CN103746398A - 一种应用于电网的移动储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种应用于电网的移动储能系统，包括蓄电池、电池管理系统(BMS)、功率转换系统(PCS)，能量管理系统(EMS)；本发明的优点在于系统通过各个元器件之间的配合，以及参数要求，实现1OOkw大容量电池为电网充放电的功能，并保证能确保整个系统工作的稳定性和可靠性。

Description

一种应用于电网的移动储能系统

技术领域

本发明涉及利用大容量电池组接入电网，根据电网状态为电网进行充放电操作的移动储能系统。 

背景技术

长久以来，由于储能技术的不成熟，电能难以存储，所以在传统的电力系统中，发电、输电、配电、用电几乎是同时进行的，电网通过调度的手段来保证电能的实时平衡。而当今社会，在新能源大规模接入、微电网大规模发展、智能电网如火如荼规划的背景下，各种新的问题逐渐凸显，储能系统越来越成为现代电力系统中不可或缺的重要组成部分。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够为电网充放电的100kw功率的移动储能系统。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种应用于电网的移动储能系统，包括蓄电池、电池管理系统（BMS)、功率转换系统(PCS)，能量管理系统(EMS)； 

所述的蓄电池由若干电池模块串联组成，每个所述的电池模块由若干电池单体并联构成，所述的电池管理系统包括采集每个电池单体信号的电池管理模块和采集每个电池模块信号的电池管理单元。 

所述功率转换系统包括主电路和控制器，其主电路的直流母线连接蓄电池并经开关元件、滤波电容连接至电压源变换器，所述的电压源变换器经网侧滤波器、并网开关连接至电网，所述的滤波电容并联有预充电电路； 

所述的控制器包括核心控制器，以及与核心控制器连接的网侧ADC模块、直流侧ADC模块、驱动及功率保护电路，所述的网侧ADC模块连接VSC网侧电流采集单元、PCS网侧的电流采集单元、PCS网侧的并网开关，以及电网上的电压采集单元，所述的直流侧ADC模块连接蓄电池电压采集单元、蓄电池输出端电流采集单元、蓄电池输出端的开关以及直流侧电源采集单元，所述的驱动及功率保护电路连接VSC； 

所述的功率转换系统输入信号至电池管理系统，所述的电池管理系统和功率转换系统均与能量管理系统通信。 

一个电池管理模块采集一个电池模块内每个电池单体的信号，所述的电池单体为磷酸铁锂电池。 

所述的电池管理系统控制采样按照以下参数执行： 

单体电池电压和端电压采样周期：≤0.2s； 

单体电池电压采样各采样点时间允许误差：≤2ms； 

单体电池采样分辨率：3mV； 

单体电池电压采样精度：≤±0.2%； 

模块电压采样分辨率：0.01V； 

模块电压采样精度：≤±0.5%； 

温度测量精度：≤±2℃； 

电池组充放电电流测量精度：≤±0.3A(≤30A)，≤±1%(>30A)； 

SOC估算精度：≤6%（SOC≥85%），≤10%（85%>SOC>30%），≤6%（SOC≤30%）； 

均衡放电电流最大值：80mA。 

所述的网侧滤波器为是由两个电感和一个电容构成的LCL滤波器，L为变流器侧电感值取值145-155μH，LS为网侧电感值取值295-305μH，电容取值 6.2-6.5μF；所述的滤波电容取值2.5mF；所述的开关元件和并网开关采用IGBT，每个所述的IGBT采用型号为富士2MBI600VN‐120‐50，其耐压值为1200V，最大允许直流电流为600A。 

所述的核心控制器包括FPGA芯片、DSP、电源电路和实时以太网接口，所述的核心控制器还设有RS232接口，并通过RS232接口连接输入设备。 

所述的电池管理系统和功率转换系统中分别设有光纤从站，并相互通过光纤连接，所述的光纤从站分别连接到能量管理系统中的光纤模块主站；电池管理系统中的主控制器、功率转换系统中的主控制器分别与各自的接口单元间以及能量管理系统主控制器与光纤模块主站间均采用EnterCAT以太网连接。 

移动储能系统安装在车载集装箱内，密封的车载集装箱本体内部两侧固定有机架，中间设有检修通道，并在一端设有检修门，每侧机架有若干层，蓄电池分别固定在机架内，与所述的蓄电池连接的交流电缆和信号光纤连接至集装箱外，所述的集装箱设有通气排风口和空调，且功率转换系的交流电缆接口和电池管理系统的信号光纤的出口置于集装箱底面。 

所述的集装箱内的空调系统和照明系统；所述空调系统的空调管道设置在集装箱壳体内，所述空调管道的主送风段内沿送风方向依次设有进风阀、过滤网、风机和表冷段； 

所述照明系统的内顶灯安装在集装箱内的顶部，所述的内顶灯由照明配电柜供电，所述的供电线路设有照明开关。 

所述的空调管道还设有送风支管，其出风口设在集装箱顶部和四壁，所述的移动储能设备的蓄电池通过位于集装箱内两侧的机架固定，所述的蓄电池与集装箱内壁之间具有散热间隙，所述的蓄电池的每个电池组单元所对应的集装箱内壁上均设有送风支管的出风口，且每个电池组单元上均固定有温度传感器， 所述的温度传感器均将采集的温度信号输送至控制器。 

