CN104578433A - 一种可切换的电力储能系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种可切换的电力储能系统，包括：多个储能单元，并联连接，每一储能单元包括多个并联的电池簇；一充电单元，与供电系统连接；一变流单元，用于将所述供电系统输出的交流电转换为直流电存入所述电池簇，并将所述电池簇中的直流电转换成交流电供用电负荷使用；一切换单元，分别与所述储能单元对应，连接所述充电单元；及一管理单元，与所述多个储能单元和所述切换单元相连，用于管理所有所述储能单元和发送控制指令至所述切换单元。

Description

一种可切换的电力储能系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及储能领域，尤其涉及一种可切换的电力储能系统及其使用方法。

背景技术

大型火、水等发电厂均为均衡发电，而工厂等用电负荷使用电能主要集中在白天，家庭用户也大多在上半夜时段使用电能，导致夜间发电厂所发电能利用率不高，午夜后到凌晨用电量更少。怎样将发电厂夜间所发电能充分利用，是政府各部门以及企业一直努力想解决的问题。目前，电力储能系统是解决此问题的一种方法。电力储能系统通过在电网低谷期间充电储能，在用电高峰期间放电供用电负荷使用，不仅满足用电调峰的需求，也提高了电厂运行效率，还大大降低了企业成本。

然而，现有电力储能系统内部控制系统要求高，电气控制线路复杂，大部分设计成一个管理单元控制一个储能单元，导致单位成本较高、所蓄电能有限且使用较快、运行效率无法满足用电负荷需求等问题。因此，研发一种具有多个储能单元、精密可靠的管理单元，且可按需要切换储放电能的低成本电力储能系统势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在用电低谷期间储存电能，在用电高峰期间提供电能的电力储能系统。

本发明的又一目的在于提供一种具有多个储能单元、可按需切换使用的电力储能系统。

本发明的又一目的在于提供一种电力储能系统的使用方法。

为了达到以上目的，本发明的技术方案是提供一种可切换的电力储能系统，包括：

多个储能单元，所述多个储能单元并联连接，其中每一所述储能单元包括多个并联的电池簇；每一所述电池簇包括多个串联的电池；

一充电单元，包括一电力输入接口，一高压开关柜及附属设备和一变压器，该电力输入接口与供电系统的电力输出接口连接，所述供电系统提供的电能通过所述电力输入接口经过所述高压开关柜及附属设备和所述变压器的通断、变压等功能的控制和保护进入储能阶段；

一变流单元，所述变流单元为双向变流器，所述双向变流器通过整流和逆变过程实现电能量的双向转换，用于将所述供电系统输出的交流电转换为直流电存入所述储能单元的电池，和将所述储能单元的电池中的直流电转换成交流电供用电负荷使用；

一切换单元，包括一个切换端和一个控制端，其中所述切换端分别与每一所述储能单元对应；所述控制端用于接收所述切换单元进行切换的控制指令和控制所述切换端进行相应的切换，以控制所述切换端和至多一个所述储能单元连接；在所述控制端接收到控制指令后，所述切换端执行所述控制指令并与对应的所述储能单元连接或断开；

一管理单元，与所述多个储能单元和所述切换单元相连，用于管理所有所述储能单元，检测所述储能单元的运行数据，并在所述运行数据达到特定的阈值后发送所述控制指令至所述切换单元，包括：

一监控端，所述监控端包括多个与对应的所述电池连接的模块管理层控制器，多个与对应的所述模块管理层控制器连接的串联管理层控制器，一个与对应的所述多个串联管理层控制器连接的并联管理层控制器，和多个与对应的所述电池连接的均衡管理控制器，其中所述模块管理层控制器用于采集所有所述电池的电压、温度信息，并将信息传送给所述串联管理层控制器，同时对所述电池进行主动式冷热管理；所述串联管理层控制器用于管理所有所述电池簇，识别所述电池簇的电流、电压、温度、存储消耗量等信息，并将信息传送给所述并联管理层控制器；所述并联管理层控制器用于管理所述多个储能单元，计算所述多个储能单元的电流、电压、温度、存储消耗量等信息；所述均衡管理控制器用于灵活调整所述多个储能单元中每一串联的不同电池间充放电的电流、电压等参数，保持电池间的动态平衡；及

一操作端，与所述监控端连接，包括一数据库存储器和一显示器操作终端，其中所述数据库存储器用于存储所述并列管理层控制器和所有所述均衡管理层控制器传送的所有信息；所述显示器操作终端用于显示所述数据库存储器的信息和手动操作发出指令；及

