CN102290851B - 一种大规模储能装置及其主电路 - Google Patents

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Abstract

一种大规模储能装置及其主电路，大规模储能装置主电路包括至少一个储能单元，每个储能单元包括一个变流器与至少两个DC/DC模块；所述变流器一侧用于连接电源，变流器另一侧连接所述各DC/DC模块，每个DC/DC模块用于对应连接一组储能电池；所述监控平台包括：后台监控机、协调控制器以及所述变流器控制器与DC/DC控制器；所述后台监控机与协调控制器之间通过RS485总线通讯连接。监控平台采用分层式布式结构，由协调控制器统一控制底层多台变流器控制器和DC/DC控制器，实时控制时可以实现统一协调动作，避免因动作不协调时出现的故障停机状况。

Description

一种大规模储能装置及其主电路
技术领域
本实用新型涉及新能源领域，特别是大规模储能装置。
背景技术
首先说明，本文所指储能装置的定义是：与储能电池组配套，连接与电池组与电网之间，把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网的装置，主要由功率变流器及其控制系统组成。
大规模储能技术在很大程度上可以解决新能源发电、电动汽车充电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电和电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网，并减小大规模电动汽车的无序充电对电网的影响。
大规模储能装置连接于电池组与电网之间，可以把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网。储能装置主要由开关设备、变流器、DC/DC模块、监控系统等构成。在储能工作状态下，储能装置接收站级监控指令控制设备对电池充电；在放电工作状态下，储能装置接收站级监控指令控制设备通过电池向电网放电，以实现削峰填谷的功能。
现有技术中，较多采用光伏逆变器，如申请号为200910068505的中国专利文件《户用太阳能光伏逆变器》，该文件披露的逆变器系统，仅能实现能够从光伏到电网的能量单向流动，而且装置的模块化程度低，不适合拓展，难以应用到大规模储能平台。另外，其控制模式而且采用统一控制方式，结构简单，只适合单个用户使用，不适合大规模储能装置。
监控平台是大规模储能装置的重要组成部分，它是实现大规模储能装置控制软硬件基础。大规模储能装置监控平台的主要技术难点在于1）强电磁干扰环境下底层IGBT阀的触发、保护与检测问题；2）多台变流器AC/DC（DC/AC）模块（即双向换流器）及DC/DC模块的协调控制、保护、通信问题与关于可靠性的要求。大规模储能装置目前在国内外处于示范运行阶段，尚未大规模推广，已投运示范工程的监控平台多为现有技术的简单综合，没有完全依照大规模储能装置的特点而单独设计开发，监控平台系统繁杂、成本较高且可靠性低。
现有技术中，有光伏逆变器的监控平台，如申请号为200910068505的中国专利文件《户用太阳能光伏逆变器》，该文件披露的逆变器系统，仅能实现能够从光伏到电网的能量单向流动，而且采用统一控制方式，结构简单，只适合单个用户使用，不适合大规模储能装置。
现有技术中，还有电动汽车充放电站，如申请号为20100532726的中国专利文件《带有储能装置的电动汽车充电站》，该文件披露的系统，也没有给出适合于大规模储能的应用例子。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种大规模储能装置及其主电路，用以解决现在的大规模储能装置大多采用光伏逆变器，只能实现能量单向流动，而且模块性差，不适合大规模储能应用。
为实现上述目的，本实用新型的储能装置主电路方案是：一种大规模储能装置主电路，包括至少一个储能单元，每个储能单元包括一个变流器与至少两个DC/DC模块；所述变流器一侧用于连接电源，变流器另一侧连接所述各DC/DC模块，每个DC/DC模块用于对应连接一组储能电池。
所述变流器通过直流母线连接所述各DC/DC模块，每个DC/DC模块的一侧连接在所述母线上，另一侧用于连接所述储能电池。
所述变流器的直流母线侧还设有母线支撑电容。
所述变流器为三相变流器，该三相变流器一侧连接电网，另一侧连接所述直流母线。
所述电网与变流器之间还设有串联电抗器与RC过压抑制电路。
所述DC/DC模块为斩波模块。
电路拓扑采用二级变化，前级变流器采用大容量变流器方案实现，后级DC/DC模块采用多个斩波模块组成。电路拓扑采用二级变化时直流电池侧纹波小，控制精度高，系统故障或直流母线故障时对电池可有效保护；采用多个DC/DC独立控制，每个DC/DC模块可以连接相互独立的电池组，电池侧接入电压范围宽，可大大减少需要并联的电池数量，降低电池成组难度；整个电路拓扑采用集中协调控制方式，实现了分层分布式控制，简单可靠。
本发明的另储能装置方案是：一种大规模储能装置，包括大规模储能装置主电路及监控平台，大规模储能装置主电路包括至少一个储能单元，每个储能单元包括一个变流器与至少两个DC/DC模块；所述变流器一侧用于连接电源，变流器另一侧连接所述各DC/DC模块，每个DC/DC模块用于对应连接一组储能电池；所述每个变流器对应连接一个变流器控制器，每个DC/DC模块均对应连接一个DC/DC控制器；所述变流器控制器与DC/DC控制器均设有用于控制变流器与DC/DC模块中IGBT阀的光纤触发与检测端口，并通过该端口控制连接所述变流器及DC/DC模块；
所述监控平台包括：后台监控机、协调控制器以及所述变流器控制器与DC/DC控制器；
所述后台监控机与协调控制器之间通过RS485总线通讯连接；
所述协调控制器与所述各变流器控制器与各DC/DC控制器均对应设有用于通讯控制的CAN总线端口，所述CAN总线端口连接在CAN总线上；
所述协调控制器还设有对应所述各变流器控制器与各DC/DC控制器的使能发送与故障反馈接收端口，与所述各变流器控制器与各DC/DC控制器的使能接收与故障反馈发送端口通过光纤连接。