每个所述的电池组照明灯由电池组照明灯开关中的一个开关控制，且控制相应电池组照明灯的电池组照明灯开关设在该照明灯旁边的机架上，所述的电池组照明灯开关与控制器连接。 

本发明的优点在于系统通过各个元器件之间的配合，以及参数要求，实现100kw大容量电池为电网充放电的功能，并保证能确保整个系统工作的稳定性和可靠性。 

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明： 

图1为移动储能系统结构框图； 

图2为PCS系统的主电路拓扑结构； 

图3为控制系统模块图； 

图4为PCS的简化单相电路模型； 

图5为空调系统结构框图； 

图6为照明系统结构框图； 

上述图中的标记均为：1、进风阀；2、过滤网；3、风机；4、表冷段；5、压差传感器；6、压差开关；7、进风温度传感器；8、出风温度传感器；9、照明开关；10、照明配电柜；11、内顶灯；12、外顶灯；13、集装箱位置灯；14、电池组照明灯开关；15、电池组照明灯。 

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技 术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。 

应用于电网的移动储能系统主要由蓄电池、电池管理系统、功率转换系统、能量管理系统和集装箱内辅助设置构成，下面就各个部件详细说明： 

移动储能电池系统包括蓄电池和电池管理系统，蓄电池由若干电池模块串联组成，每个所述的电池模块由若干电池单体并联构成，电池单体采样磷酸铁锂电池，磷酸铁锂是用作大容量电力储能电池的首选材料，在综合性能、安全、成本、环保、技术成熟度等方面均满足需求，故本项目选择磷酸铁锂电池（LiFePO4，简称LFP）作为储能载体。 

电池管理系统（BMS）是管理蓄电池的单元是用于监测、评估以及保护电池运行状态的电子设备集合，能有效地监测电池的各种状态(电压、电流、温度、SOC、SOH等)，能对蓄电池充、放电过程进行安全管理，对蓄电池可能出现的故障进行报警和应急保护处理，对蓄电池的运行进行优化控制，保证蓄电池安全、可靠、稳定的运行。BMS系统是储能系统中不可缺少的重要组成部分，是储能系统有效、可靠运行的保证，其应具备监测功能、运行报警功能、保护功能、自诊断功能、均衡管理功能、参数管理功能和本地运行状态显示功能等。电池管理系统（BMS）由电池管理模块（BMM)和电池管理单元（BMU）构成，电池管理模块采集每个电池单体信号，通常一个电池管理模块采集一个电池模块内每个电池单体的信号，电池管理单元采集每个电池模块信号。 

电池管理单元的电源电路将外部输入的9~18V电压转化为BMU稳定的工作电压及采样基准电压，并具有CAN通信电路，该电路能够支持三路独立的CAN总线用于不同网络的通信。还具有具有时间及数据存储电路，该电路能够实现当前时间的读取与记录，并能够实现将重要的数据进行非易失性存储及读取。 

BMU应具有电池系统总电压检测电路，该电路能够对电池系统两端的总电 压（0~900V）进行实时检测。具有母线电压检测电路，该电路能够对电池系统母线电压（0~900V）进行实时检测。具有母线电流检测电路，该电路能够对电池系统母线电流（-550A～550A）进行实时检测，并能区分电流方向。具有风口温度检测电路，够对电池系统进风口及出风口的温度（-35~85℃）进行实时检测，并能将温度值向上传递。具有供电电压检测电路，该电路能够对输入BMU的供电电压（9~18V）进行实时检测。具有HVIL检测电路对放电回路及充电回路的高压互锁状态进行检测，并将测试值上传。 

BMM主要由电源及通信、信号检测电路、电压均衡控制构成，电源电路能够将外部输入的9~18V供电电压转化为BMM稳定的工作电压及采样基准电压。具有一路CAN通信电路，该电路能够通过CAN总线实现与BMU进行子网数据的交互。具有模块编号识别电路，该电路能够识别出BMM自身的编号（1~32）。具有均衡控制电路，该电路能够对12个单体电池中不均衡的单体进行均衡控制。同时还具有检查电路，路至少能够检测12路单体电池的电压(2~4V)，至少能够检测8路温度采样点的温度(-35~85℃)。 

电池管理单元与电池单体之间具有有均衡控制电路。在电池系统出现单体电池差异时，能够进行电池模块的电压均衡控制的功能。 

上述移动储能电池系统采用控制方法：每个电池管理模块采集每个电池单体的电压、电流和电池温度信号并估算电池单体及电池模块的SOC与SOH，并将SOC与SOH输送至电池管理单元，所述的电池管理单元根据每个电池的SOC与SOH得出蓄电池的SOC、SOH、温度、故障信息。 

