一种全钒液流电池的复合建模仿真方法技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种全钒液流电池的复合建模仿真方法
本专利技术属于储能
，涉及液流电池
，提供一种全钒液流电池的复合建模仿真方法。
技术介绍
全钒液流氧化还原电池(VanadiumRedoxBattery,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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：一种全钒液流电池的复合建模仿真方法，包括以下步骤：步骤一，建立全钒液流电池VRB的等效电路模型，明确等效电路模型中需要动态更新的参数：结合如附图1、2所示VRB电池堆的结构，从VRB等效电路入手建模，确定需要动态更新的等效电路参数包括：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，如附图3所示。所述的电动势Vs、过电势η随着电解液离子浓度、环境温度动态变化，过电势η还受通过电堆的电流Is影响。所述的欧姆极化作用等效电阻Rs和外部寄生电阻Rfix也会随着环境温度动态变化，但是变化情况因材料而异，数值关系需要经验公式，而稳态运行中随环境变化的程度较电动势Vs、过电势η相比很小，这里暂定为一个恒定值进行分析。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着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。首先动态更新步骤一的电动势Vs，过电势η，明确所需的状态参数。对于电动势Vs，需要已知单位全钒液流电池的正负极标准电动势Vcell，由能斯特方程求得：其中，R是气体常数(J/(K·mol))，Ci为电池堆中各价态钒离子浓度(mol/L)，N为VRB单体数，F为法拉第常数(C/mol)，Ts为电堆电解液温度。Vcell为全钒液流电池的正负极标准电动势。对于过电势η，将其分为两类：浓差过电势ηc(本体溶液和电极表面的能斯特电动势之差)和活化过电势ηa(电化学反应进行的迟滞显现造成的电位偏离)有：η＝ηc+ηa(2)根据Butler-Volmer方程，设正负极的电荷转移系数都是0.5，正负极的活化过电势之和ηa的表达式为：式中：Ae为电极的表面积，kvi分别为正负极反应速率常数(m/s)，通过Arrhenius公式求出，是两电极反应的参考电位。式中：Tref为参考温度，kvi—ref为参考温度状态下的正负极反应速率常数。设是电极表面的离子的浓度，浓差过电势在理想稳态扩散情况下，电极表面的离子浓度和溶液中的离子浓度有：式中：j是电流密度，jd是极限电流密度，其计算公式如公式(7)所示：式中：l为扩散层厚度，Di为离子在电极表面区域和本体溶液之间的扩散系数(m2/s)。根据公式(5)、(6)、(7)可得根据公式(1)～(8)中可知，所需的VRB状态有：各价态钒离子浓度Ci，电解液温度的变化Ts，这些VRB状态会影响VRB的工作，而VRB的工作以及液流泵驱动电解液的流动又会反过来改变VRB的状态。因此VRB动态等效电路模型中，分析VRB状态变化的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：离子扩散分析模块、电解液温度分析模块、流动损耗分析模块，用来更新等效电路中的Vs及过电势η(等效电路以及过电势前文已述)，如附图4所示。1)离子扩散模块用于分析离子扩散损失，其表达式为：式中：V为电解液的总体积(L)，d为离子膜的厚度(μm)，Ki为各价态钒离子扩散系数(dm2/s)，S为离子隔膜面积(dm2)，α、β为整数系数，根据离子扩散后发生的化学反应方程式联立后得出。2)流动损耗分析模块用于分析电解液流动而产生的机械损耗：液流泵维持VRB的电解液流动，假设能量损失等于克服液压回路的流动阻力消耗的功率，并且都被转化为热量。损失功率ΔPpu与循环回路的压降Δp和电解液的流量Q(cm3/s)满足：ΔPpu＝2Δp×Q(10)循环回路的压降Δp分为电堆压降Δps和管道压降Δpp两个部分：Δp＝Δps+Δpp(11)Δps，Δpp可以通过根据具体VRB结构，通过有限元分析或者流体力学公式计算得出。3)电解液温度分析模块用来分析电解液温度的变化：假设VRB产生的热量只来自于VRB等效内阻的焦耳热，电解液完全混合且体积保持不变，正负极完全对称。罐体和管道的外表面暴露在自然对流环境中，由于罐内的流速很低，罐内表面也视为自然对流过程。根据能量平衡，VRB电池堆中电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国锋，常志松，王志强，袁铁江，王进君，杨振强，王宁会，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21