一种兆瓦级液流电池长待机供电与SOC测量集一体控制方法与流程

本发明涉及用于兆瓦级液流电池储能系统，且更具体而言，涉及用于兆瓦级液流电池长期待机自供电与液流电池电解质的电荷状态的测量集一体的控制方法。

背景技术

目前，人们已经开发了多种形式的电能存储方式，但各种储能技术在能量密度、功率密度、响应速度和储能系统容量规模等方面有差异。

全钒液流电池(vanadiumredoxbattery，vrb)是一种新型储能设备，具有使用寿命长、储能规模大易调控、电池均匀性好、无交叉污染、安全可靠等突出优势，成为规模储能的首选技术之一，在可再生能源发电和节能技术等领域有着极其广阔的应用前景。

全钒液流电池是由不同价态的钒离子溶液作为电极活性物质，利用不同价态的钒离子vo²⁺/vo²⁺和v²⁺/v³⁺之间的相互转化实现电能的储存与释放的一种储能形式。

电池电荷状态即soc(stateofcharge)是液流电池在使用过程中所需监控的重要参数，soc能够充分了解液流电池当前的充放电程度，是液流电池储能系统实现精确控制和管理的直接依据。液流电池需要借助循环泵为其液路循环系统提供动力，且需要液流电池储能系统的检测和控制系统实时监控液流电池储能系统。在系统停止循环泵后，如果没有外部电源或备用电池，全钒液流电池系统无法实现自启动。此外，兆瓦级液流电池储能系统处于待机/空载状态时，若通过液流电池主电堆的反应给控制系统供电，对于兆瓦级液流电池储能系统而言，需要消耗大量的能量，增加了成本。

技术实现要素：

本公开的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种兆瓦级液流电池长待机供电与soc测量集一体的控制方法，以提高液流电池储能系统的工作效率，解决兆瓦级液流电池储能系统长期待机的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种兆瓦级全钒液流电池系统装置，所述兆瓦级全钒液流电池系统装置主要包括：全钒液流电池单元、辅助电池单元、分时控制单元、soc测量单元、供电单元、黑启动单元；

所述全钒液流电池单元通过兆瓦级dc-dc模块输出至高压母线，高电压经过dc-dc模块a转换至24v低压，所述辅助电池单元通过输液管道并接在所述全钒液流电池单元中主电堆的输液管道，并且所述辅助电池单元通与所述分时控制单元相连，所述分时控制单元并接在24v直流线上，所述soc测量单元与所述分时控制单元连接，所述分时控制单元与所述供电单元连接，所述供电单元并接在24v直流线上，高压母线和所述24v直流线分别与所述黑启动单元连接所述。

进一步，全钒液流电池单元主要包括：主电堆、正极电解液罐、负极电解液罐、主正极循环泵、主负极循环泵、主正极电解液输入输液管道、主正极电解液输出输液管道、主负极电解液输入输液管道、主负极电解液输出输液管道、兆瓦级dc-dc模块、dc-dc模块a、主泵驱动模块a、主泵驱动模块b；

所述正极电解液罐与所述主电堆之间通过所述主正极电解液输入管道连接，且所述主正极电解液输入管道上串接有所述主正极循环泵，所述正极电解液罐与所述主电堆之间还通过所述主正极电解液输出管道连接；所述主正极循环泵与所述主泵驱动模块a连接，且所述主泵驱动模块a并接在高压母线上；

所述负极电解液罐与所述主电堆之间通过所述主负极电解液输入管道连接，且所述主负极电解液输入管道上串接有所述主负极循环泵，所述负极电解液罐与所述主电堆之间还通过所述主负极电解液输出管道连接；所述主负极循环泵与所述主泵驱动模块b连接，且所述主泵驱动模块b并接在高压母线上。

进一步，辅助电池单元主要包括：辅助电池、副泵驱动模块a、副泵驱动模块b、副正极循环泵、副负极循环泵、副正极电解液输入管道、副正极电解液输出管道、副负极电解液输入管道、副负极电解液输出管道、空气开关；