SOC为电池荷电状态，估算电池系统剩余容量的功能，SOH为电池健康状态，估算电池系统当前健康状态的功能。 

电池管理系统控制采样按照以下参数执行： 

单体电池电压和端电压采样周期：≤0.2s； 

单体电池电压采样各采样点时间允许误差：≤2ms； 

单体电池采样分辨率：3mV； 

单体电池电压采样精度：≤±0.2%； 

模块电压采样分辨率：0.01V； 

模块电压采样精度：≤±0.5%； 

温度测量精度：≤±2℃； 

电池组充放电电流测量精度：≤±0.3A(≤30A)，≤±1%(>30A) 

SOC估算精度：≤6%（SOC≥85%），≤10%（85%>SOC>30%），≤6%（SOC≤30%）； 

均衡放电电流最大值：80mA； 

按照以上参数执行能够确保电池的稳定性和可靠性。 

针对本项目100kW的移动储能电站，采用单级式的结构较为合适，系统结构如图2所示，移动储能的功率转换系统包括主电路和控制器，主电路的直流母线连接蓄电池并经开关元件、滤波电容连接至电压源变换器（VSC），该电压源变换器经网侧滤波器、并网开关连接至电网，滤波电容并联有预充电电路。PCS直流母线端接入蓄电池，通过改变VSC的调制比m和功角差δ使VSC四象限运行，即可等效为广义阻抗变换器，也可看作改进型STATCOM，提供双向可控的有功、无功，以控制PCC点的电压和频率的稳定。 

如图4所示PCS的简化单相电路模型，PCS通过检测交流侧电压的幅值和相位，调节注入系统接入点（PCC点）的电流幅值和相位，从而实现能量在直流侧与交流侧之间的双向流动，也就是能四象限运行，实现储能单元与供电系统间的双向有功、无功功率交换，因而具有网侧功率因数控制、能量双向传输的性能。当PCS从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；当PCS向电网传 输电能时，其运行于逆变工作状态。 

PCS具有模拟量测量的功能，并且可以通过ADC模块和相关信号处理电路将所测模拟量转化为数字量送入CPU进行计算，从而实现特定功能，具体如下： 

（1）直流侧电压 

PCS应具有直流侧电压检测电路，该电路能够对直流侧电压进行实时检测。 

（2）逆变器输出电流 

PCS应具有逆变器输出三相电流检测电路，该电路能够对逆变器输出三相电流的幅值、相位、畸变率进行实时检测。 

（3）PCC处三相电压 

PCS应具有PCC处三相电压检测电路，该电路能够对PCC处三相电压的幅值、相位、畸变率、不平衡度进行实时检测。 

（4）充放电电流 

PCS应具有充放电电流检测电路，该电路能够对充放电电流的幅值、相位进行实时检测。 

网侧滤波器应采用LCL滤波器，需要设计两个电感的电感值和一个电容的电容值。网测滤波器的主要功能是滤除高次谐波，滤波电感越大，滤波效果越好，但随着电感增大，系统的动态性能会变差，系统造价和体积也会升高。当滤波电容增大时，滤波效果会加强，但是系统谐振频率会减小，如果谐振频率减小到基频，会影响系统的稳定性。并且，增大电容会使LCL滤波器吸收更多的无功。 

设计时要满足谐波电流值和总谐波畸变系数（THD）的要求，尤其是对变流器在开关频率处产生的谐波要有很好的滤除效果，通常用谐波衰减比d来衡量非正弦周期量中某特定次谐波的含量，一般要求网侧电流的谐波衰减比限制在 0.2以下。在满足上述设计要求的前提下，应尽量减小所使用的电感、电容值，从而节约成本、减小设备体积，另一方面提高系统的动态性能。 

LCL滤波器的设计遵循上述设计标准，通常采用下述分布设计法： 

（1）确定总电感LT的取值范围：为提高电流的跟踪能力及系统的响应速度，电感LT的值越小越好。但电感的值越大，滤波器的滤波效果会更好。因此，需要综合考虑选择合适的值： 

$\frac{U_{\mathrm{de}}}{4\sqrt{3}{i}_{\mathrm{ripm}}{f}_{\mathrm{sw}}}\≤L_T\≤\frac{\sqrt{\frac{{U_{\mathrm{dc}}}^2}{3}-E_m^2}}{{\mathrm{\ωI}}_{\mathrm{sm}}}$

其中，i_ripm是谐波电流峰值，一般为基波电流峰值的15%，Em为电网相电压峰值；Ism为电网相电流峰值；fsw为整流器的开关频率；ω为电网电压的角频率。 

（2）确定电容Cf取值范围：为了避免整流器功率因数的过低，一般滤波电容吸收的基波无功功率不能大于系统额定有功功率的5%： 

$C_f<5\%\frac{P_n}{3\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;f}\&CenterDot;E^2}$