一装载单元，为一集装箱式的不锈钢箱体或一混凝土式建筑物，其中所述储能单元、所述切换单元、所述管理单元按照体积大小、重量大小合理均匀排布在所述装载单元内。

其中所述运行数据包括所有所述电池的电流、电压、温度和存储消耗量，以及不同电池簇间充放电的电流、电压等大小和累计存储或释放电能情况。

本发明还提供一种可切换的电力储能系统的使用方法，包括：

所述充电单元电力输入接口与供电系统的电力输出接口连接，所述充电单元的高压开关柜投入运行，所述管理单元自动或人为操作发出指令使与所述储能单元连接的切换端进行切换，使所述多个储能单元的第一个储能单元与所述供电系统连接，所述供电系统提供的电能经过所述充电单元的变压器和所述变流单元，并给所述多个储能单元的第一个储能单元充电，直至所述第一个储能单元充满；

所述管理单元的监控端检测到所述第一个储能单元充满时，所述管理单元自动或人为操作发出指令使与所述储能单元连接的切换端进行切换，使所述多个储能单元的第二个储能单元与所述供电系统连接，所述供电系统提供的电能经过所述充电单元的变压器和所述变流单元，给所述多个储能单元的第二个储能单元充电；

以此类推，所述切换单元不断切换直至所有储能单元充满电能，当所述管理单元的监控端检测到所述多个储能单元全部充满电能时，所述管理单元自动或人为操作发出指令让所述切换单元复位并停止充电；

用电负荷需要在高峰期使用电能且储能系统与用电负荷已经连接，所述管理单元自动或人为操作发出指令使与所述储能单元连接的切换端进行切换，使所述多个储能单元的第一个储能单元与用电负荷连接，由所述多个储能单元的第一个储能单元提供电能并经过所述变流单元后供所述用电负荷使用;

所述管理单元的监控端检测到所述多个储能单元的第一个储能单元储存的电能耗尽时，所述管理单元自动或人为操作发出指令使与所述储能单元连接的切换端进行切换，使所述多个储能单元的第二个储能单元与用电负荷连接，由所述多个储能单元的第二个储能单元提供电能并经过所述变流单元后供所述用电负荷使用;

以此类推，直至用电负荷不需要使用电能或当所述管理单元的监控端检测到所述多个储能单元所储存电能全部耗尽时，所述管理单元自动或人为操作发出指令让所述切换单元复位并停止供电。

本发明采用一种较大功率的多储能单元、可切换使用的电力储能系统，改变了现有电力储能系统一个管理单元控制一个储能单元的设计，让一个管理单元控制多个储能单元，使整个系统的运行效率比原来提高数倍，但制造成本增加却较少，大大降低了企业的运行成本且符合国家节能减排的政策，具有广泛的应用前景。若本发明的电力储能系统设计成一个管理单元控制六个1MW的储能单元，总制造成本约需700万元，平均每MW成本为116万元，单位成本比原一个管理单元控制一个储能单元即1MW储能系统475万元成本降低了约75％，且整个储能系统的运行效率比原来提高了6倍；1MW储能单元每次存满电能的时间约为1小时，6个储能单元的储能系统通过切换正好能充分利用目前我国晚间约为6小时的优惠电价时间段进行充电储能。

本发明的这些目的，特点，和优点将会在下面的具体实施方式，附图，和权利要求中详细的揭露。

附图说明

图1为根据本发明的一较佳实施例的电力储能系统的结构示意图。

图2为根据本发明的所述较佳实施例的所述电力储能系统的充电单元结构示意图。

图3为根据本发明的所述较佳实施例的所述电力储能系统的切换单元结构示意图。

图4为根据本发明的所述较佳实施例的所述电力储能系统的管理单元结构示意图。

图5为根据本发明的所述较佳实施例的所述电力储能系统的使用流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种可切换的电力储能系统1，包括：

多个储能单元11，并联连接，其中每一所述储能单元包括多个并联的电池簇111；每一所述电池簇包括多个串联的电池1111；

一充电单元12，与供电系统连接；

一变流单元13，用于将所述供电系统输出的交流电转换为直流电存入所述电池1111，并将所述电池1111中的直流电转换成交流电供用电负荷使用；

一切换单元14，与所述储能单元11和所述变流单元13连接，用于接收控制指令并依照所述控制指令与对应的所述储能单元11连接或断开；

一管理单元15，与所述多个储能单元11和所述切换单元14相连，用于管理所有所述储能单元11，检测所述储能单元11的运行数据，并在所述运行数据达到特定的阈值后发送所述控制指令至所述切换单元14；及

