CN103117594A - 一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能式直流电源领域，特别涉及一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，其特征是，包括接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、双向逆变器、储能锂电池组及系统控制器，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元及用电切换单元相连构成网络智能控制系统。与现有技术相比，本发明的优点是：用磷酸铁锂电池作为电储能载体，利用低谷电，采用储能斩波器充放电和双向逆变器的最优化技术方案。

Description

一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统

技术领域

本发明涉及在线储能式直流电源领域，特别涉及一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统。

背景技术

目前电力系统中的电力操作电源都采用直流电源，它为控制负荷、动力负荷以及直流事故照明负荷等提供电源，是当代电力系统控制、保护的基础。直流电源主要应用于电力系统中的小型发电厂、水电站、各类变电站，其他使用直流设备的用户( 如石化、矿山、铁路等)，在开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和故障照明等场合也适用。当电网未供电和电网掉电时，一切操作、显示、继电保护和故障照明等，均需直流电源支撑。

传统的直流电源柜（俗称直流池屏）都采用铅酸、镍铬蓄电池储能，这些电池具有污染、寿命短的缺陷，随着锂电池技术的发展，磷酸铁锂电池的很多特性更适合直流池屏储能。

另外传统电力系统中的电力操作用的直流电源，多采用模拟仪表检测、模拟信号传递，其线路复杂、线路多而远距离传送，存在信号易受干扰、计量精度低速度慢、处理不能智能化、不能与智能电网配套或无线远程管理等不足，特别是不能对储能电池组进行实时的科学管理。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，作为电力系统中的电力操作用的直流电源，实现包括充电(浮充、恒充、定充) 控制、放电控制、电池检测、电池均衡、优化使用、操作切换、冗余备用、电池保护、远程监测监视和网络智能控制及与智能电网配套等众多综合性能。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：

一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，包括接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、双向逆变器、储能锂电池组及系统控制器，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元及用电切换单元相连，系统电脑还分别与报警器、显示屏和GPRS无线通讯模块相连构成网络智能控制系统。

所述接入切换单元中操作控制器控制电子开关QF1、QF2和QF3开闭，当QF1和QF2闭合、QF3打开时，控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF21、QF22连通；当QF1打开、QF2和QF3闭合时，控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF21、QF22连通；所述操作控制器中包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口和RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量输出端与开关量输出驱动单元相连。

所述双向逆变器中包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的控制接点QF11、QF12的直流输出，接触器K合上时，直流信号经电容C1、电感L1及开关管T7形成脉动方波，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6 和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端QF41、QF42、QF43输出至用电切换单元。

所述电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号经上拉电阻Rn输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。

所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，所述隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C6、C7充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C6充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C7充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C6上的电压和电容C7上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）采用锂电池，特别是磷酸铁锂电池作为电储能载体，是当前电储能应用研究的新方向；利用低谷电储能，采用储能斩波器充放电和双向逆变器，是一项最优化的技术选择；

2）系统中的电流、电压和温度等信号，采用多路、多功能模块化和网络化，且同时具备两种现场总线(Modbus和Profibus-DP) 和GPRS远程无线技术，将模拟信号先转换成数字信号，再通过网络传递，信号传递时连线少、抗干扰能力強、信号转换精度高。这一综合配套技术是测控系统数字化、网络化的重大进步；

3）测控系统在数字化、网络化的基础上，再实现智能化，这是当前测、控一体化的重大改进；本发明系统控制策略，可用于众多场合，具有广泛的推广应用价值；

4）锂电池组采用了电池均衡器和电池温度检测单元，且引入了网络数据采集器，实现锂电池电压数据的及时上传，使系统实现了智能控制，同时保证了系统安全、经济、稳定运行。

附图说明

图1为本发明储能控制系统原理图；

图2为图1中系统控制器原理图；

图3为图1中接入切换单元原理图；

图4为图3中操作控制器原理图；

图5为图1中双向逆变器原理图；

图6为图1中储能斩波单元原理图；

图7为图1中电池均衡器原理图；

图8为储能锂电池1～8测温接线示意图；

图9为储能锂电池9～16测温接线示意图；

图10为图1中用电切换单元原理图；

图11为图7中的网络数据采集器原理图；

图12为图11中的信号接入单元原理图；

图13为图11中的信号变换单元原理图；

图14为图11中隔离放大单元原理图；

图15为图14的热电阻接入状态连接图；

图16为图11中嵌入式微电脑原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1、图2，为本发明一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统原理图，包括接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、双向逆变器、储能锂电池组及系统控制器，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元及用电切换单元相连，系统电脑还分别与报警器、显示屏和GPRS无线通讯模块相连构成网络智能控制系统。