其中，Pn为额定状态下系统吸收的有功功率；f为电网电压的频率；E为电网相电压的有效值。 

（3）根据谐波衰减比d确定滤波器的各参数：令r=LS/L，设定d的取值，滤波电容C_f及电感L_T，判断以下二次方程有无正解： 

${\mathrm{dr}}^2+(2d+1-{\mathrm{d\&omega;}}_{\mathrm{sw}}^2{L}_T{C}_f)r+d+1=0$

如果方程没有正解可以改变d、Cf、TL的值，直到方程有正解为止。 

其中，L为变流器侧电感值，L_S为网侧电感值。 

（4）判断谐振频率是否满足要求，如不满足，返回第三步重新设计。为避 免谐振发生在主要谐波频率附近，谐振频率需满足： 

10f_n≤f_res≤0.5f_sw

其中， $f_{\mathrm{res}}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{(L+L_S)}{{\mathrm{LL}}_S{C}_f}}$

针对本项目100kW的PCS，设计滤波总电感为0.1pu,那么，滤波总电感为： 

$L_T=0.1\mathrm{pu}/(\sqrt{3}\&times;\mathrm{\&omega;}\&times;I_{\mathrm{SN}})=0.1\&times;380/(\sqrt{3}\&times;2\mathrm{\&pi;}\&times;50\&times;151.93)=0.46\mathrm{mH}$

设计L和LS的优选值为L=150μH，LS=300μH。 

取谐振频率为2kHz,则电容设计为： 

$C_f=\frac{L+L_S}{{\mathrm{LL}}_S{\left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{res}}\right)}^2}63.3\mathrm{\&mu;F}$

图4中：e为网侧输入交流电源，即PCC处电压；i为网侧输入电流，即PCC处电流；L为电抗器及线路的电感；R是交流侧等效电阻；u为交流侧电压，即变流器输出电压；Udc为直流侧电压；idc为直流侧电流；Cdc为中间支撑电容（滤波电容）。 

滤波电容主要功能是： 

(1)稳定并网变流器交流侧与直流侧负载之间的能量交换，且稳定并网变流器直流侧的电压； 

(2)抑制直流侧谐波电压。 

一般来说，直流侧电容需要考虑两个方面的因素：满足电压环控制的跟随性、满足直流电压抗干扰性。对于直流支撑电容的选取，就电压跟随性而言，电容值应该尽量小，容值越小，电压环调节直流侧电压的速度越快，电压跟随性越好，电压的动态响应好；就抗干扰性而言，电容值应该尽量大，容值越大，直流侧电压的波动越小，其抗干扰性越好。 

考虑稳态情况。对于采用三相SVPWM调制并网变流器，在稳定运行情况下，其流过直流侧电容的纹波电流的有效值一般大约为交流相电流有效值的55%，工程上一般允许电容上的纹波电压为中间直流电压额定值的1%，则直流侧电容应该满足下式： 

$C_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;\frac{I_{\mathrm{rms}}}{2\mathrm{\&pi;}\&times;U_{\mathrm{rms}}\&times;f_s}=\frac{0.55I_s}{2\mathrm{\&pi;}\&times;0.01U_{\mathrm{de}}\&times;f_{\mathrm{sw}}}$

其中，Irms为流过直流支撑电容的纹波电流; 

IS为相电流有效值; 

Urms为直流支撑电容上的纹波电压; 

Udc为中间直流电压额定值; 

fsw为并网变流器的开关频率; 

考虑变流器负载突然增加的情况。当变流器负载突然增加时，在变流器电压环PI调节器调用时间t内，负载所需要的瞬时能量都由直流支撑电容内存储的能量供给，直到电压调节起作用。为了满足动态响应性能的要求，假设变流器负载突然增加50%，电压环PI调节器调用时间200us，要求中间直流电压最大波动不超过额定电压的3%,即： 

$\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}{(U_{\mathrm{dc}}+\mathrm{\&Delta;U})}^2-\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}{U}_{\mathrm{dc}}^2\&GreaterEqual;\mathrm{\&Delta;P}\&times;t$

其中：ΔU为允许的中间直流电压的最大波动; 

ΔP为负载变化的功率; 

t为PI调节器调用时间; 

根据上述两公式以及电容的发热情况和寿命，同时考虑一定的裕量选取电容值。 

对于本项目，根据上述第一个公式有： 

$C_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;\frac{{0.55I}_s}{2\mathrm{\&pi;}\&times;{0.01U}_{\mathrm{dc}}\&times;f_{\mathrm{sw}}}=0.3\mathrm{mF}$

根据第二个公式，按照负荷突然变化50%，直流母线波动小于15%，根据前文设计，P为100kW，ΔP为100kWX50%=50kW，t一般取20个开关周期，开关频率取8kHz，那么，计算所得直流侧支撑电容为： 

$C_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;\frac{2\&times;\mathrm{\&Delta;P}\&times;t}{{(U_{\mathrm{dc}}+\mathrm{\&Delta;U})}^2-{U_{\mathrm{dc}}}^2}=2.25\mathrm{mF}$

考虑一定的裕量，选取直流侧支撑电容为2.5mF。 

预充电电路与滤波电容并联，的主要功能是启动时减少对输入电容的冲击电流。在PCS启动时，如果没有预充电电路直接闭合主接触器，则电池电压会直接加到滤波电容上，而滤波电容初始电压为0V，根据I=c*du/dt,可以知道电容上产生的瞬时冲击电流将非常大，甚至超过电容器允许的du/dt的限制，会影响电容器的使用寿命。所以通常设计一个预充电电路，通过预充电电阻限流后，再给电容充电，当电容电压接近外部电压时，再将预充电电路断开。因此，预充电电路有限制冲击电流、保护器件的作用。 

