赵杨阳 , 柴建云 , 孙旭东 , 毕大强
清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084

收稿日期：2015-01-29
基金项目：国家“八六三”高技术项目（2012AA051201）
作者简介：赵杨阳 (1990—), 男, 博士研究生
通信作者：柴建云, 教授, E-mail：chaijy@tsinghua.edu.cn

摘要：钒电池启动时需先为电解液循环系统供电，待电堆主闸自动闭合后电池才能正常充放电。但是，钒电池在严重缺电时电堆的初始电动势较低，与循环系统的恒压供电值相差较大，所以，当电堆主闸自动闭合时变流器与电池间会产生较大的冲击电流。针对上述问题，该文提出了一种双级型高频隔离变流器及其控制方法，实现了高频隔离并网钒电池组在自启动过程中的冲击电流抑制，并通过电池参数测定避免了变流器限流控制时循环系统由于电压过低导致自启动失败的现象。最后通过5kW钒电池样机自启动实验，验证了所提出拓扑的可行性及控制方法的有效性。
关键词：DC/DC变流器钒电池自启动高频变压器
Two-stage DC/DC converter with a high frequency transformer used in a vanadium battery self-startup
ZHAO Yangyang, CHAI Jianyun, SUN Xudong, BI Daqiang
State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment, Tsinghua University, Beijing 100084, China


Abstract: The self-startup of a vanadium battery consists of the following steps. Firstly, the electrolyte circulation system is started. After the main switch is closed to connect the cell stack with the converter, the conventional charging and discharging operations are then started. However, the voltage difference can be extremely large between the electrodes in the stack and the required input voltage in the circulation system, especially when the stack is at low capacity. This large voltage difference will lead to a large current transient between the converter and the vanadium battery. Thus, when the converter is using current limit control, the circulation system input voltage should be carefully selected to avoid self-startup failure. This paper presents a two-stage DC/DC converter with a high frequency transformer for the vanadium battery self-startup process with its control principle. A self-startup test with a 5 kW vanadium battery module showed that the converter worked during the self-startup and charge/discharge processes.
Key words: DC/DC convertervanadium batteryself-startuphigh frequency transformer
钒氧化还原液流电池由于具有低维护、规模大、寿命长、容量大、响应速度快等诸多优点^[1]，非常适合应用于大型储能电站，作为能量型备用电源，尤其是在电网断电的情况下，可以为本地关键设备持续提供电能，但这也使得其电解液循环系统的供电不得采用外部供电的模式。钒电池储能系统主要由循环系统和电堆两部分组成，循环系统控制电泵带动电解液循环，而电堆通过质子交换膜使得正负电解液在其中发生氧化还原反应实现电能与化学能的转化^[2-4]。
钒电池循环系统供电端与电堆电极间通过电堆主闸相连，正常工作时主闸闭合，钒电池的主电堆电极与循环系统的供电端直接连接，即使在电网断电后，循环系统仍可以通过主电堆供电。但在循环系统启动前，主闸断开，需先经外部变流器启动电解液循环系统，待电解液流入电堆且自检完成后，电堆主闸自动闭合。由于循环系统的供电要求为恒压模式，当主闸闭合瞬间，反电动势与变流器的恒压值之差作用在较小的电池内阻上产生电流冲击，所以需采取适当的自启动冲击电流抑制措施，同时在限流的过程中还需要保持循环系统稳定工作。在大型储能电站中为保障各并联运行的钒电池组独立受控，需采用隔离型并网方式，其中高频隔离方式能有效提高变流器的功率密度，减小变流器的体积重量^[5-6]。目前已展开的针对钒电池变流器的电路结构及控制方法的研究，大部分集中在钒电池正常启动后的充放电控制方面，而对于钒电池自启动过程中的冲击电流抑制等问题并未做深入的理论分析及实验研究^[7-11]。
本文针对上述问题，研究了电池内阻的变化规律，提出了一种适用于钒电池自启动的双级型隔离变流器，同时，基于该拓扑结构提出了相应的冲击电流抑制方法。最后，通过5 kW的钒电池样机自启动实验，验证了所提出拓扑的可行性及控制方法的有效性。
1 钒电池的自启动运行模式1.1 钒电池自启动过程钒电池储能系统框图如图 1所示。启动电池时控制器开关闭合，循环系统由外部变流器供电启动，电泵将正负电解液推送至电堆中，待电池内部的一系列自检程序完成后电堆主闸自动闭合，由于每次启动时的管道压力、管道剩余电解液、电堆剩余容量的不同，电堆主闸闭合的时间具有随机性；主闸闭合后，电堆可通过变流器正常充放电。