一装载单元16，其中所述储能单元11、所述切换单元14、所述管理单元15按照体积大小、重量大小合理均匀排布在所述装载单元16内。

其中，所述运行数据包括所有所述电池的电流、电压、温度和存储消耗量，以及不同电池簇间充放电的电流、电压等大小和累计存储或释放电能情况。

如图2所示，所述充电单元12包括一电力输入接口121，一高压开关柜及附属设备122和一变压器123，其中所述电力输入接口121与供电系统的电力输出接口连接；所述供电系统提供的电能通过所述电力输入接口121经过所述高压开关柜及附属设备122和所述变压器123的通断、变压等功能的控制和保护进入储能阶段。

如图3所示，所述切换单元14包括一个切换端141和一个控制端142，其中所述切换端141包括与多个储能单元数量11相对应的切换点1411，其中所述多个切换点1411分别与所述多个储能单元的每一个储能单元11对应；且至多一个所述切换点1411和其对应的所述储能单元11连接；所述控制端用于接收所述切换单元14进行切换的控制指令和控制所述切换端141进行相应的切换，以控制至多一个所述切换点1411和对应的所述储能单元11连接；在所述控制端142接收到控制指令后，所述切换端141执行与对应的所述储能单元11连接或断开。

如图4所示，所述管理单元15包括：

一监控端151，所述监控端包括多个与对应电池1111连接的模块管理层控制器1511，多个与对应的所述模块管理层控制器1511连接的串联管理层控制器1512，一与对应的所述多个串联管理层控制器1512连接的并联管理层控制器1513，和多个与对应的所述电池1111连接的均衡管理控制器1514，其中所述模块管理层控制器1511用于采集所述多个单体电池1111的电压、温度信息，并将信息传送给所述串联管理层控制器1512，同时对所述电池1111进行主动式冷热管理；所述串联管理层控制器1512用于管理所述多个电池簇111，识别所述电池簇111的电流、电压、温度、存储消耗量等信息，并将信息传送给所述并联管理层控制器1513；所述并联管理层控制器1513用于管理所述多个储能单元11，计算所述多个储能单元11的电流、电压、温度、存储消耗量等信息；所述均衡管理控制器1514用于灵活调整所述多个储能单元11中每一串联的不同电池1111间充放电的电流、电压等大小和累计存储或释放电能情况，保持电池1111间的动态平衡；及

一操作端152，包括一数据库存储器1521和一显示器操作终端1522，其中所述数据库存储器1521用于存储所述并联管理层控制器1513和所述多个均衡管理控制器1514传送的所有信息；所述显示器操作终端1522用于显示所述数据库存储器1521的信息和手动操作发出指令。

所述可切换的电力储能系统1可以如下具体实施。

一种5兆瓦时的可切换的电力储能系统，包括：

十个500千瓦时的储能单元，每一个所述500千瓦时储能单元独立集成在一个电池柜单元内；首先由54串200Ah单体串联，然后共四串这样的电池组并联，组成一个所述500KWh储能单元；

一充电单元，包括一电力输入接口，一10kV高压柜及附属设备，和一台容量为1250kVA、10/0.4kV站用干式降压变压器，该电力输入接口与供电系统的电力输出接口连接，所述供电系统提供的电能通过所述电力输入口经过所述高压柜及附属设备和所述变压器的通断、变压等功能的控制和保护进入储能阶段；

一储能双向变流器（PCS），包括整流/逆变模块，直流侧断路器，交流侧断路器和内置耦合变压器，其中所述整流/逆变模块最多可并联32组功率模块，最大单机容量可达到10MW的双向变流能力；

一切换单元，分别与所述充电单元和所述十个储能单元连接，包括一个切换端和一个控制端，其中所述切换端包括十个切换点，其中所述十个切换点分别与所述十个储能单元对应；且至多一个所述切换点和其对应的所述储能单元连接；所述控制端用于接收所述切换单元进行切换的控制指令和控制所述切换端进行相应的切换，以控制至多一个所述切换点和对应的所述储能单元连接；在所述控制端接收到控制指令后，所述切换端执行并与对应的所述储能单元连接或断开；

一管理单元，分别与所述十个储能单元和所述切换单元相连，主要包括：模块管理层控制器（BMU）、串联管理层控制器（BCU）和阵列管理层控制器（BAU）、有源主动均衡控制器、嵌入式监控系统和后台数据库；及