参见图2可知，移动储能PCS的控制系统的核心控制器与网侧ADC模块、直流侧ADC模块、驱动及功率保护电路连接，其主要针对100kW的移动储能电站的控制，移动储能设备采用单级式的结构接入电网。 

网侧ADC模块连接VSC网侧电流采集单元、PCS网侧的电流采集单元、PCS网侧的并网开关，以及电网上的电压采集单元。VSC网侧电流采集单元设置在网侧滤波器与VSC（Voltage Source Converter；电压源换流器）输出端之间，用于采集逆变器输出的电流信号；PCS网侧的电流采集单元设置在并网开关与网侧滤波器之间，用于采集系统输出电流信号；并网开关控制输出电路的通断，并由核心控制器控制；电网上的电压采集单元设置在并网开关与电网PCC点，采 集电网的电压信号。 

直流侧ADC模块连接蓄电池电压采集单元、蓄电池输出端电流采集单元、蓄电池输出端的开关以及直流侧电源采集单元；蓄电池电压采集单元设置在蓄电池输出端电极上，用于采集蓄电池电压信号；蓄电池输出端电流采集单元设置蓄电池输出端电极上，用于采集蓄电池电流信号；开关为PCS直流侧通断元件，设置在预充电电池与储能设备蓄电池之间，并由核心控制器控制通断；直流侧电源采集单元设置在预充电电池与VSC直流侧之间，采集PCS直流侧电压信号；此外预充电电池还设有绝缘检测单元，该绝缘检测单元输出检测信号至直流侧ADC模块。 

驱动及功率保护电路连接VSC，核心控制器输出驱动信号至驱动及功率保护电路，控制蓄电池的充放电。核心控制器经CAN连接系统主监控器，系统主监控器为移动储能系统的储能站EMS系统。 

参见图3可知，核心控制器包括FPGA芯片、DSP、RS232接口、电源电路和实时以太网接口，RS232接口连接输入设备。DSP主要负责实时运算处理和通讯控制，实时运算处理涉及数字滤波、静止坐标变换、旋转坐标变换、数字PLL算法、PI调节以及SVPWM生成占空比等控制算法的实现，通讯控制涉及与主控、BMS等进行通信。 

FPGA将采集的数据上传到DSP中，用于控制算法的处理；DSP执行控制算法，并生成占空比信息下传到FPGA中，与FPGA中的三角载波进行比较输出PWM控制脉冲。FPGA芯片的接入口有模拟信号采样调理电路、开关量光耦输入接口电路、开关量光耦输出接口电路、PWM光纤驱动接口电路以及IPM故障光纤输入接口电路， 

一般情况下从变流器出来的信号都属于高电压、大电流的强电信号，其开 关量控制和状态信号的电平一般也至少为DC24V，而进入控制器或者从控制器输出的信号一般为弱电信号，因此需要设计变流器到控制器的接口电路，将变流器出来的高电压、大电流信号转换为适合控制器的低电压、小电流信号。在电力电子领域中，强电到弱电的接口电路除了要完成高电压信号到低电压信号的转换功能外，还需要实现电气上的隔离，即强电和弱电实现电气上的彻底隔离，以提高系统的抗干扰能力。模拟信号的隔离一般都采用霍尔传感器、互感器或者线性光耦来实现；开关量信号的隔离一般都采用光耦来实现隔离；PWM信号的隔离可以采用高速光耦隔离，亦可采用光纤隔离。 

PCS的控制器通过CPU进行运算来实现各种控制功能，具体如下： 

（1）预充电 

移动式储能系统到达目的地后初次使用时需要进行预充电，一方面通过主回路的预充电电路向直流侧电容充电，使之达到预定电压值，另一方面对蓄电池充电，使之满足应用要求。 

（2）并网充电控制 

在并网状态下，PCS能够实现网侧向储能系统输送所需的能量，充电电流、充电功率可控，且谐波含量控制在额定范围内。 

（3）并网放电控制 

在并网状态下，PCS能够实现储能系统向网侧输送所需的能量，充电电流、充电功率可控，且谐波含量控制在额定范围内。 

（4）网侧功率因数控制 

在并网状态下，PCS能够对网侧功率因数进行调节，使储能系统释放或吸收无功功率。 

（5）并网转离网 

PCS能够使储能系统安全稳定地脱离电网，由并网状态转变为离网状态。 

（6）离网转并网 

PCS能够使储能系统安全稳定地接入电网，由离网状态转变为并网状态。 

开关元件和并网开关采用IGBT，采用富士2MBI600VN‐120‐50型号IGBT。每个IGBT耐压值1200V，最大允许直流电流为600A。IGBT的驱动可选用分立器件或者智能功率模块（IPM,Intelligent Power Module），并通过驱动连接PCS的控制器，若选择分立器件时需要专门设计驱动电路，选择驱动芯片，一般驱动包括一下4个部分： 