所述辅助电池通过所述副正极电解液输入管道与所述主正极电解液输入管道连接，且所述副正极电解液输入管道上串接有所述副正极循环泵，所述辅助电池还通过所述副正极电解液输出管道与所述主正极电解液输出管道连接；所述副正极循环泵与所述副泵驱动模块a连接，且所述副泵驱动模块a并接在24v直流线；

所述辅助电池通过所述副负极电解液输入管道与所述主负极电解液输入管道连接，且所述副负极电解液输入管道上串接有所述副负极循环泵，所述辅助电池还通过所述副负极电解液输出管道与所述主负极电解液输出管道连接；所述副负极循环泵与所述副泵驱动模块b连接，且所述副泵驱动模块b并接在24v直流线；

所述辅助电池通过空气开关与所述分时控制单元连接。

进一步，所述分时控制单元包括：开关k1、开关k2、开关k3、开关控制模块；

所述开关控制模块并接在24v直流线上，并且分别通过三条控制线连接至开关k1、开关k2、开关k3；

所述k1的一端、所述开关k2的一端、所述空气开关远离所述辅助电池的一端三者之间连接。

进一步，所述soc测量单元主要包括：soc测量模块，所述soc测量模块与所述开关k1的另一端连接。

进一步，供电单元主要包括：dc-dc模块b、液流电池控制系统、通讯线；

所述dc-dc模块b与所述开关k2的另一端串接，所述dc-dc模块b和所述液流电池控制系统都并接在24v直流线上，所述液流电池控制系统通过通讯线，分别连接开关控制模块和soc测量模块。

进一步，所述黑启动单元主要包括：蓄电池、充电模块、放电模块；

所述蓄电池通过所述放电模块并接在高压母线，所述蓄电池和所述放电模块之间还并接有所述充电模块，所述充电模块还并接在24v直流线上，且所述充电模块与24v直流线连接的一端上还串接有所述开关k3。

本发明还提供一种上述系统装置的控制方法，包括以下步骤：

a1:开始；

a2:液流电池控制系统判断液流电池储能系统是否进入待机状态，若是，则进入步骤c1，否则进入步骤b1；

b1:液流电池在正常运行状态，dc-dc模块a输出24v给液流电池控制系统、开关控制模块、副泵驱动模块a、副泵驱动模块b供电；

b2：开关控制模块控制开关k1闭合；

b3：soc测量模块检测辅助电池的开路电压ocv；

b4：基于测量出的开路电压ocv来确定液流电池的电荷状态soc，并将soc数据传输给液流电池控制系统；

b5：液流电池控制系统判断蓄电池是否需要充电，若是，则进入步骤d1，否则，进入步骤b6；

b6：液流电池控制系统判断液流电池储能系统是否即将进入待机状态，若是，则进入步骤b7，否则进入步骤b3；

b7：开关控制模块控制开关k1断开，进入步骤c1；

c1：待机状态，开关控制模块控制所述开关k2闭合；

c2：辅助电池输出的电压经过dc-dc模块b输出24v直流电，dc-dc模块b输出的24v直流电给液流电池储能系统的液流电池控制系统、开关控制模块、副泵驱动模块a、副泵驱动模块b供电；

c3：液流电池控制系统判断蓄电池是否需要充电，若是，则进入步骤d1，否则，进入步骤c4；

c4：液流电池控制系统判断液流电池储能系统是否进入正常运行状态，若是，则进入步骤c6，否则，进入步骤c5；

c5：开关控制模块控制所述开关k2断开，进入步骤b1；

d1：蓄电池进入充电状态；

d2：开关控制模块控制所述开关k3闭合；

d3：充电模块输出的24v电压给蓄电池充电；

d4：液流电池控制系统判断蓄电池是否需要充电，若是，则进入步骤d3，否则，进入步骤d5；

d5：开关控制模块控制所述开关k3断开，若从b5进入充电子程序，则进入步骤b6；若从c4进入充电子程序时，则进入步骤c5。

本发明相比于现有技术的优点为：

本发明在液流电池储能系统黑启动时通过蓄电池给液流电池控制系统供电；正常工作时，通过液流电池主电堆的输出给泵驱动模块、控制系统和开关控制模块、副泵驱动模块供电，以及给蓄电池充电，通过测得辅助电池的开路电压ocv从而估算液流电池当前soc；待机时，通过小功率的辅助电池给液流电池储能系统的控制系统、开关控制模块、副泵驱动模块供电，以及给蓄电池充电。这种方法解决了兆瓦级液流电池储能系统长期待机的问题，提高了液流电池储能系统的工作效率，并且可以及时使液流电池控制系统从待机状态转换到正常工作状态。