图 1 钒电池储能系统框图

图选项

本文针对普能公司生产的5 kW钒电池组进行研究，其循环系统的供电需求为恒压40~59 V，但是当电池严重缺电时，主闸闭合瞬间的电堆空载电动势在20 V左右，此时产生的冲击电流远大于变流器及电池自身的电流容量。且外部变流器的冲击电流限制值过小，很可能导致循环系统在主闸闭合后欠压，从而导致启动失败。
1.2 钒电池启动阶段电化学模型通过钒电池的自启动过程分析可知，主闸闭合瞬间冲击电流的大小由电堆和变流器间的电压差，以及此时电池电堆的内阻共同决定，所以钒电池启动阶段电化学模型的建立对抑制冲击电流起到关键作用，其模型如图 2所示。

图 2 钒电池电化学模型

图选项

其电动势建立过程如下所示：

$\begin{array}{c}{\rm{SoC = }}\frac{{{C_{{{\rm{V}}^{2 + }}}}}}{{{C_{{{\rm{V}}^{2 + }}}} + {C_{{{\rm{V}}^{3 + }}}}}} = \frac{{{C_{{{\rm{V}}^{2 + }}}}}}{{{C_{{\rm{Vtotal}}}}}}, \\{C_{{{\rm{V}}^{2 + }}}} = {C_{{{\rm{V}}^{5 + }}}} = {\rm{SoC}}{C_{{\rm{Vtotal}}}}-\frac{N}{{2F}}\frac{{i(t)}}{{Q(t)}}, \\{C_{{{\rm{V}}^{3 + }}}} = {C_{{{\rm{V}}^{4 + }}}} = (1-{\rm{SoC)}}{C_{{\rm{Vtotal}}}} + \frac{N}{{2F}}\frac{{i(t)}}{{Q(t)}}, \\{C_{{{\rm{H}}^ + }}} = {C_{{{\rm{H}}^ + }{\rm{discharge}}}} + {C_{{{\rm{V}}^{5 + }}}}, \\E = {E_0} + \frac{{RT}}{{FZ}}\ln \left( {\frac{{{C_{{{\rm{V}}^{5 + }}}}{C_{{{\rm{H}}^ + }}}^2}}{{{C_{{{\rm{V}}^{4 + }}}}}}\frac{{{C_{{{\rm{V}}^{2 + }}}}}}{{{C_{{{\rm{V}}^{3 + }}}}}}} \right).\end{array}$

(1)

其中：SoC表征电池的荷电状态，C_V²⁺、C_V³⁺、C_V⁴⁺、C_V⁵⁺分别代表 4种价态钒离子摩尔浓度，C_{H⁺discharge}为氢离子完全放电后的摩尔浓度，C_Vtotal为电解液总摩尔浓度且一般情况下正负极电解液摩尔浓度相等，法拉第常数F=96450 C/mol，摩尔气体常数R=8.314 J·mol^-1·K^-1，Z=1为钒电池化学反应电子数，i (t) 为电堆放电电流，Q (t) 为电解液流量，E为当前电堆空载电动势，E₀为钒电池标准状态下的平衡电动势。设定实验环境温度基本维持在25 ℃，且电泵正常启动后电解液流量基本保持在2 L/s，钒电池电解液总摩尔浓度基本维持在1 mol/L。可通过当前电堆空载电动势推得SoC初始状态，并且在冲击电流动态增加过程中，得到电堆电动势与SoC及充电电流的变化情况如图 3所示，当SoC为0时电堆空载电动势最低为20 V，但150 A的充电电流可使空载电动势提高到31.2538 V。

图 3 钒电池电堆电动势变化规律

图选项

考虑到启动失败现象出现在电堆电压低于40 V时，且该区域内阻非线性，所以通过低电量启动实验，检测主闸闭合前的电堆空载电压及外部充电电压，以及主闸闭合后的冲击电流峰值，得内阻变化规律如图 4所示。

