一种电池预充电电路及软启控制方法与流程

本发明涉及电力电子变换，具体涉及一种电池预充电电路及软启控制方法。

背景技术：

1、随着“碳达峰，碳中和”目标提出，我国能源结构调整加快，新能源对传统化石能源的逐步替代将是历史必然。我国拥有丰富的太阳能、风能资源，但它们具有间歇性、波动性等特点，另外在电力供给和需求方面也存在时间和空间上错配，主要表现为时间和区域上不平衡等现象。解决上述问题的重要途径就是储能技术，电化学储能具有效率高、响应快、不收地理环境限制等优点，适用于供给侧风光发电的平滑处理，也适用于需求侧的电能平衡。相比其他电化学储能技术，液流电池具有安全性高、循环寿命长等特点，特别适用于大规模储能电站。

2、液流电池是一种液相电化学储能装置，其活性物质完全溶解在电解液中，通过活性元素的氧化价态变化来实现能量的存储与释放，属于一种氧化还原电池。与传统电池相比，液流电池的初始电压接近0伏，单级dc/ac变流器无法直接并网运行，必须对电池进行预充电促使电池正负极活性元素的氧化价态(电位)发生相应变化，将电能转化为化学能，储存在电解质溶液中。因此，液流电池储能系统正常并网运行前需首先对电池进行预充电，当电池电压达到变流器的启动电压后，变流器才能正常工作。目前，针对液流电池的充电主要采用变压器降压充电和ac/dc+dc/dc两级电路进行预充电，该方法装置结构复杂且成本昂贵。

3、对于液流储能系统，通常有以下两种变流器预充电方案：

4、1)变流器降压预充方案。

5、该方案中变流器初始充电电路主要包括：变压器、不控整流单元+预充电阻、开关切换单元、功率单元；预充电过程分为初始充电模式和正常充电模式，其中，初始充电模式包括：不控整流阶段及功率转换阶段。充电过程为：开关切换单元切换至不控整流单元+预充电阻支路，通过该支路将电压预充至设定的第一阈值；开关切换单元切换至变压器相电压端口与功率单元连接，以相电压不控整流方式进入功率转换阶段，将电压充至设定的第二阈值；开关切换单元切换至变压器线电压端口与功率单元连接，转入正常充电模式，完成对电池的预充电。

6、缺陷：由于液流电池容量及电堆功率不定，电池的等效内阻不确定，不利于预充电阻选型设计；另外预充电过程牵涉到三次开关的切换，预充电过程复杂。

7、2)ac/dc+dc/dc预充方案。

8、该方案中变流器充电电路主要包括：ac/dc功率单元、开关切换单元、降压型dc/dc单元、电池电压采集单元；预充电过程分为初始充电模式和正常充电模式。充电过程为：开关切换单元将ac/dc单元和dc/dc单元连通，ac/dc将交流电转为直流电，dc/dc通过调整占空比对电池进行降压初始充电，当检测到电池电压满足ac/dc正常工作电压后开关切换单元将ac/dc单元和电池连通，转入正常充电模式，完成对电池的预充电。

9、缺陷：系统采用两级拓扑，考虑预充电时间，dc/dc功率等级应与ac/dc功率等级匹配，因此系统硬件成本高，不利于工程实施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电池预充电电路及软启控制方法，用以解决变流器预充电过程复杂，以及系统硬件成本高不利于工程实施的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种电池预充电电路，包括交流控制开关、交流端软启回路、ac/dc功率单元、直流控制开关、直流功率单元、采样单元和控制单元；ac/dc功率单元的交流端通过交流母线用于连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关，且交流端软启回路与交流控制开关并联；ac/dc功率单元的直流端通过直流母线用于连接电池；直流母线上串设有直流控制开关和直流功率单元；采样单元用于采集交流母线电压、直流功率单元输出端的直流电流和电池电压，并与控制单元连接，以将采集的数据发送给控制单元；控制单元控制连接交流控制开关、交流软启回路、ac/dc功率单元、直流控制开关和直流功率单元，用于采用如下方法进行电池的软启：

3、(1)启动软启，闭合电池预充电路中的交流软启回路，当采集的交流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时，使交流电网与ac/dc功率单元连通，并断开交流软启回路；