附图说明

图1是本发明一种兆瓦级液流电池长待机供电与soc测量集一体控制方法的配置的示意图；

图2是本发明中液流电池储能系统正常工作时soc测量的流程；

图3是本发明中液流电池储能系统待机时给控制系统供电的流程；

图4是本发明中黑启动蓄电池充电的流程。

具体实施方式

下面结合图1对本方法作进一步说明。

本实施例提供一种兆瓦级全钒液流电池系统装置，兆瓦级全钒液流电池系统装置主要包括：全钒液流电池单元、辅助电池单元、分时控制单元、soc测量单元、供电单元、黑启动单元；

全钒液流电池单元通过兆瓦级dc-dc模块110输出至高压母线，高电压经过dc-dc模块a111转换至24v低压，辅助电池单元通过输液管道并接在全钒液流电池单元中主电堆的输液管道，并且辅助电池单元通过从其内的辅助电堆输出的信号线与分时控制单元相连，分时控制单元并接在24v直流线上，soc测量单元与分时控制单元连接，分时控制单元与供电单元连接，供电单元并接在24v直流线上，黑启动单元通过放电模块603连接至高压母线，通过充电单元602连接至24v直流线。

参考图1，全钒液流电池单元主要包括：主电堆101、正极电解液罐102、负极电解液罐103、主正极循环泵104、主负极循环泵105、主正极电解液输入管道106、主正极电解液输出管道107、主负极电解液输入管道108、主负极电解液输出管道109、兆瓦级dc-dc模块110、dc-dc模块a111、主泵驱动模块a112(如西门子simoregcm)、主泵驱动模块b113(如西门子simoregcm)；

正极电解液罐102被配置为储存用在主电堆101中的正极电解液。从正极电解液罐102排出的正极电解液，在主正极循环泵104的驱动下通过主正极电解液输入管道106被供应给主电堆101，并且用在主电堆101中的正极电解液通过主正极电解液输出管道107被引入到正极电解液罐102中，主泵驱动模块a112用于驱动主正极循环泵104。同理，负极电解液罐103被配置为储存用在主电堆101中的负极电解液。从负极电解液罐103排出的负极电解液，在主负极循环泵105的驱动下通过主负极电解液输入管道108被供应给主电堆101，并且用在主电堆101中的负极电解液通过主负极电解液输出管道109被引入到负极电解液罐103中，主泵驱动模块b113用于驱动主负极循环泵105。当液流电池储能系统处于正常工作状态时，兆瓦级dc-dc模块110将液流电池主电堆101输出电压转换至高压，从而给主泵驱动模块a112和主泵驱动模块b113供电，从而带动液流电池储能系统正常工作。此外，兆瓦级dc-dc模块110的输出再经过dc-dc模块a111转换至24v，从而给液流电池控制系统502、开关控制模块304、副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电。当蓄电池601需要充电时，液流电池控制系统502通过开关控制器通讯线传输指令，开关控制模块304控制开关k3303闭合，通过充电模块602给蓄电池601充电。

参考图1，辅助电池单元主要包括：辅助电池201、副泵驱动模块a202(将24v直流线上的电压转化为驱动小循环泵所需的电压(如，金升阳的f2424xt-1wr2)、副泵驱动模块b203(如，f2424xt-1wr2)、副正极循环泵204、副负极循环泵205、副正极电解液输入管道206、副正极电解液输出管道207、副负极电解液输入管道208、副负极电解液输出管道209、空气开关210。从正极电解液罐102排出的正极电解液，在副正极循环泵204的驱动下通过副正极电解液输入管道206被供应给辅助电池201，并且用在辅助电池201中的正极电解液通过副正极电解液输出管道207被引入到正极电解液罐102中，副泵驱动模块a202用于驱动副正极循环泵204。同理，从负极电解液罐103排出的负极电解液，在副负极循环泵205的驱动下通过副负极电解液输入管道208被供应给辅助电池201，并且用在辅助电池201中的负极电解液通过副负极电解液输出管道209被引入到负极电解液罐103中，副泵驱动模块b203用于驱动副负极循环泵205。因此，在液流电池储能系统正常运行期间，供应给主电堆101的正极电解液和负极电解液也被供应给辅助电池201，使得根据本公开的电解液的soc估算是可能的。空气开关210处于常闭状态，当电路中电流超过额定电流时其自动断开，起到电路保护的作用。