储能锂电池组的接线方案按220V100AH和220V200AH两种规格组配，其中220V100AH锂离子电池组由7组标称为32V100AH的模块串联而成，32V100AH模块内部由10块单体3.2V/100AH锂电池串联而成；

220V200AH锂离子电池组由14组标称为16V200AH的模块串联而成，16V200AH模块内部由10块单体100AH锂电池组成，内部连接方式为2并5串。

见图3，接入切换单元中操作控制器控制电子开关QF1、QF2和QF3开闭，当QF1和QF2闭合、QF3打开时，控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF21、QF22连通；当QF1打开、QF2和QF3闭合时，控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF21、QF22连通，实现由光伏电池向锂电池充电或由电网的低谷电向锂电池充电的切换功能；

见图4，操作控制器中包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口和RS-485接口，嵌入式微电脑上设有开关量输入端（开入）与开关量输出端，开关量输出端与开关量输出驱动单元（开出驱动）相连，实现开关量的功率放大。USB接口可用于程序的更新。RS-485接口用于电流或电压信号的输入。

见图5，双向逆变器中包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制电路，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的控制接点QF11、QF12的直流输出，接触器K合上时，直流信号经电容C1、电感L1及开关管T7形成脉动方波，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6 和电容C2组成的逆变器将转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端QF41、QF42、QF43输出至用电切换单元。

见图6，储能斩波单元的功能是将由接入切换单元的控制接点QF31、QF32输出的直流信号变成方波，对电池组充电，开关管T8、T9，电容C4、C5及电感L4构成典型的斩波电路，储能斩波单元控制器结构与图6中的操作控制器相同均为嵌入式微电脑结构，同时具有联网功能以及开关量和模拟量输入输出功能。

见图7，电池均衡器包括电池均衡调节驱动器及网络数据采集器，实现各组锂电池之间的电压的自动均衡，避免由于各组锂电池的电压不同引起的内部放电现象，每个电池均衡调节驱动器可驱动8个锂电池，电池均衡调节驱动器也与系统控制器进行通讯。

见图8中，电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号经上拉电阻Rn输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。电池1～8为磷酸锂储能电池，T1～T8为DS18B20一线总线数字式温度变送器，能实现8个储能锂电池的温度自动检测，避免电池的不正常温升，Vd为供电电源，一般为＋5V，CD1接系统电脑上的I/O口1，地为接供电电源地，R1～R8为上拉电阻。

见图9中，电池9～16为磷酸锂储能电池，T9～T16为DS18B20一线总线数字式温度变送器，Vd为供电电源，一般为＋5V，CD2接系统电脑的I/O口2，地为接供电电源地，R8～R16为上拉电阻。

见图10，用电切换单元中，操作控制器控制电子开关QF4、QF5和QF6开闭，当QF4和QF6闭合、QF5打开时，控制接点QF41、QF42、QF43分别与控制接点A、B、C连通,系统接受电网低谷电储能；当QF6打开、QF4和QF5闭合时，控制接点QF41、QF42、QF43分别与控制接点QF51、QF52、QF53连通，实现锂电池向用户供电；当QF4打开、QF6和QF5闭合时，控制接点A、B、C分别与控制接点QF51、QF52、QF53连通，实现电网低谷电向用户供电；从而即保证用户24小时不间断用电，又可在低谷用户不用电时，将23时～早7时的低谷电储存起来。

见图11，网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，信号接入单元依次与信号变换单元、隔离放大单元和嵌入式微电脑顺序相连，嵌入式微电脑设有现场总线接口与工控机通信，信号接入单元、信号变换单元和隔离放大单元的选通信号均来自嵌入式微电脑，嵌入式微电脑根据工控机指令控制整个网络信号采集器的运作。

见图12，信号接入单元由三个CD4051或CC4051单8通道数字控制模拟电子开关组成。信号接入单元对应A1、A2、A3三个输出端分别输出，哪一路信号输出由片选信号QH和选通信号D2、D1、D0确定；其中信号接入单元信号选通状态表(QH选通信号为1)见表1。

