[发明专利]一种全钒液流电池的复合建模仿真方法

摘要

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。

主权项

1.一种全钒液流电池的复合建模仿真方法，其特征在于以下步骤：步骤一，建立全钒液流电池VRB的等效电路模型，确定等效电路模型中需要动态更新的参数：电池堆的电动势Vs、过电势η、欧姆极化作用等效的电阻Rs，外部寄生电阻Rfix，正负极电极板的极间电容Ce；由动态更新的参数得到VRB输出的电压Vb：Vb＝Vs+η+IbRs，其中，Vb和Ib分别为VRB输出的电压和电流；步骤二，在步骤一的基础上建立能够随VRB状态参数变化而更新的等效电路模型，定义为动态等效电路模型；动态更新步骤一的电动势Vs，过电势η，确定所需的状态参数：各价态钒离子浓度Ci，电解液温度的变化Ts；同时还包括电解液的流量Q；分析VRB状态变化的动态等效电路模型由输入输出量互相耦合的一系列子模块组成，具体包括：用于分析离子扩散损失的离子扩散分析模块、用于分析电解液温度变化的电解液温度分析模块、用于分析电解液流动而产生的机械损耗的流动损耗分析模块，用来更新等效电路中的Vs及过电势η；实时更新步骤一的等效电路中的η和Vs后，得到VRB的动态输出的电压Vb；步骤三，将步骤一等效电路模型和步骤二动态等效电路模型结合后，在Simulink中搭建VRB动态等效电路的仿真模型，设定相关参数，输入恒定的电流Ib，进行初步仿真，得出工作过程中电池电压Vb的范围，供后续设计系统外部电路时参考；步骤四，设计外部电路，给出VRB外部电路的拓扑结构，确定电路输入电压Vdc、电流Idc，输出给VRB的电压Vb、电流Ib之间的关系，组成基于VRB的具体系统；令充电时电流方向为正，输入的能量为正值，放电时电流方向为负，输入的能量为负值，这里的正负号代表能量传递方向；而电压均为正值，不允许出现负值；步骤五，结合动态等效电路模型，根据步骤三得出的工作过程中电压Vb的范围，并结合步骤四的外电路，确定外部输入的电压Vdc；将步骤二建立的VRB的动态等效电路模型和步骤四设计的VRB外部电路结构相结合，组成VRB系统模型，然后采用能量宏观表达法EMR构建该系统的EMR开环模型；所述的VRB系统的EMR开环模型各个主要的模块的定义及功能如下：1)能量始端：输出为外部电路的电压源Vdc，输入为外部电源侧的电流Idc；能量终端：输入为VRB的充电的电流Ib，输出为VRB的输出电压Vb；2)能量耦合模块：始端输入为Vdc，输出为Idc；末端输出为通过变流器的电力电子器件的斩波作用得出的电压Vb1，输入为Ib；电力电子器件的脉冲占空比D为本模块的传递向量；3)能量积累模块：表示对输入能量的内部积累；输入为Vb1以及Vb，输出为Ib；步骤六，对步骤五中VRB系统的EMR开环模型的各个模块反转，即将输入输出的因果关系转置，得到VRB系统的EMR开环模型的控制通道，从而得到整个VRB系统的EMR闭环控制模型；对于EMR开环模型的反转，能量耦合模块可以直接反转，能量积累模块的反转需要采用PI控制器；步骤七，根据实际VRB运行指标，制定运行方案及控制策略并融入控制通道；在Simulink中，首先在步骤三VRB动态等效电路的仿真模型基础上进行扩展，搭建步骤五中VRB系统的EMR开环仿真模型的仿真模型；随后搭建步骤六中反转得到的控制通道的仿真模型，再搭建具体运行方案及控制策略的仿真模型，融入控制通道仿真模型，从而得到整个VRB系统的EMR闭环控制仿真模型；最后设置参数进行仿真验证，总结仿真结果，得出结论。