参照图1，分时控制单元主要包括：开关k1301、开关k2302、开关k3303、开关控制模块304(如svs-sv-sp8,8路可编程电源控制器)。当液流电池储能系统处于正常工作状态时，液流电池主电堆的输出经过兆瓦级dc-dc模块110给主泵驱动模块a112和主泵驱动模块b113供电，兆瓦级dc-dc模块110的输出经过dc-dc模块a111转换至24v，从而给液流电池控制系统502、开关控制模块304、副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电，并且液流电池控制系统502通过通讯线503向开关控制模块304传输指令，开关控制模块304控制辅助电池201和soc测量单元的soc测量模块401之间的开关k1301闭合。当液流电池储能系统处于待机状态时，液流电池控制系统502通过通讯线503向开关控制模块304传输指令，开关控制模块304控制辅助电池201和soc测量模块401之间的开关k1301断开，开关控制模块304控制辅助电池201和供电单元的dc-dc模块b501之间的开关k2302闭合。dc-dc模块b501给副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电，驱动副正极循环泵204、副负极循环泵205工作，同时，dc-dc模块b501输出24v从而给液流电池控制系统502和开关控制模块304供电，从而带动辅助电池单元的正常运行；当黑启动系统的蓄电池需要充电时，液流电池控制系统502通过通讯线503向开关控制模块304传输指令，开关控制模块304控制开关k3303闭合，通过充电模块602给蓄电池601充电。

参照图1，soc测量单元主要包括：soc测量模块401(可采用开路电压法测量辅助电堆的soc)。当开关k1闭合时，辅助电池201和soc测量模块401连接，通过soc测量模块401检测辅助电池201的开路电压ocv来估算液流电池中的电解质的荷电状态，并通过通讯线503将测量的soc数据传输至液流电池控制系统502。

参照图1，供电单元主要包括：dc-dc模块b501将辅助电堆输出的小电压升至24v(如，金升阳的f0524xt-1wr3)、液流电池控制系统502主要包括plc，(如，汇川h3u-1616mt-xp)、通讯线503。在液流电池储能系统处于待机状态时，开关k2闭合时，辅助电池201和dc-dc模块b501之间连接，辅助电池201输出的电压经过dc-dc模块b501转换至24v，从而给液流电池控制系统502、开关控制模块304、副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电。液流电池控制系统502通过通讯线503向开关控制模块304和soc测量模块401传输指令。

参照图1，黑启动单元主要包括：蓄电池601、充电模块602(如，金升阳的f2424xt-1wr2)将24v直流线上的电压转化蓄电池所需的电压，放电模块603具有升高压的功能。当蓄电池601需要充电时，液流电池控制系统502通过通讯线503向开关控制模块304传输指令，开关控制模块304控制开关k3303闭合，从而给蓄电池601充电；当液流电池储能系统黑启动时，蓄电池601通过放电模块603给主泵驱动模块a112、主泵驱动模块b113供电，并且蓄电池601输出24v给液流电池控制系统502和开关控制模块304供电，从而实现液流电池储能系统的自启动。