一集装箱式的不锈钢箱体，其中所述十个储能单元、所述切换单元、所述管理单元按照体积大小、重量大小合理均匀排布在所述不锈钢箱体内。

其中，所述10kV高压柜及附属设备为一KYN28A-12型手车式金属铠装封闭式开关柜，具体技术参数如表1。

表1KYN28A-12型手车式金属铠装封闭式开关柜技术参数

其中，所述容量为1250kVA、10/0.4kV站用干式降压变压器具体参数如表2。

表21250kVA、10/0.4kV站用干式降压变压器技术参数

型号规格          SCB10-1250/10kV/0.4kV

容量(kVA)         1250
	额定电压（kV）    10/0.4
额定频率          50Hz
	相数              3
冷却方式          风冷
	联结组别          D，Yn11
短路阻抗(%)       6
	空载损耗(kW)      2.09
负载损耗(kW)      9.69
	分接范围         ±2×2.5%
数量（台）        1
	噪音（dB）        ≤52
绝缘耐热等级      F级

其中，通过所述管理单元采集到的单体电池实时电压值被及时的反馈给PCS，PCS根据预先设定的充电截止电压阈值，和放电截止电压阈值发出指令控制每一组电池串的充电时间和电流大小；中央指令控制器可通过内置的CAN总线I/0电路板与PCS通讯，并可对PCS预设动态有功功率点和进行动态无功功率点的设置；PCS内部的核心算法建模是基于电网频率的变化率，来决定自动从电网吸收电能和向电网释放输出电能。

其中，所述有源主动均衡控制器属于有源均衡技术，其均衡电流大，均衡时间长，热耗散低，充电效率高，这种策略对电池组的均衡电流一般为1到2A，最大能做到5到10A左右。电池组使用一段时间后，由于每节单体电池充放电特性的不一致性，电池组的容量会快速下降，每节电芯间的荷电状态（SOC）差异和容量差异会越来越大，此时有源均衡控制器可以主动调节每一节电池的电压和电池组间的电流，以减小不同电池间的电压差和容量差异。所述模块管理层控制器的主要功能如表3所示。所述串联管理层控制器的主要功能如表4所示。所述阵列管理层控制器的主要功能如表5所示。

表3模块管理层控制器主要功能

表4串联管理层控制器主要功能

表5阵列管理层控制器主要功能

依据本发明的所述较佳实施例，本电力储能系统在不同的电芯之间搭建Buck-Boost电流源的结构，在不同电池间完成电流的转移，在充电过程中，均衡电路能够将SOC相对高的电池的充电电流分配到其他还未充满的电池中去，使SOC相对高的电池的充电电流变小，SOC相对低的电池充电电流变大，最终达到均衡。在放电时，均衡电路能够把SOC相对低的电池放电电流分配到其他SOC相对高的电池中去，使SOC相对高的电池放电电流变大，SOC相对低的电池放电电流变小，最终达到均放。

如图5所示，本发明还提供了一所述可切换的电力储能系统的使用流程，包括充电流程和放电流程。所述充电流程包括以下步骤：

（101）连接一充电单元的一电力输入接口与一供电系统的一电力输出接口，所述充电单元的一高压柜运行；

（102）一管理单元发出指令让一切换单元的一切换端进行切换，使一第一储能单元与所述供电系统连接，从而所述供电系统提供的电能经过所述充电单元的一变压器和一变流单元，给所述第一储能单元充电，直至所述第一储能单元充满；

（103）所述管理单元的一监控端监控所有储能单元；

（104）当所述监控端检测到所述第一储能单元已充满，所述管理单元发出指令切换所述切换端，使一第二储能单元与所述供电系统连接，从而所述供电系统提供的电能经过所述充电单元的所述变压器和所述变流单元，给所述第二储能单元充电；

（105）以此类推，所述切换单元不断切换直至第十个储能单元充满电能；及

（106）当所述监控端检测到所述十个储能单元全部充满电能时，所述管理单元发出指令复位所述切换端并停止充电。

所述放电流程包括以下步骤：

（201）连接一需要在高峰期用电的用电负荷与所述可切换的电力储能系统，一管理单元发出指令让一切换单元的一切换端进行切换，使一第一储能单元与所述用电负荷连接，由所述第一储能单元提供电能经过一变流单元后供所述用电负荷使用；

