本發(fā)明涉及一種基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，屬于全釩液流電池。

背景技術(shù)：

1、隨著能源清潔低碳發(fā)展逐漸成為能源發(fā)展大勢，大型儲能系統(tǒng)已成為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，以匹配電網(wǎng)的需求并避免可再生能源發(fā)電直接接入電網(wǎng)時可能對電網(wǎng)造成的沖擊。在目前眾多大型儲能系統(tǒng)中，全釩液流電池憑借效率高、響應快、深度放電能力強、循環(huán)壽命長、安全性高、經(jīng)濟且電解質(zhì)不存在交叉污染的優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。因此，研究全釩液流電池系統(tǒng)對進一步提高可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)整體實力具有重要意義。在眾多反應電池性能的指標中，荷電狀態(tài)(soc)是電池最重要的性能指標之一，它可以反應電池內(nèi)剩余可用電量的多少，為電池后續(xù)的控制和優(yōu)化策略提供指導意義。因此，設(shè)計合適的估計方法來在線、準確估計全釩液流電池的soc在全釩液流電池的工程實際應用中具有重要意義。

2、全釩液流電池soc與內(nèi)部四種不同價態(tài)的釩離子的濃度有關(guān)，然而，其內(nèi)部釩離子濃度難以實現(xiàn)實時測量。工程應用中測量電池soc的傳統(tǒng)方法主要是直接對電池電流進行積分從而得到soc估計的庫倫計數(shù)法，然而這種方法沒有考慮到電池運行中由于電池極化、電池自身歐姆電阻等各種因素造成的電量損失，并且誤差將隨著時間逐漸增大，因此在實際應用中存在明顯的誤差。

3、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，以實現(xiàn)全釩液流電池soc的在線、精確估計。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，包括：step1、針對全釩液流電池系統(tǒng)建立基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型；將基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型改寫為狀態(tài)空間方程形式，獲得變化后的全釩液流電池等效電路模型；step2、針對變化后的全釩液流電池等效電路模型，引入高增益和輔助變量，建立第二自適應觀測器，進而依據(jù)設(shè)計的第二自適應觀測器以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)待觀測電壓和模型參數(shù)的估計；step3、依據(jù)估計出的電壓值，實現(xiàn)對全釩液流電池荷電狀態(tài)的估計。

4、所述基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型的建立，包括：

5、根據(jù)全釩液流電池運行原理，利用電路串并聯(lián)性質(zhì)和歐姆定律，建立基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型，所建立等效電路模型的等式如下：

6、

7、其中，cbat，cpol∈r分別為影響電池開路電壓ocv和極化損失的電容；rsd，rpol，rohm∈r分別為影響電池自放電、極化損失和歐姆損失的電阻；eocv，epol，e∈r分別表示電池開路電壓ocv、極化電壓和端電壓；ib∈r是電池電流；r為實數(shù)集。

8、所述將基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型改寫為狀態(tài)空間方程形式，獲得變化后的全釩液流電池等效電路模型，具體為：選擇電池開路電壓eocv和極化電壓epol作為狀態(tài)變量，利用電池可測量的端電壓獲得系統(tǒng)輸出y，電池電流作為系統(tǒng)輸入u，將基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型改寫為狀態(tài)空間方程形式，獲得變化后的全釩液流電池等效電路模型：

9、

10、其中，x＝[eocv?epol]t∈r2×1代表系統(tǒng)內(nèi)待觀測的電壓值即狀態(tài)變量，t為轉(zhuǎn)置，r2×1表示矩陣的維度為2×1；u＝ib為電池電流；φ(x，u)∈r2×3為與內(nèi)部電壓狀態(tài)和電池電流有關(guān)的回歸向量矩陣，r2×3表示矩陣的維度為2×3；θ∈r3×1為待估計的模型參數(shù)，r3×1表示矩陣的維度為3×1；y為不含歐姆損失的電池電壓作為系統(tǒng)輸出，y∈r，r為實數(shù)集；c＝[1?1]∈r1×2，r1×2表示矩陣的維度為1×2。

11、所述step2，包括：

12、step2.1、針對變化后的全釩液流電池等效電路模型，增加含高增益的輸出反饋項和用來補償參數(shù)估計誤差對狀態(tài)變量觀測造成的影響的補償項ρ以初步構(gòu)建自適應觀測器，得到第一自適應觀測器：