本实施例还提供一种兆瓦级液流电池长待机供电与soc测量集一体控制方法，包括以下步骤：

a1:开始；

a2:液流电池控制系统502判断液流电池储能系统是否进入待机状态，若是，则进入步骤c1，否则进入步骤b1；

参照图2是液流电池储能系统正常运行状态的子程序的流程图；

b1:液流电池在正常运行状态，dc-dc模块a111输出24v给液流电池控制系统502、开关控制模块304、副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电；

b2：开关控制模块304控制开关k1301闭合；

b3：soc测量模块401检测辅助电池201的开路电压ocv；

b4：基于测量出的开路电压ocv来确定液流电池的电荷状态soc，并将soc数据传输给液流电池控制系统502；

b5：液流电池控制系统502判断蓄电池601是否需要充电，若是，则进入步骤d1，否则，进入步骤b6；

b6：液流电池控制系统502判断液流电池储能系统是否即将进入待机状态，若是，则进入步骤b7，否则进入步骤b3；

b7：开关控制模块304控制开关k1301断开，进入步骤c1；

参照图3是液流电池储能系统进入待机状态的子程序的流程图；

c1：待机状态，开关控制模块304控制所述开关k2302闭合；

c2：辅助电池201输出的电压经过dc-dc模块b501输出24v直流电，dc-dc模块b501输出的24v直流电给液流电池储能系统的液流电池控制系统502、开关控制模块304、副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电；

c3：液流电池控制系统502判断蓄电池601是否需要充电，若是，则进入步骤d1，否则，进入步骤c4；

c4：液流电池控制系统502判断液流电池储能系统是否进入正常运行状态，若是，则进入步骤c6，否则，进入步骤c5；

c5：开关控制模块304控制所述开关k2302断开，进入步骤b1；

参照图4是液流电池储能系统通过辅助电池给黑启动蓄电池充电的子程序的流程图；

d1：蓄电池601进入充电状态；

d2：开关控制模块304控制所述开关k3303闭合；

d3：充电模块602输出的24v电压给蓄电池601充电；

d4：液流电池控制系统502判断蓄电池601是否需要充电，若是，则进入步骤d3，否则，进入步骤d5；

d5：开关控制模块304控制所述开关k3303断开，若从b5进入充电子程序，则进入步骤b6；若从c4进入充电子程序时，则进入步骤c5；

在下文中，将详细描述在每个实施例中通过分时控制单元进行开关的控制以及每个实施例的操作。

第一个实施例-用于soc测量。

参照图1，正极电解液罐102和通过副正极电解液输入管道206和用于驱动正极电解液的副正极循环泵204以及副正极电解液输出管道207连接到辅助电池201，并且负极电解液罐103通过副负极电解液输入管道208和用于驱动负极电解液的副负极循环泵205以及副负极电解液输出管道209连接到辅助电池201。分时控制单元中的开关控制模块304用于控制辅助电池201和soc测量单元的soc测量模块401之间的开关k1301闭合。soc测量模块401检测辅助电池201的开路电压ocv，并且基于测量出的开路电压ocv来确定液流电池的电荷状态soc。针对电荷状态soc的确定，下面等式1被使用：

其中，soc表示液流电池的电荷状态，ocv表示辅助电池201的开路电压，r表示其他常数，t表示绝对温度，f表示法拉第常数。

soc测量单元可以通过测量出的辅助电池201的开路电压ocv，并将开路电压ocv带入到等式1中来计算辅助电池201中的电解质的电荷状态soc。在本文中，soc测量单元可以将由等式1计算出的辅助电池201中的电解质的电荷状态确定为在液流电池中电解质的电荷转态，这是因为辅助电池201和电堆101共享电解液。等值1表示soc(％)和ocv(v)之间的关系的示例性的等式中的一个，并且也可以使用除了等式1之外的等式来计算soc。

由soc测量单元确定的电荷状态表示液流电池中的能量存储的电流转态指数，并且可以用于确定电池的能量充电或者放电的上限或者下限。因此，由soc测量单元进行的电荷状态的估算是液流电池中的能量的稳定控制的关键因素。

第二个实施例-用于控制系统供电。

分时控制系统用于控制辅助电池201和供电单元之间的开关k2302闭合。供电单元将辅助电池201输出的电压通过dc-dc模块b501转换至24v，从而给液流电池储能系统的控制系统502、开关控制模块304、副泵驱动模块a202、副泵驱动模块b203供电。

参考图4，第三个实施例-用于黑启动蓄电池充电。

分时控制系统用于dc-dc模块b501和黑启动单元之间的开关k3303闭合，dc-dc模块a111与充电模块602连接，通过充电模块602给蓄电池601充电。