CN102790410A - 一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统及其控制方法，其每个蓄电池组包括多个并联的单体电池；每个蓄电池组由多了并联小组串联组成；每个蓄电池组连接一套电池管理系统；所述电池管理系统监测单体电池电压、电流、电阻、容量状态，并起到充放电均衡作用；所述蓄电池组通过控制开关并行连接到充电器上和总线上；所述蓄电池组充放电控制方法用于控制各蓄电池组的充电和放电开关，控制柴油机开关。采用本发明可最大限度延长电池寿命，结合新能源和柴油机特性，充分发挥蓄电池储能作用和稳压作用，提高新能源和柴油机的利用效率，降低成本，同时实现在线更换电池，为不稳定新能源发电系统的储能技术提供有力的支撑。

Description

一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及能源与电子技术领域，尤其涉及的是一种用于不稳定新能源发电系统的蓄电池组充放电系统及其控制方法，适用于由风能、波浪能等不稳定新能源与柴油机组成的混合新能源供电系统的储能。

背景技术

世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们加速了对新能源的开发和研究。在寻找和开发新能源的过程中，人们把目光投向了包括太阳能、风能、海洋能和生物质能等可再生能源。在海岛上，风能、波浪能等能源充足，利用这些新能源发电能够节约大量化石类燃料资源。但是目前直接利用风能和海洋能等间歇式不稳定能源在新能源发电上存在一些问题。

风力发电站比别的发电站省钱，天气越恶劣风越大，发电性能越好。但是风能是一种间歇性资源，时有时无不稳定，对于需要提供稳定供电能力的电网来说，需要其他互补能源对风能的此缺点进行补充。而波浪能是海洋表面波浪所具有的动能和势能，是海洋能源中一种能量最不稳定且变化无规律的可再生能源。由于风能和波浪能的不稳定性，因此必须增加蓄电池，起到稳定电网电压、储存能量和移峰填谷的重要作用。但是目前很多大规模储电系统中，电池只是串联成组使用，缺乏对蓄电池科学的管理和维护，充放电控制不合理，导致单体蓄电池过充或过放，容量和性能快速下降。

现在海岛上常用的独立式混合能源发电系统，如图1所示，由作为能量来源的风力发电机101和波浪能装置102、一个蓄电池组103、电池管理系统104和柴油机105组成。其基本工作状态是在有风天气和海水波浪较大时对蓄电池进行充电并给用户供电，在无风或无波浪情况下蓄电池给用户供电，蓄电池的充放电由集中控制器完成。但在实际应用中，采用这种系统存在以下问题：

1)在不稳定新能源组成的储电系统中，蓄电池只在有能量供应时存储能量，这势必造成蓄电池长期处于充不满的欠佳状态，长期欠充电的蓄电池会出现负极板不可逆转的硫酸盐化现象，之后即使在有持续能量的情况下，也难以再次充满。并且蓄电池的充放电循环次数是有限的，设计寿命为20-25年的密封式蓄电池的实际工作寿命只有5-6年，这样蓄电池的使用寿命大大缩短。

2)一般而言，在给电池充电时，如果新能源没有能量供应或者新能源断续供能，就必须打开柴油机。一般给电池充电需要5～7个小时，柴油机一次需要开启7个小时，耗油量大，与新能源开发初衷相背。

3)在一个蓄电池组组成的系统中，当单体蓄电池出现故障时，在线更换电池也是一个亟待解决的问题。

其实这些问题在太阳能光伏系统等新能源混合微网发电系统中都存在。

针对蓄电池使用寿命问题，在专利CN 101651239A(《对多组蓄电池充电方法和其控制系统》)中，提出了一种用于太阳能和风能混合系统的蓄电池充电控制方法。每个充电周期对多组蓄电池重新进行排序，多组蓄电池在不同的充电周期轮流排序作为第一蓄电池。由于太阳能相比于风能和波浪能是更稳定能源，对于蓄电池的充电和放电控制相对简单，所以这一充电控制方法只适用于太阳能光伏发电系统。另外，此专利只针对多组蓄电池充电方式展开研究，没有提及蓄电池放电控制，而蓄电池的放电方式同样影响电池使用寿命。