13、

14、其中，分別為狀態(tài)變量x和模型參數(shù)θ的估計值；a≥1∈r是第一自適應觀測器高增益參數(shù)，r為實數(shù)集；為一對角矩陣，r2×2表示矩陣的維度為2×2；k∈r2×1為反饋增益，r2×1表示矩陣的維度為2×1；y為不含歐姆損失的電池電壓作為系統(tǒng)輸出，y∈r，r為實數(shù)集；c＝[1?1]∈r1×2，r1×2表示矩陣的維度為1×2；ρ∈r2×1為用來補償參數(shù)估計誤差對狀態(tài)變量觀測造成的影響的補償；為與內(nèi)部電壓狀態(tài)估計值和電池電流有關(guān)的回歸向量矩陣；為對時間t的導數(shù)；

15、step2.2、為了計算補償項ρ，對構(gòu)建輔助變量得到：

16、

17、其中，為輔助變量，r2×3表示矩陣的維度為2×3；

18、step2.3、利用輔助變量設(shè)計補償項ρ：

19、

20、其中，為對時間t的導數(shù)；

21、step2.4、根據(jù)第一自適應觀測器和補償項，得到第二自適應觀測器為：

22、

23、所述第二自適應觀測器基于輸出反饋誤差設(shè)計參數(shù)自適應律，以更新模型參數(shù)，表達式為：

24、

25、其中，γ∈r3×3為一個對稱正定增益矩陣。

26、所述step3，包括：

27、step3.1、根據(jù)能斯特方程，得到全釩液流電池開路電壓eocv表達式如下：

28、

29、其中，n為電池數(shù)量；eθ為電池標準電壓；r1為大氣常數(shù)；t為電堆溫度；f為法拉第常數(shù)；基于全釩液流電池開路電壓表達式，計算電池荷電狀態(tài)，荷電狀態(tài)soc的計算表達式為：

30、

31、式中，e為自然常數(shù)；

32、step3.2、利用第二自適應觀測器得到電池開路電壓ocv的觀測值并代入荷電狀態(tài)soc的計算表達式，得到荷電狀態(tài)soc的估計值

33、

34、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過建立基于1階電阻-電容(resistance-capacitor，rc)網(wǎng)絡的等效電路模型，將全釩液流電池內(nèi)部釩離子濃度的估計問題轉(zhuǎn)化為電池ocv估計問題，利用輸出反饋誤差構(gòu)建自適應律以實現(xiàn)模型參數(shù)辨識，并將其引入自適應觀測器設(shè)計當中，最后通過能斯特方程得到電池荷電狀態(tài)和開路電壓(opencircuitvoltage，ocv)之間的關(guān)系式，利用ocv觀測值就可實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)的估計，該過程無需復雜精確的電化學模型建模，也無需對內(nèi)部釩離子濃度進行估計，大大簡化了電池荷電狀態(tài)的估計過程；其僅通過易在線測量的電流和電壓信號實現(xiàn)即可對全釩液流電池荷電狀態(tài)的在線估計，由此本發(fā)明在工程應用中易實現(xiàn)。通過仿真實驗也進一步表明本發(fā)明與傳統(tǒng)soc估計方法相比，可以顯著提高估計精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，所述基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型的建立，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，所述將基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型改寫為狀態(tài)空間方程形式，獲得變化后的全釩液流電池等效電路模型，具體為：選擇電池開路電壓eocv和極化電壓epol作為狀態(tài)變量，利用電池可測量的端電壓獲得系統(tǒng)輸出y，電池電流作為系統(tǒng)輸入u，將基于1階rc網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型改寫為狀態(tài)空間方程形式，獲得變化后的全釩液流電池等效電路模型：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，所述step2，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，所述第二自適應觀測器基于輸出反饋誤差設(shè)計參數(shù)自適應律，以更新模型參數(shù)，表達式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，所述step3，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于自適應觀測器的全釩液流電池荷電狀態(tài)估計方法，包括：針對全釩液流電池系統(tǒng)建立基于1階RC網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型；將基于1階RC網(wǎng)絡的全釩液流電池等效電路模型改寫為狀態(tài)空間方程形式，獲得變化后的全釩液流電池等效電路模型；針對變化后的全釩液流電池等效電路模型，引入高增益和輔助變量，建立第二自適應觀測器，進而依據(jù)設(shè)計的第二自適應觀測器以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)待觀測電壓和模型參數(shù)的估計；依據(jù)估計出的電壓值，實現(xiàn)對全釩液流電池荷電狀態(tài)的估計。本發(fā)明為全釩液流電池荷電狀態(tài)的在線、精確估計提供了新思路，同時與傳統(tǒng)估計方法相比，可以顯著提高估計精度。

技術(shù)研發(fā)人員：邢亞珊,陳嫻淑,高貫斌,那靖
受保護的技術(shù)使用者：昆明理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10