为本发明全钒液流电池光伏逆变系统的充 放电控制方法的仿真模型图；图14是本发明中PWM控制电路的仿真模型图。

图13中，PV_Cell为光伏组件；b为BOOST升压电路中的开关管T

图14中，zero-Order Hold是用来在采样间隔的时间中保持采样到的电压不变，便于取 值计算；Product的输出为两个输入的乘积；Constant设置的值为-0.001，即式(3)中的a； Sign的功能是当输入的值小于零则输出-1，大于零输出1，起到转换

如图13所示的仿真模型，温度固定，光照强度变化，观察系统向直流母线提供电压以 及储能钒电池的电流情况，运行结果如图15、图16所示；其中：图15为不同光强下的钒电池充放电电流曲线图，图16为本发明在不同光强下的直流母线充放电电压曲线；模型中负载的功率等于温度25℃，光强为800W/m

为了验证系统的充放电响应情况，整个仿真过程设置为三个阶段：

(1)第一阶段：温度固定25℃，负载不变，光强设置为800W/m

(2)第二阶段：温度固定25℃，负载不变，光强设置为1000W/m

(3)第三阶段：温度固定，负载突变增大，光强设置为800W/m

由图16的仿真图可以看到，采用三闭环柔性控制充放电，充放电切换及时。当充放电 切换时，直流电压瞬间有波动，然后又回归到同一电压值，直流母线电压输出稳定。

综上，本发明基于双向DC/DC电压转换电路，提出了三闭环柔性控制方法，通过Simulink仿真实验验证了电路拓扑结构的正确性和充放电控制方法的可行性和有效性；本发明中的三闭环柔性控制方法采用SOC作为切换安全充放电判断依据，可以有效避免电池出现过充或过放现象，提高了整个储能系统的安全性和可靠性，延长了电池的寿命和增加了钒电池的储能能力。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固 定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体； 可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于 本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技 术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明 各实施例技术方案的范围。