（1）电源转换部分 

电源转换部分将输入的15V电源，经两个开关电源，转换为2路隔离的15V电源，分别供给上下管IGBT使用。 

（2）光纤转换部分 

光纤转换部分将控制系统送来的光纤脉冲信号，转换为电信号；同时，将驱动电路产生的驱动保护信号，转换为光信号，送至控制系统。 

（3）驱动部分 

驱动部分提供正向、反向电流，对IGBT门极电容充放电，从而开通、关断IGBT，驱动最大输出电流为20A。开通与关断采用不同阻值，关断电阻大于开通电阻，以减小关断电压脉冲。驱动部分采用CONCEPT公司的专用驱动芯片2SP0115T2Ax-2MBI600VN-120-50。 

（4）监视保护部分 

一般可以实现电源掉电检测、短路（过流）保护、过压主动钳位保护等。 

移动储能集装箱内部辅助设施由设置在集装箱内的空调系统和照明系统构成。参见图6可知，照明系统由照明配电柜10供电，照明配电柜10设有一个 控制输出电流通断的照明开关9，该照明开关9可以安装在集装箱入口处，也可以安装在用于运输集装箱的车头内。 

照明系统包括车内照明单元和车外照明单元，车外照明单元包括设置在车顶四角集装箱位置灯13和车顶的外顶灯12，其均有照明配电柜10供电，由照明开关9控制启闭；集装箱位置灯13用于在运输途中或者使用状态下显示集装箱位置，具有警示作用，其灯光可以采用黄色；外顶灯12为探照灯形式，用于室外作业时的照明设备，其光照角度可以通过旋转底座进行调整，可以在集装箱两侧各设置一排。 

移动储能设备的蓄电池通过位于集装箱内两侧的机架固定，蓄电池由电池组单元组成。车内照明单元用于车内检修、维护时进行照明，车内照明单元包括设置在集装箱内的顶部设有内顶灯11，以及安装在每个电池组单元旁的电池组照明灯15。内顶灯11为集装箱内整体照明单元，由照明开关9控制启闭，同时在集装箱的门上安装有通过开关门控制内顶灯11启闭的开关，这样开门后，内顶灯11即点亮，为工作人员提高行动照明；每个电池组照明灯15由电池组照明灯开关14中的一个开关控制，且控制相应电池组照明灯15电池组照明灯开关14设在该照明灯旁边的机架上，这样工作人员走到需要检修、维护的位置时，只需要开启相应的一盏或几盏电池组照明灯15，则可进行有针对性的充足照明，此外电池组照明灯开关14与控制器连接，可以通过控制器对所有电池组照明灯15进行控制，点亮所需照明的地方。 

参加图5可知，空调系统在集装箱壳体内预埋有空调管道，空调管道主送风段内沿送风方向依次设有进风阀1、过滤网2、风机3和表冷段4；空调管道的送风支管的出风口设在集装箱顶部和四壁。 

移动储能设备的蓄电池通过位于集装箱内两侧的机架固定，蓄电池与集装 箱内壁之间具有散热间隙，蓄电池的每个电池组单元所对应的集装箱内壁上均设有出风口，且每个电池组单元上均固定有温度传感器，用于采集每个电池组单元的温度，并将采集的温度输送至空调系统的控制器。这样通过多支管出风口的形式，可以对每个电池组单元进行区别降温。 

为了能够更好的对每个电池组单元进行区别降温，对应每个电池组单元的出风口内均设有出风口送风阀，且送风阀与控制器连接，这样可以通过控制送风阀的开度来控制冷风风量，因此正常开启时，预设所有送风阀均处于未完全开启的状态，当控制器收到温度信号异常时，才会控制相应送风阀全部开启。 

主送风段内表冷段4的两侧分别设有进风温度传感器7和出风温度传感器8，其采集的温度信号输送至空调系统的控制器，控制器输出开合度信号值至进风阀1的执行电机。这样可以通过主送风段内送风量，来控制送风温度。 

此外，系统在过滤网2上设有压差传感器5，其输出过滤网2两侧压差信号值控制器，用于检测过滤网2是否发生堵塞，在风机3上设有压差开关6，用于风机调控。 

为了提高系统安全性，避免发生火灾事故，在集装箱内设有烟雾传感器，其输出烟雾状态信号至控制器，控制器与风机3的执行单元连接。 

控制器设有无线通信单元，无线通信单位输出系统全部参数信号至远端服务器；运载所述集装箱的车头内设有与控制器连接的存储单元、显示单元和报警单元。显示单元为彩色图形显示,存储单元记录各种参数、状态、报警,记录启停时间、累计运行时间及其历史数据等。 