所述协调控制器还通过CAN总线连接BMS的CAN总线接口，用于接收来自BMS的各种实时测控信号。
所述后台监控机通过以太网连接BMS的以太网接口。
所述后台监控机还通过以太网连接站级监控机。
监控平台采用分层分布式结构，最上层部分为HMI人机界面部分，由本地后台监控机组成。本地后台监控机通过工业现场RS485总线与协调控制器相连，实现就地的监控功能；本地后台监控机通过以太网通信与上层能量管理系统相连，两者之间采用标准远动通信规约。本地后台监控机还能够与上层能量管理系统，即站级监控机进行远动通信。
监控平台中层部分为协调控制器部分，协调控制器主要用作对多台变流器控制器、DC/DC控制器的协调控制。协调控制器与本地后台监控机通过工业现场RS485总线连接，与多台底层控制器之间通过CAN网连接，实现信息交互及对底层设备的控制。协调控制器接收本地后台监控机的指令并下达给变流器控制器，接收各底层控制的反馈的各种状态及运行信息并上传至本地后台监控机，通过光纤协调控制变流器控制器和DC/DC模块控制器的启动、停机、复位等操作。
监控系统底层部分为多台变流器控制器和DC/DC控制器，以实现对变流器及DC/DC模块的控制。
变流器控制器通过采样板检测系统电压及装置电流，通过本控制器的主控板进行闭环算法控制，计算所需控制输出部分并形成PWM触发脉冲信号，通过光纤板将PWM触发脉冲信号转换为光信号送给底层光电触发部分以实现对变流器的IGBT阀触发。
DC/DC控制器通过采样装置直流电压及直流电流，通过本控制器的主控板进行闭环算法控制，计算所需控制输出部分并形成PWM触发脉冲信号，通过光纤板将PWM触发脉冲信号转换为光信号送给底层光电触发部分以实现对多个DC/DC模块的IGBT阀触发。
对于数据传输等无实时传输的信号或数据，协调控制器和底层控制器通过CAN网进行通信，多台控制器连接在一个CAN网上，大大简化了网络构架；对于保护、启动、闭锁等关键信号，协调控制和底层控制器通过光纤进行通信，以实现单个模块故障时的对整套装置的快速保护。
各底层控制器和IGBT阀之间，通过光纤进行联络，PWM光触发信号直接送至IGBT光驱动板，IGBT反馈的故障信号亦通过光纤直接反馈给各控制器以实现快速闭锁。本方式抗电磁干扰能力强，保护迅速可靠，有效的提高了成套装置的可靠性。
综上，本监控平台采用分层式布式结构，由协调控制器统一控制底层多台变流器控制器和DC/DC控制器，实时控制时可以实现统一协调动作，避免因动作不协调时出现的故障停机状况；当底层设备出现故障时，由光纤上报故障信息，各控制器之间通过光纤实现统一闭锁及快速保护功能。各底层控制器和IGBT之间均采用光纤传输驱动信号和故障闭锁信号，抗电磁干扰能力强。通信灵活、保护可靠、平台结构开发灵活、易扩容移植、工程实现简单的优点，是电路拓扑复杂型大功率电力电子设备监控平台的典范。
附图说明
图1是本实用新型的大规模储能装置的主电路拓扑；
图2是本实用新型的监控平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
注意：下文及附图中的AC/DC或AC/DC(DC/AC)模块均是指变流器。
主电路实施例
图1是每个交流端口对应一组直流端口的储能装置电路拓扑，每个交流端口对应一个储能单元，每个单元功率为250kW。每个单元包括电网侧的变流器和直流侧DC/DC两部分。如图共有两个变流器（1#AC/DC，2#AC/DC），每个变流器的直流侧连接有五个DC/DC模块，每个DC/DC模块一端与变流器连接，另一端对应一对直流端口，每对直流端口用于连接一组储能电池。变流器为三相整流（逆变）模块。变流器直流侧连接有支撑电容。电网与变流器交流侧之间设有串联电抗器与RC过压抑制电路。DC/DC模块与直流端口之间设有继电器控制的接触器。
网侧的四象限并网变流器负责稳定直流母线电压，为后级DC/DC模块提供公共直流母线，保持DC/DC模块和电网之间的有功功率平衡。250kW的有功功率需要大量电池并联，为此后级DC/DC模块采用5台双向斩波器，它们的一端都接到变流器的直流侧，另一端则连接各自的独立电池组。这样，每台双向斩波器只需承担50kW的功率，可以大为减少需要并联的电池数量。
5台DC/DC模块通过CAN总线和主控制器相连。主控制器可以对任意一台DC/DC模块下发启、停命令和充放电电流指令，5组电池的充放电完全能够独立控制。这样，任何1台DC/DC模块或电池组故障均不影响其他电池组的工作，整个系统具有高度的灵活性和整体可靠性。
储能装置实施例
主电路与上实施例相同不再赘述。
如图1、图2，每个变流器均对应连接一个AC/DC（DC/AC）控制器，每个DC/DC模块均对应连接一个DC/DC控制器；AC/DC（DC/AC）控制器与DC/DC控制器均设有用于控制变流器与DC/DC模块中IGBT阀的光纤触发与检测端口，并通过该端口控制连接变流器及DC/DC模块。监控平台分层分布式设置，包括：后台监控机、协调控制器以及AC/DC(DC/AC)控制器与DC/DC控制器；台监控机通过以太网连接站级监控机；后台监控机与协调控制器之间通过RS485总线通讯连接；协调控制器与各AC/DC(DC/AC)控制器与各DC/DC控制器均对应设有用于通讯控制的CAN总线端口，CAN总线端口连接在CAN总线上；协调控制器还设有对应各AC/DC(DC/AC)控制器与各DC/DC控制器的使能发送与故障反馈接收端口，与各AC/DC(DC/AC)控制器与各DC/DC控制器的使能接收与故障反馈发送端口通过光纤连接。
电池组还配置有BMS（电池管理系统），协调控制器还通过CAN总线连接BMS的CAN总线接口，接收来自BMS的各种实时测控信号；后台监控机通过以太网连接BMS的以太网接口，接收一些非实时的，如充放电记录等信息。
变流器也是通过CAN总线和主控制器进行通信，接收主控制下发的启、停命令和无功指令，并回报自身工作状态。变流器的功能是通过稳定直流母线电压来平衡DC/DC模块和电网之间的有功功率。为了快速、准确地稳定直流母线电压，除了自身的直流稳压环，变流器还检测直流母线电流，对其有功电流进行前馈控制。变流器还可以根据电网要求产生一定的无功功率，其大小由主控制器下发的无功指令决定。