4、(2)闭合直流控制开关，控制开启ac/dc功率单元的控制脉冲，使ac/dc功率单元进入恒压充电模式；恒压充电模式中，在直流功率单元输出端的直流电流值小于或等于直流电流保护设定阈值的情况下，控制直流功率单元的控制脉宽逐渐增大，以完成电池预充启动；

5、(3)当电池电压值大于或等于变流器并网运行电压设定阈值时，使ac/dc功率切换为恒功率充电模式；恒功率充电模式中，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，完成对电池的预充电。

6、有益效果为：在变流器启动过程中，设置软启回路，避免对电池有过大的冲击电流损害电池，分为恒压和恒功率充电模式，能够快速切换至功率充电模式，且预充电电压可动态调节，预充过程简单使成本降低，实现了对液流电池的0伏预充电，满足储能系统的正常运行需求。

7、进一步地，预充电电路还包括直流软启回路，与直流控制开关并联。

8、有益效果为：直流控制开关两端并联有直流软启回路，避免冲击电流对电池的损害。

9、进一步地，lc滤波电路设置在交流控制开关和ac/dc功率单元之间的交流母线上。

10、有益效果为：lc滤波电路可以有效滤除杂波和干扰信号。

11、进一步地，预充电电路还包括直流平波电感，直流平波电感串设在直流功率单元和电池之间的直流母线上。

12、有益效果为：直流平波电感可以有效限制电流并滤除杂波。

13、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电池预充电电路的软启控制方法，包括如下步骤：

14、(1)启动软启，闭合电池预充电路中的交流软启回路，当采集的交流母线电压值大于或等于软启电压设定阈值时，使交流电网与ac/dc功率单元连通，并断开交流软启回路；

15、(2)闭合直流控制开关，控制开启ac/dc功率单元的控制脉冲，使ac/dc功率单元进入恒压充电模式；恒压充电模式中，在直流功率单元输出端的直流电流值小于或等于直流电流保护设定阈值的情况下，控制直流功率单元的控制脉宽逐渐增大，以完成电池预充启动；

16、(3)当电池电压值大于或等于变流器并网运行电压设定阈值时，使ac/dc功率切换为恒功率充电模式；恒功率充电模式中，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，完成对电池的预充电；

17、其中，变流器并网运行电压设定阈值小于充电截止电压设定阈值；电池预充电路包括交流控制开关、交流端软启回路、ac/dc功率单元、直流控制开关和直流功率单元；ac/dc功率单元的交流端通过交流母线用于连接交流电网，交流母线上串设有交流控制开关，且交流端软启回路与交流控制开关并联；ac/dc功率单元的直流端通过直流母线用于连接电池，直流母线上串设有直流控制开关和直流功率单元。

18、有益效果为：在变流器启动过程中，设置软启回路，避免对电池有过大的冲击电流损害电池，分为恒压和恒功率充电模式，能够快速切换至功率充电模式，且预充电电压可动态调节，预充过程简单使成本降低，实现了对液流电池的0伏预充电，满足储能系统的正常运行需求。

19、进一步地，启动软启后，当采集的交流母线电压值小于软启电压设定阈值时，断开交流软启回路，退出软启过程。

20、有益效果为：软启退出启动以便及时提醒软启过程异常。

21、进一步地，在控制直流功率单元的脉宽逐渐增大的过程中，当检测到直流电流值大于直流电流保护设定阈值时，立即关闭直流功率单元的控制脉冲，停止预充电。

22、有益效果为：直流电流大于保护设定值退出预充电，避免大电流对电池的损坏。

23、进一步地，当电池电压大于等于充电截止电压设定阈值时，需闭锁直流功率单元和ac/dc功率单元的控制脉冲，使ac/dc功率单元转为热备状态。

24、有益效果为：电池电压若大于等于充电截止电压设定阈值完成预充电，变流器转为热备状态以便下次启动冲电过程。

25、进一步地，恒功率充电模式中ac/dc功率单元的充电功率是可调整的。

26、有益效果为：电池电压可以在线调整充电模式，便于对充电功率在线调节。