上述移动储能集装箱空调系统的控制方法具体如下： 

系统启动，进风阀1开启后风机3和压缩机启动，相应的出风阀也要开启； 

以下控制方式同步进行并分别对空调系统进行调控： 

A、进风温度传感器7和出风温度传感器8将采集的温度信号实时输送至控制器，控制器根据温度值信号调节进风阀1开度，所采集的温度值与空调系统设定温度的差与其预设阀值区间比较，进风阀1的开度设有多个档位，分别对应一个阀值区间，当温度值的差落在某个区间则启动相应档位进风阀1开度，阀值大小与开度大小为反比关系，进风温度传感器7和出风温度传感器8采集温度值信号对应阀值区间不同时，优选执行出风温度传感器8采集温度值信号；这样进出风与空调设定值的温差越大，就将进风阀1的开度变小，从而较低风量，确保空调出风的质量； 

B、当烟雾传感器采集到车内烟雾信号时输出烟雾信号至控制器，控制器控制风机3翻转向外排风，同时控制器发出报警信号，发出的警报信号可以由通道单元发送至远端服务器，同时车上的报警单元也进行报警工作。此外还可以设置报警信号发出同时关闭整个移动储能系统； 

C、设置在电池单元上的温度传感器采集的每个电池组单元的温度信号输送至控制器，若某个电池组单元温度超过预设温度阀值则控制对应该电池组单元的出风口送风阀开度增大，同时由控制器点亮负责该电池组单元的电池组照明灯15点亮，方便工作人员能够很快的找到故障电池组单元的位置，尽快进行检修，修理完毕后可以手动关闭电池组照明灯15；若有超过阀值数量（如三个电池组单元温度异常）的电池组单元温度超过阀值，则控制器发出报警信号。 

D、压差传感器5所采集的信号输送至控制器，若控制器判定该值是否超过阀值，若是，则发出更换过滤网2的信号； 

系统定时关闭或手动关闭或远程控制关闭，风机3和压缩机关闭后进风阀1关闭，同时关闭出风阀。 

由于充放电时蓄电池的温升较大，通常每个电池模块都配有专门的风扇进 行散热，并且蓄电池之间设有散热间隙。同时集装箱设有通气排风口和空调，通气排风口内设有风扇，其置于集装箱侧面上部位置，从而保证空气流通。蓄电池配有温度传感器，温度传感器与空调连接，这样当整体或局部温度过高时，空调会自动开启，进行降温（前面辅助系统有所详述），为使设备具有远程监控功能，集装箱内设有无线通信单元，其将信号光纤输送至监控中心，能够实现与主控的通信，向监控中心传送当前工作信息，同时接受主控的控制。这样设备固定安装后，不需要人看守，可以进行远程监控。同时为提高设备安全性，集装箱内设有烟雾传感器，该烟雾传感器与自动CO₂灭火装置连接，当发现烟雾时，可以进行灭火处理，降低事故风险。此外，也可以在集装箱内应放置足量的CO₂灭火瓶灭火用 

移动储能系统还设有通信电路，其包括EMS系统中的储能系统主控制器、BMS系统中的蓄电池主控制器、PCS系统中的PCS主控制器，BMS系统和PCS系统中分别设有光纤从站相互通过光纤连接，并且两个光纤从站分别连接到EMS系统中的光纤模块主站；蓄电池主控制器、PCS主控制器分别与各自的接口单元间以及储能系统主控制器与光纤模块主站间均采用EnterCAT以太网连接。 

EMS系统中设有规约转换器，通过规约转换器连接光纤模块主站，实现各种通讯之间的转换。BMS系统中蓄电池主控制器与光纤从站之间采用标准以太网进行通讯；PCS系统中PCS主控制器与光纤从站之间采用标准以太网进行通讯；EMS系统中储能系统主控制器与规约转换器之间采用标准以太网进行通讯。BMS系统和PCS系统中的接口单元采用串口分别与蓄电池和PCS组进行通讯。 

BMS系统与上层的EMS系统信息交互采用CANOpen协议进行通信。BMS系统装置应具备CANOpen接口。PCS系统与上层EMS系统信息交互采用RS485接口。 

BMS系统对EMS系统上送的信息包括： 

(1)开关量信息：主要是接触器状态、断路器状态。 

(2)模拟量信息：蓄电池平均电压，蓄电池电压方差、蓄电池最高电压、蓄电池最低电压、蓄电池电压，蓄电池电流、蓄电池功率、蓄电池绝缘阻抗、蓄电池SOC、蓄电池可用能量、检测到的电池单体电压、当前单元电压、当前单元电流、单元SOC、系统SOC、系统可用能量、当前系统功率等、系统允许充电电流、允许放电电流。 

(3)非电量信息：蓄电池温度、当前单元温度等。 

(4)运行信息：运行状态、各种保护动作信号；事故告警信号，电压过低告警、电压过低保护动作（开关量）、温度过高告警（开关量）、电压过高保护动作（开关量）。 

EMS系统对BMS系统下达的信息包括： 

(1)运行参数设置蓄电池运行参数保护定值、报警定值设置信息等必要信息至BMS。 

PCS系统对EMS系统上送的信息包括： 

(1)开关量信息：主要是直流侧、交流侧接触器、断路器的状态；运行模式（并网、孤网、充电、放电、待机等）、就地操作把手的状态等。 

(2)模拟量信息：直流侧电压、电流；交流侧三相电压、电流、有功、无功。 

(3)非电量信息：IGBT模块温度、电抗器温度等。 

(4)运行信息：各种保护动作信号、事故告警信号。 

EMS系统1对PCS系统3下达的信息包括： 

(1)运行模式切换：并网/孤网的转换、充电/放电的转换。 

(2)运行参数设定：充电/放电倍率、放电深度、各种保护定值等。 

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种应用于电网的移动储能系统，其特征在于：包括蓄电池、电池管理系统、功率转换系统和能量管理系统；