图 4 钒电池启动内阻变化规律

图选项

图 4中实心点表示实验测量值，曲线为最小二乘法拟合的充电内阻变化规律。在电池启动阶段，其充电内阻在60~38 mΩ间变化，该规律为抑制充电电流提供了较好的数据样本。通过分析主闸闭合前的电堆电压有针对性的设置电流限值，从而保证系统自启动成功率，同时该规律还作为限流电感设计的参考依据。在实际启动过程中，电堆空载电压会随着电解液循环进入电堆缓慢增加，同时也会随着冲击电流的增大迅速升高。结合空载电动势的变化规律可知，条件最严格的启动条件下，电堆的SoC为0时，施加150 A的充电电流时电池外电压为40 V，满足循环系统的供电要求。
2 高频隔离并网型钒电池的自启动控制2.1 双级型高频隔离变流器大型钒电池储能电池常采用多组钒电池并联上网模式运行，为了提高系统并联运行稳定性、各电池组独立受控性，需采用隔离并网模式。与目前较为成熟的工频变压器隔离并网相比，高频隔离并网模式可以有效提高变换器的功率体积密度及功率重量密度。同时，多组钒电池通过隔离型DC/DC并联至高压直流母线，再由集中式逆变器统一并网，有效抑制逆变器多机并联导致的谐振问题。
综合上述各因素，本文提出了一种双级型变流器，将高频隔离全桥电路与交错并联BuckBoost电路组合构成DC/DC变换器。高频隔离型DC/DC拓扑及DC/AC逆变器拓扑如图 5所示。多组钒电池模块可通过高频隔离变流器并入公共直流母线，再经三相全桥DC/AC集中逆变，接入电网。

图 5 双级型隔离变流器及逆变器电路拓扑

图选项

图 5中钒电池与变换器滤波电容C₁之间的L₀为冲击电流抑制电感，S₀为该电感的辅助断路器。该变换器不仅具备高频隔离功能，而且交错并联BuckBoost电路在稳态时可有效降低电池侧电流纹波，减小系统直流侧LC滤波装置的体积重量，同时，在动态过程中能有效弥补高频全桥电路闭环调节速度受限的缺点，从而在电池自启动和充放电状态快速切换过程中起到关键作用。
2.2 自启动控制方法根据钒电池自启动运行模式中的分析可知，当主闸闭合瞬间，电池电堆与变流器间的电压差导致冲击电流的产生。首先，由于主闸闭合前循环系统需要以40~59 V的恒压模式供电，而且从启动循环系统到电池自检完成主闸闭合的时间具有一定的随机性，所以无法通过主动控制实现冲击电流的抑制，只能在被动检测到冲击电流出现后通过相应控制实现限流；其次，考虑到采样延迟，在主闸闭合到控制闭环起作用的时间内，2个电压源型电源间的冲击电流需要依靠限流电感抑制；最后，为避免高频变压器出现动态偏磁，限流控制应通过BuckBoost电路闭环调节实现。
依据上述要求，在双级高频隔离变流器的基础上，本文提出了一种钒电池自启动控制方法。首先变流器工作在恒压限流的工作状态，DC/AC全桥控制电容C₃电压为800 V，DC/DC高压侧全桥固定占空比，交错并联BuckBoost电路闭环调节输出电压满足循环系统控制器要求。当循环系统启动且电池自检通过后主闸闭合，当电堆电压与变流器电压差较大则会产生冲击电流，若检测到的充电电流大于限流值，BuckBoost电路进入限流控制环，该电流闭环的限流值通过当前检测到的电堆电压及充电内阻值而决定。当电池启动完成后，变流器切除串联的直流电感，控制变流器实现稳态充放电运行。图 6为BuckBoost电路恒压限流双闭环控制框图。

图 6 恒压限流双闭环控制框图

图选项

如图 6所示，其中：V_ref为恒压参考值，取值满足循环系统供电要求；V₀为变流器输出电压采样值；E为电堆空载电压值；I_m为理论最小限流值；I_ref为电流参考值；I₀为输出电流采样值。E与I_m的对应关系如下所示：

${I_{\rm{m}}} = \frac{{40-E}}{r} + 20.$

(2)

其中：r为当前E对应的充电内阻，40 V为循环系统工作的最低电压。需要注意的是，此公式仅针对E小于40 V的情况适用，若E大于40 V，则限流值设置为20 A。
与常规电压电流双闭环不同的是，控制系统的限流值与电堆空载电压相关。根据充电内阻变化规律，依据式 (2) 所示得出最小冲击电流值，同时冲击电流的限制值受电池容量和变流器最大电流容量限制，本文使用的普能公司5 kW钒电池电流额定容量130 A，允许最大冲击电流180 A，考虑到闭环过调制等因素的影响，实际控制中的电流上限设为150 A，若依据式 (2) 计算得出的最小冲击电流小于150 A，电流限制值按最小冲击电流给定。
考虑到变流器的电流采样延迟，所以必须通过平波电感抑制从主闸闭合到变流器检测到过流信号时间内电流的上升率。假设冲击电流最严重的情况下，电压差为40 V，允许最大上升电流150 A，为闭环调节响应预留10个开关周期的时间，假设电压差完全由限流电感全部承担，则计算得出所需的电感值为0.16 mH。
当启动完成后，钒电池按上位机指令要求可进入正常充放电运行状态。钒电池恒流放电时，交错并联BuckBoost电路控制电容C₂电压为150 V；高频隔离DC/DC低压侧全桥4个开关管S_a1~S_a4控制钒电池放电电流为恒流放电给定电流值；DC/AC全桥控制电容C₃电压为750 V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足当前设定的功率因数要求。恒流充电时，DC/AC全桥控制电容C₃电压为800 V，同时控制交流侧电压、电流相位差满足设定功率因数的要求；高频隔离DC/DC高压侧全桥控制充电电流为充电给定值，同时BuckBoost开关管S₃、S₄按50%占空比交错开通，使充电电流纹波最小。综上所述，钒电池储能系统的整体运行控制框图如图 7所示。

