[发明专利]一种全钒液流电池的复合建模仿真方法

说明书

一种全钒液流电池的复合建模仿真方法，属于储能技术领域，步骤为：首先建立VRB的等效电路模型，明确其中需要动态更新的参数；其次建立一种通过分析电池状态的变化，从相关的电化学公式的角度上，动态更新这些参数的动态模型；再次，给出VRB系统的外部电路的结构，结合动态VRB模型，搭建基于EMR方法的开环模型，利用EMR方法的反转原则得到控制结构框架，在此基础上设计具体控制策略。最后，最后设置参数进行仿真验证，总结仿真结果，得出结论。本发明搭建的仿真模型能够较为准确并完整地仿真VRB的充/放电全过程，解决仿真算法冗杂的问题，适用于基于VRB的系统控制方案设计和稳态分析。

技术领域

本发明属于储能技术领域，涉及液流电池技术领域，提供一种全钒液流电池的复合建模仿真方法。

背景技术

全钒液流氧化还原电池(Vanadium Redox Battery,VRB)是当今应用广泛、发展迅速的环保型蓄电池之一，在性能、环保、节能等方面具有很强的优势。如图1、2所示是VRB的结构，区别其他电池，在于有一对转动的液流泵使得电解液循环，可以使得离子浓度均匀，提高电池的工作效率。

为了研究VRB运行过程和控制策略，需要建立VRB的等效电路模型，但是VRB等效电路参数会随着电池堆内部状态的改变而变化，是一个时变系统，采用参数为恒定值的静态等效电路模型分析误差较大，因此需要建立动态模型。

现有的动态模型是考虑离子扩散损失、电解液流场损耗，分析温度变化，根据电化学模型建立起动态数学分析模型，只考虑了电池内部充/放电过程，无法适应外部电路的变化，电池内部和外部电路整体控制方案无法实现。

若采用动态模型动态更新等效电路模型参数，建立起动态等效电路模型，不仅可以提高模型的精度，还能在此基础上设计外部电路，实现电池内部和外部电路的协同控制。

对于VRB的运行过程和控制策略的研究需要将其运用到一个具体的电路中，现有仿真技术常使用SimPower模块中的元件搭建外部电路，由于外部电路需要用到变流器，设计出控制策略来控制其运行，从而连接外部电路与VRB。然而采用SimPower搭建变流器模块由于需要电力电子器件，其脉冲频率达到10kHz以上，仿真算法较为冗杂，难以进行稳态分析研究。

采用能量宏观表示法(EMR)构建外部电路的仿真模型，简单明了地反映系统的能量宏观流动过程，忽略实现能量转换的具体原理，用图形化的表示方法处理系统内部的信息，是分析系统的一种逻辑思维转换方法。其建模的一般过程是通过连接系统每一部分的图形化模型，得到更为综合的系统整体表示方法。

为了提高VRB模型的精度同时适应外部电路结构，同时简化外部电路仿真的算法，集中优化VRB及其外部电路组成的系统。将动态分析模型和等效电路模型结合并搭建EMR模型进行仿真。从实际运用中研究VRB及其具体系统的能量吸收与释放的管理，同时还能兼顾电池自身的管理系统。另外，基于EMR模型的反转(因果关系转置)给出的控制系统框架，提供一个优化系统暂态和稳态性能设计控制策略的思路，目前没有关于这方面的技术研究与运用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明融合了全钒氧化还原液流电池(VRB)的等效电路模型和能够随着电池状态变化动态更新等效电路参数的动态模型，运用能量宏观表达法(EMR)对VRB系统的外部电路进行建模。给出了一种全钒氧化还原液流电池的复合建模仿真方法。首先建立起VRB的等效电路模型，明确其中需要动态更新的参数；随后建立一种通过分析电池状态的变化，从相关的电化学公式的角度上，动态更新这些参数的动态模型。接着给出VRB系统的外部电路的结构，结合动态VRB模型，搭建基于EMR方法的开环模型。利用EMR方法的反转原则得到控制结构框架，在此基础上设计具体控制策略。具体实施结果验证了本复合模型的正确性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全钒液流电池的复合建模仿真方法，包括以下步骤：