所述的蓄电池由若干电池模块串联组成，每个所述的电池模块由若干电池单体并联构成，所述的电池管理系统包括采集每个电池单体信号的电池管理模块和采集每个电池模块信号的电池管理单元。

所述功率转换系统包括主电路和控制器，其主电路的直流母线连接蓄电池并经开关元件、滤波电容连接至电压源变换器，所述的电压源变换器经网侧滤波器、并网开关连接至电网，所述的滤波电容并联有预充电电路；

所述的控制器包括核心控制器，以及与核心控制器连接的网侧ADC模块、直流侧ADC模块、驱动及功率保护电路，所述的网侧ADC模块连接VSC网侧电流采集单元、PCS网侧的电流采集单元、PCS网侧的并网开关，以及电网上的电压采集单元，所述的直流侧ADC模块连接蓄电池电压采集单元、蓄电池输出端电流采集单元、蓄电池输出端的开关以及直流侧电源采集单元，所述的驱动及功率保护电路连接VSC；

所述的功率转换系统输入信号至电池管理系统，所述的电池管理系统和功率转换系统均与能量管理系统通信。

2.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：一个电池管理模块采集一个电池模块内每个电池单体的信号，所述的电池单体为磷酸铁锂电池。

3.根据权利要求1或2所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：

所述的电池管理系统控制采样按照以下参数执行：

单体电池电压和端电压采样周期：≤0.2s；

单体电池电压采样各采样点时间允许误差：≤2ms；

单体电池采样分辨率：3mV；

单体电池电压采样精度：≤±0.2%；

模块电压采样分辨率：0.01V；

模块电压采样精度：≤±0.5%；

温度测量精度：≤±2℃；

电池组充放电电流测量精度：≤±0.3A(≤30A)，≤±1%(>30A)；

SOC估算精度：≤6%（SOC≥85%），≤10%（85%>SOC>30%），≤6%（SOC≤30%）；

均衡放电电流最大值：80mA。

4.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：所述的网侧滤波器为是由两个电感和一个电容构成的LCL滤波器，L为变流器侧电感值取值145-155μH，LS为网侧电感值取值295-305μH，电容取值6.2-6.5μF；所述的滤波电容取值2.5mF；所述的开关元件和并网开关采用IGBT，每个所述的IGBT采用型号为富士2MBI600VN‐120‐50，其耐压值为1200V，最大允许直流电流为600A。

5.根据权利要求4所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：所述的核心控制器包括FPGA芯片、DSP、电源电路和实时以太网接口，所述的核心控制器还设有RS232接口，并通过RS232接口连接输入设备。

6.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：所述的电池管理系统和功率转换系统中分别设有光纤从站，并相互通过光纤连接，所述的光纤从站分别连接到能量管理系统中的光纤模块主站；电池管理系统中的主控制器、功率转换系统中的主控制器分别与各自的接口单元间以及能量管理系统主控制器与光纤模块主站间均采用EnterCAT以太网连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：移动储能系统安装在车载集装箱内，密封的车载集装箱本体内部两侧固定有机架，中间设有检修通道，并在一端设有检修门，每侧机架有若干层，蓄电池分别固定在机架内，与所述的蓄电池连接的交流电缆和信号光纤连接至集装箱外，所述的集装箱设有通气排风口和空调，且功率转换系的交流电缆接口和电池管理系统的信号光纤的出口置于集装箱底面。

8.根据权利要求7所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：所述的集装箱内的空调系统和照明系统；所述空调系统的空调管道设置在集装箱壳体内，所述空调管道的主送风段内沿送风方向依次设有进风阀（1）、过滤网（2）、风机（3）和表冷段（4）；

所述照明系统的内顶灯（11）安装在集装箱内的顶部，所述的内顶灯（11）由照明配电柜（10）供电，所述的供电线路设有照明开关（9）。

9.根据权利要求8所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：所述的空调管道还设有送风支管，其出风口设在集装箱顶部和四壁，所述的移动储能设备的蓄电池通过位于集装箱内两侧的机架固定，所述的蓄电池与集装箱内壁之间具有散热间隙，所述的蓄电池的每个电池组单元所对应的集装箱内壁上均设有送风支管的出风口，且每个电池组单元上均固定有温度传感器，所述的温度传感器均将采集的温度信号输送至控制器。

10.根据权利要求9所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于：每个所述的电池组照明灯（15）由电池组照明灯开关（14）中的一个开关控制，且控制相应电池组照明灯（15）的电池组照明灯开关（14）设在该照明灯旁边的机架上，所述的电池组照明灯开关（14）与控制器连接。

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