针对充放电控制方法，专利CN 101917014A(《一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法》)中，提出了比较有功功率和电网允许上下限，决定蓄电池的充放电，如果有功功率在电网允许上下限之间，蓄电池就会退出运行。在专利CN 1697281A(《电动自行车、电动摩托车铅酸蓄电池组的放电控制联接方法》)中，提到将控制系统与铅酸蓄电池组两端联接为直接联接每一只蓄电池的正负极，放电时随时检测、控制蓄电池组中每一只蓄电池的电压、电流，以延长电池组循环寿命。这两种充放电控制方法只适用于单组蓄电池作为储能单元的运用场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统及其控制方法，旨在解决现有的不稳定新能源组成的大容量混合储能系统的蓄电池寿命问题。

为了实现这样的目的，在本发明技术方案如下：

一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其中，包括直流总线、充电模块、多个蓄电池组、集中控制器、多个拨动开关和多个电池管理系统，所述蓄电池组的容量和端电压相同，所述每个蓄电池组通过一个拨动开关连接充电模块或直流总线，所述充电模块连接在直流总线上，在每个蓄电池组上还连接有一电池管理系统，所述集中控制器连接充电模块和拨动开关，所述电池管理系统用于判断电池容量，当需要充电或放电时，通过集中控制器控制拨动开关，完成充放电动作。

所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其中，多个同批次同型号的蓄电池并联作为一个小组，多个小组串联组成一个蓄电池组。

所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其中，所述蓄电池组的个数为两组或两组以上。

所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其中，所述电池管理系统包括信号采集模块、充放电均衡控制模块和报警保护控制模块，用于实时检测各并联小组电池的电压、电流、温度和内阻信号，计算电池容量，对各并联小组蓄电池的充放电进行均衡。

一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统的控制方法，其中，包括以下步骤：

首先判断所有的蓄电池组的电池容量，如果所有的蓄电池组的已放出容量都高于设定的放电深度，则判断新能源发电系统有没有能量供应，如果新能源发电系统没有能量供应，则开启柴油机，由柴油机给用户供电，并给蓄电池组充电；如果新能源发电系统有能量供应，则由新能源发电系统给用户供电，同时给蓄电池组充电；

如果所有的蓄电池组的已放出容量都低于设定的放电深度，判断新能源发电系统有没有能量供应，如果没有能量供应，则由蓄电池组给用户供电；如果新能源发电系统有能量供应，则由新能源发电系统给用户供电；

如果有的蓄电池组的已放出容量高于设定的放电深度，有的低于设定的放电深度，则判断新能源发电系统有无能量供应，如果新能源发电系统有能量供应，则由新能源发电系统给用户供电，同时给电池容量低的蓄电池组充电；如果新能源发电系统没有能量供应，则打开容量高的蓄电池组的放电开关给用户供电。

所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统的控制方法，其中：所述设定的放电深度为蓄电池额定容量的30％。

本发明的有益效果：本发明通过对蓄电池连接方式及其充放电控制方式的研究，可以最大程度的延长蓄电池使用寿命，并实现在线更换电池，为不稳定能源发电系统的储能技术提供有力的支撑。

附图说明

图1是现有的常用的一种独立式风能波浪能混合能源发电系统。

图2是本发明提供的蓄电池充放电控制框图。

图3是本发明提供的两组蓄电池充放电时序对比图。

图4是本发明提供的单组蓄电池连接图。

图5是本发明提供的两组蓄电池充放电控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下通过附图及具体的实施方式对本发明的技术方法进一步描述。