图 7 钒电池整体运行控制框图

图选项

上述自启动控制方法，可实现电堆主闸闭合时刻冲击电流的有效抑制。在拓扑结构上，高频隔离DC/DC电路有效减小了隔离型并网变流器的体积重量，交错并联BuckBoost电路减小了直流侧滤波装置的体积重量。在控制策略上，通过交错控制有效减小直流侧电流纹波，并且弥补了高频全桥电路闭环调节速度的不足，在抑制启动时刻的冲击电流中起到关键作用。
3 自启动实验结果为了验证本文提出的控制策略的有效性，在普能公司5 kW钒电池储能系统平台上进行了钒电池自启动实验，如图 8所示为实验用钒电池和双级隔离型变流器实验样机。其中DC/AC三相逆变模块为图 8b中右侧的变流器，双级型高频隔离DC/DC模块为图 8b中左侧的变流器。若系统中有多组钒电池并联运行则可通过独立DC/DC模块并联至逆变器的直流母线处，再通过逆变器集中并网。逆变器交流侧直接与三相电网相连，DC/DC低压侧直接与钒电池充电端口相连。

图 8 钒电池实验测试平台

图选项

自启动实验工况如下：钒电池电堆的空载电压为24 V；直流侧的限流电感0.16 mH，电池侧滤波电容1 500 μF，交错并联电路电感150 μH；高频变压器变比6：1，交流侧滤波电感2.5 mH，交流侧滤波电容4 μF。充电机以恒压限流模式启动，恒压值设定为48 V，限流值根据采样的钒电池电堆电压值、程序设定的空载电堆电压规律及内阻变化规律自动计算求取。
实验结果如图 9所示，包含了不同初始电量情况下的钒电池自启动电压及变换器电流波形。其中图 9a详细展示了较大冲击电流情况下的电流变化趋势，而图 9b和图 9c的冲击电流较小。从图 9a可以看出，电堆在主闸闭合前的空载电压为24 V，远低于正常工作电压。当主闸自动闭合在变流器与电堆电极间构成冲击电流，由于充电电流迅速升高，钒电池电堆的空载电压迅速升高，且SoC也逐渐升高，最后使得钒电池对外端口电压上升至45 V，该过程中的冲击电流峰值为45 A，由于冲击电流作用使得电堆的对外端口电压逐步升高，最终稳定在限流20 A的工作状态。图 9b中的电池初始空载电压为38 V，略低于变换器恒压输出值48 V，其在主闸闭合时刻产生的冲击电流峰值仅为22.5 A，明显小于低电量区启动时的冲击电流，稳态工作于限流20 A的充电状态。图 9c为电池高电量启动状态，初始空载电压51 V，高于当前变换器工作电压，主闸闭合后，循环系统不再从变换器取电，转而从电堆取电，使得电堆端口电压略下降至50 V。此时变换器仍处于恒压充电运行模式，但其不再向电堆充电也不再为循环系统供电，此时电堆将循环系统作为负载，开始内部循环放电，待电池启动后可根据电网充放电需要改变变换器的充放电模式。

图 9 不同初始电量下的自启动电压、电流波形

图选项

该自启动实验验证了钒电池储能系统在不同初始电量情况下，主闸闭合瞬间的冲击电流控制效果、功率冲击暂态过程及稳态运行特性。验证了所提出的钒电池自启动方案中各级电路协调控制的有效性和可行性。
4 结??论本文通过一种双级型高频隔离变流器实现钒电池自启动运行功能，变换器通过恒压限流闭环控制实现了自启动过程中的冲击电流抑制，同时该电路通过高频变压器实现电池组间以及电池与电网的电气隔离。与工频电力变压器相比，纳米晶结构的高频磁芯不仅具有更高的磁导率，并且大幅提高了变压器工作频率，降低所需电感值，从而有效提高了系统功率密度。同时BuckBoost电路的交错并联控制实现了稳态电流纹波最小的控制，也减小了直流侧滤波体积重量。最后，基于5 kW钒电池储能实验平台，完成系统自启动及稳态运行实验。实验结果表明，该双级型高频隔离变流器结构和自启动控制策略具有可行性和有效性。

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