表1

见图13，信号变换单元内包括电阻R1～R11, 阻抗变换器GS1～GS6，电子开关S1～S7，输入基准电压Vuot和电子开关的选通信号D2、D1、D0，变换好的信号由B1、B2、B3三个输出端分别输出；其中电子开关S接通条件见表2。

表2

见图14，隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C6、C7充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；

见图15，当检测热电阻Rt信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C6充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C7充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C6上的电压和电容C7上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

见图16，网络数据采集器中的嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out，A/D转换器根据规定要求设有高精度参考电源，供模数转换使用。

Claims (5)

1.一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，其特征在于，包括接入切换单元、储能斩波单元、电池均衡器、双向逆变器、储能锂电池组及系统控制器，所述接入切换单元的一路控制接点依次与双向逆变器、用电切换单元相连，用电切换单元分别与供电网、用电负载及系统控制器相连；系统控制器中的系统电脑通过Profibus-DP及Modbus现场总线分别与接入切换单元、双向逆变器、储能斩波单元、电池均衡器、电池温度检测单元及用电切换单元相连，系统电脑还分别与报警器、显示屏和GPRS无线通讯模块相连构成网络智能控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，其特征在于，所述接入切换单元中操作控制器控制电子开关QF1、QF2和QF3开闭，当QF1和QF2闭合、QF3打开时，控制接点QF11、QF12分别与控制接点QF21、QF22连通；当QF1打开、QF2和QF3闭合时，控制接点QF31、QF32分别与控制接点QF21、QF22连通；

所述操作控制器中包括嵌入式微电脑、键盘、LCD显示屏、USB接口和RS-485接口，嵌入式微电脑的开关量输出端与开关量输出驱动单元相连。

3.根据权利要求1所述的一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，其特征在于，所述双向逆变器中包括电压变换电路、逆变器、滤波器及双向逆变器控制器，电压变换电路的输入信号取自接入切换单元的控制接点QF11、QF12的直流输出，接触器K合上时，直流信号经电容C1、电感L1及开关管T7形成脉动方波，由开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6 和电容C2组成的逆变器转化成三相交流电，由电感L2、L3和电容C3组成的滤波器滤波后经输出端QF41、QF42、QF43输出至用电切换单元。

4.根据权利要求1所述的一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，其特征在于，所述电池温度检测单元中温度传感器Tn发出的温度信号经上拉电阻Rn输入网络数据采集器，网络数据采集器检测并与系统控制器通讯。

5.根据权利要求4所述的一种电力系统中锂电池储能式直流电源控制系统，其特征在于，所述网络数据采集器由信号接入单元、信号变换单元、隔离放大模块和嵌入式微电脑依次连接组成，所述隔离放大模块由电容隔离组件U1、放大器U2、电阻网络U3组成，其中电容隔离组件U1由电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂、电容C6、C7组成，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂、Kc₂₁、Kc₂₂以固定的高速频率在输入和输出之间切换，当检测电压、电流和热电耦信号时，信号由B1、B2进入，当检测热电阻信号时，信号由B1、B2和B3进入，电子开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输入时，信号给电容C6、C7充电，开关Kc₁₁、Kc₁₂切换到输出时，信号传输给放大器，实现了传感器电路与放大电路的隔离；当检测热电阻信号时，热电阻的电压信号从B1、B2进入，给电容C6充电，导线的电压信号从B2、B3进入，给电容C7充电，由于电子开关Kc21的输出接地，使电容C6上的电压和电容C7上的电压相减，抵消了部分导线对热电阻的影响，提高了热电阻的检测精度，也实现了传感器电路与放大电路的隔离；

嵌入式微电脑包括A/D转换器、基准电压源、DSP控制器、温度传感器、网络接口和存储器，参考电源与A/D转换器连接，A/D转换器通过数据总线DB1和地址总线AB1与DSP控制器连接；DSP控制器一端通过数据总线DB₂和地址总线AB₂与带现场总线功能的网络接口连接，一端通过数据总线DB₃和地址总线AB₃与存储器连接；温度传感器与DSP控制器连接，用于测量热电偶冷端环境温度和冷端自动补偿或测其他处温度；A/D转换器接收U2放大器的输出信号V_out。

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