参见表1为不稳定能源、柴油机和不进行集中控制的两组蓄电池，在不同组合方式下系统的状态表。

如表所示，以两组蓄电池为例，两组蓄电池分别充放电，但是不对他们进行集中控制，系统会出现以下几种状态(放电深度按照电池额定容量的30％设计)：

状态1、新能源持续供电且母线电压稳定，柴油机关闭，两组蓄电池都能及时充放电，系统稳定。

状态2、新能源断续供电或不供电，柴油机开启，两组蓄电池也都能及时充放电，系统稳定。

状态3、新能源断续供电或不供电，柴油机关闭，两组蓄电池都放电，系统稳定。但是当其中一组电池容量降低到低于70％，总线电压低于设定值，不能及时给蓄电池充电时，系统不稳定。

状态4、新能源断续供电或不供电，柴油机关闭，两组蓄电池一组充电，一组放电，系统稳定。但是当放电蓄电池容量降低到低于70％，总线电压低于设定值，不能及时给蓄电池充电时，系统不稳定。

状态5、新能源断续供电或不供电，柴油机关闭，两组蓄电池都充电，系统不稳定。

表1

如图2所示为本发明提供的蓄电池充放电系统的框图，其包括直流总线、充电模块、第一蓄电池组、第二蓄电池组、集中控制器、两个拨动开关和两个电池管理系统，所述第一蓄电池组和第二蓄电池组为两组容量和端电压相同的蓄电池组，本实施例仅以两组蓄电池组为例，来解释说明本发明，但本发明并不限于两组蓄电池组的设计方式，可以设置多组蓄电池组。

继续参见图2，所述第一蓄电池组和第二蓄电池组分别通过一个单刀双掷的拨动开关连接充电模块或直流总线。所述充电模块连接在直流总线上，所述第一蓄电池组和第二蓄电池组上分别连接有一电池管理系统。所述集中控制器连接充电模块和两个拨动开关。所述集中控制器控制拨动开关接通的方向以及控制充电模块对蓄电池组进行充电。所述两个蓄电池组的电池管理系统用于判断电池容量，当需要充电和放电时，通过集中控制器控制拨动开关，完成充放电动作。如图所示，当集中控制器控制波动开关接通1、3引脚时，蓄电池组与充电模块连接进入充电状态；当集中控制器控制波动开关接通1、2引脚时，蓄电池组与总线连接进入放电状态。

在不稳定能源、两组蓄电池和柴油机组成的供电系统中，当不进行集中控制时，3、4、5项系统不稳定，本发明针对系统不稳定状态，采取以下控制措施：

对于状态3，新能源断续供电或不供电，柴油机关闭，两组蓄电池都放电，当其中一组电池容量降低超过70％，而另一组容量高于70％时，容量高的电池组给用户供电，并给容量低的电池组充电。当总线电压低于设定值时，系统控制柴油机开启，保护电池，并给用户供电。当电池容量充满时，自动关闭柴油机。

对于状态4，新能源断续供电或不供电，柴油机关闭，两组蓄电池一组充电，一组放电，当放电蓄电池组容量降低超过70％，总线电压低于设定值时，系统控制柴油机开启，给电池充电，并给用户供电。当电池容量充满时，关闭柴油机。

对于状态5，新能源断续供电或不供电，柴油机关闭，两组蓄电池都充电，这种状态是不允许出现的。当总线电压低于设定值时，就要开启柴油机。

如图3所示为是本发明提供的两组蓄电池充放电时序对比图，图中，高电平为蓄电池放电状态；低电平为蓄电池充电状态。两组蓄电池充电存在3种情况，不同时充电，完全同时充电和部分同时充电。a为理想状态，为同一时刻两个蓄电池组一充一放的状态。在这种状态下，可以保证总线电压的稳定，并且不用开启柴油机，节约能源。b状态为两个蓄电池组需要同时充电，但充电时间不完全重叠的状态，当一组蓄电池充满，就关闭柴油机，由先充满电的蓄电池给负载供电，并给另一组蓄电池充电。c状态为两蓄电池组充电时间完全重叠的状态，当两组蓄电池都充满电时，关闭柴油机。