Claims (4)

1.一种大规模储能装置，其特征在于，包括大规模储能装置主电路及监控平台，大规模储能装置主电路包括至少一个储能单元，每个储能单元包括一个变流器与至少两个DC/DC模块；所述变流器一侧用于连接电源，变流器另一侧连接所述各DC/DC模块，每个DC/DC模块用于对应连接一组储能电池；所述每个变流器对应连接一个变流器控制器，每个DC/DC模块均对应连接一个DC/DC控制器；所述变流器控制器与DC/DC控制器均设有用于控制变流器与DC/DC模块中IGBT阀的光纤触发与检测端口，并通过该端口控制连接所述变流器及DC/DC模块；
所述监控平台包括：后台监控机、协调控制器以及所述变流器控制器与DC/DC控制器；
所述后台监控机与协调控制器之间通过RS485总线通讯连接；
所述协调控制器与所述各变流器控制器与各DC/DC控制器均对应设有用于通讯控制的CAN总线端口，所述CAN总线端口连接在CAN总线上；
所述协调控制器还设有对应所述各变流器控制器与各DC/DC控制器的使能发送与故障反馈接收端口，与所述各变流器控制器与各DC/DC控制器的使能接收与故障反馈发送端口通过光纤连接。
2.根据权利要求1所述的一种大规模储能装置，其特征在于，所述协调控制器还通过CAN总线连接BMS的CAN总线接口，用于接收来自BMS的各种实时测控信号。
3.根据权利要求1所述的一种大规模储能装置，其特征在于，所述后台监控机通过以太网连接BMS的以太网接口。
4.根据权利要求1所述的一种大规模储能装置，其特征在于，所述后台监控机还通过以太网连接站级监控机。
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