参见图4为本发明提供的单组蓄电池连接图。多个蓄电池单体并联组成一个小组，多个小组串联组成一个蓄电池组即n个同批次同型号的蓄电池并联作为一个小组，m个小组串联组成一个蓄电池组。

如图5所示为两组蓄电池充放电控制流程图，如图所示，本发明提供的新能源发电系统的蓄电池组充放电控制方法的步骤包括：

首先判断第一蓄电池组的容量和第二蓄电池组的电池容量。

如果电池放出能量都高于设定的放电深度，一般放电深度定为额定容量的30％，判断新能源有没有能量供应，如果新能源没有能量供应，则开启柴油机，由柴油机给用户供电，并给蓄电池充电；如果新能源供能，则由新能源给用户供电，同时给蓄电池充电。

如果两组蓄电池容量都高于额定容量的70％，判断新能源有无能量供应，如果没有，由两组蓄电池给用户供电；如果新能源有能量供应则由新能源给用户供电。

如果两组蓄电池一组容量高于额定容量的70％，一组低于70％，判断新能源有无能量供应，如果有，由新能源给用户供电，同时给容量低于额定容量70％的蓄电池组充电；如果没有，则打开容量高的蓄电池组的放电开关给用户供电。其实设定的放电深度并不限于上述举例说明的额定容量的30％。

在单组蓄电池做储能单元的系统中，是无法实现在线更换电池的。而由两组或多组蓄电池组成的系统中在线更换电池成为可能，将需要更换蓄电池的电池组下线即可。

本发明通过对蓄电池组连接方式及其充放电控制方式的研究，可以最大程度的延长蓄电池使用寿命，并实现在线更换电池，为不稳定能源发电系统的储能技术提供有力的支撑。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其特征在于，包括直流总线、充电模块、多个蓄电池组、集中控制器、多个拨动开关和多个电池管理系统，所述蓄电池组的容量和端电压相同，所述每个蓄电池组通过一个拨动开关连接充电模块或直流总线，所述充电模块连接在直流总线上，在每个蓄电池组上还连接有一电池管理系统，所述集中控制器连接充电模块和拨动开关，所述电池管理系统用于判断电池容量，对电池进行充放电均衡管理和告警控制，当需要充电或放电时，通过集中控制器控制拨动开关，完成充放电动作。

2.根据权利要求1所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其特征在于，多个同批次同型号的蓄电池并联作为一个小组，多个小组串联组成一个蓄电池组。

3.根据权利要求1所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其特征在于，所述蓄电池组的个数为两个。

4.根据权利要求1所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统，其特征在于，所述电池管理系统包括信号采集模块、充放电均衡控制模块和报警保护控制模块，用于实时检测单体电池的电压、电流、温度和内阻信号，计算电池容量，对单体蓄电池的充放电进行均衡。

5.一种新能源发电系统的蓄电池组充放电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先判断所有的蓄电池组的电池容量，如果所有的蓄电池组的已放出能量都高于设定的放电深度，则判断新能源发电系统有没有能量供应，如果新能源发电系统没有能量供应，则开启柴油机，由柴油机给用户供电，并给蓄电池组充电；如果新能源发电系统有能量供应，则由新能源发电系统给用户供电，同时给蓄电池组充电；

如果所有的蓄电池组的已放出能量都低于设定的放电深度，判断新能源发电系统有没有能量供应，如果没有能量供应，则由蓄电池组给用户供电；如果新能源发电系统有能量供应，则由新能源发电系统给用户供电；

如果有的蓄电池组的已放出能量高于设定的放电深度，有的低于设定的放电深度，则判断新能源发电系统有无能量供应，如果新能源发电系统有能量供应，则由新能源发电系统给用户供电，同时给电池容量低的蓄电池组充电；如果新能源发电系统没有能量供应，则打开容量高的蓄电池组的放电开关给用户供电。

6.根据权利要求5所述的新能源发电系统的蓄电池组充放电系统的控制方法，其特征在于：所述设定的放电深度为蓄电池组额定容量的30％。

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