（202）一管理单元的一监控端检测所有储能单元；

（203）当所述监控端检测到所述第一储能单元储存的电能耗尽时，所述管理单元发出指令切换所述切换端，使一第二储能单元与所述用电负荷连接，从而所述第二储能单元提供的电能经过所述变流单元后供所述用电负荷使用；

（204）以此类推，当所述监控端检测到最后一个储能单元储存的电能耗尽时，所述管理单元发出指令复位所述切换端并停止供电；或

（205）当所述用电负荷不需要使用电能时，所述管理单元发出指令复位所述切换端并停止供电。

通过上述实施例，本发明的目的已经被完全有效的达到了。熟悉该项技艺的人士应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一可切换的电力储能系统，包括：

多个储能单元，并联连接，其中每一所述储能单元包括多个并联的电池簇；每一所述电池簇包括多个串联的电池；

一充电单元，与供电系统的电力输出接口连接，其中所述供电系统提供的电能通过所述充电单元进入储能阶段；

一变流单元，用于将所述供电系统输出的交流电转换为直流电存入所述储能单元的电池，并将所述储能单元的电池中的直流电转换成交流电供用电负荷使用；

一切换单元，包括一个切换端和一个控制端，其中所述切换端分别与每一所述储能单元对应；所述控制端用于接收所述切换单元进行切换的控制指令和控制所述切换端进行相应的切换，以控制所述切换端与至多一个所述储能单元连接；在所述控制端接收到所述控制指令后，所述切换端执行与对应的所述储能单元连接或断开；及

一管理单元，与所述多个储能单元和所述切换单元相连，用于管理所有所述储能单元，监测所述储能单元的运行数据，并在所述运行数据达到特定的阈值后发送所述控制指令至所述切换单元，其中所述数据包括所有所述电池的电流、电压、温度和存储消耗量，以及不同电池簇充放电的电流、电压等大小和累计存储或释放电能情况。

2.如权利要求1所述的电力储能系统，其中所述管理单元包括：

一监控端，所述监控端包括多个与对应的所述电池连接的模块管理层控制器，多个与对应的所述模块管理层控制器连接的串联管理层控制器，一个与对应的所述多个串联管理层控制器连接的并联管理层控制器，和多个与对应所述电池连接的均衡管理控制器，其中所述模块管理层控制器用于采集所述多个储能单元中单体电池的电压、温度信息，并将信息传送给所述串联管理层控制器，同时对电池进行主动式冷热管理；所述串联管理层控制器用于管理每一所述电池簇，识别所述电池簇的电流、电压、温度、存储消耗量等信息，并将信息传送给所述并联管理层控制器；所述并联管理层控制器用于管理所述多个储能单元，计算所述多个储能单元的电流、电压、温度、存储消耗量等信息；所述均衡管理控制器用于灵活调整所述多个储能单元中每一串联的不同电池间充放电的电流、电压等参数，保持电池间的动态平衡；及

一操作端，与所述监控端连接，包括一数据库存储器，和一显示器操作终端，其中所述数据库存储器用于存储所述并列管理层控制器和所有所述均衡管理控制器传送的所有信息；所述显示器操作终端用于显示所述数据库存储器的信息和手动操作发出指令。

3.如权利要求2所述的电力储能系统，其中所述充电单元包括一电力输入接口，一高压开关柜及附属设备和一变压器，其中所述电力输入接口与供电系统的电力输出接口连接；所述供电系统提供的电能通过所述电力输入接口经过所述高压开关柜及附属设备和所述变压器的通断、变压等功能的控制和保护进入储能阶段。

4.如权利要求3所述的电力储能系统，其中所述控制指令包括切换所述切换端，和复位所述切换端。

5.如权利要求4所述的电力储能系统，其中当所述电力输入接口与所述供电系统的电力输出接口相接时，所述管理单元检测到所有所述储能单元的电能存储量为零，则发出所述控制指令至所述切换单元连接所述切换端和一对应的第一储能单元，开始充电。

6.如权利要求5所述的电力储能系统，其中当所述管理单元检测到所述第一储能单元的电能存储量已达到最大值，则发出所述控制指令至所述切换端切换所述切换端，以连接一对应的第二储能单元，开始充电。

7.如权利要求6所述的电力储能系统，其中当所述管理单元检测到所有储能单元的电能存储总量已达到最大值，则发出指令至所述切换端复位所述切换端，停止充电。

8.如权利要求4所述的电力储能系统，其中当一需要用电的外部用电负荷与所述可切换的电力储能系统连接时，所述管理单元检测到一第一储能单元有电能存储量，则发出所述控制指令至所述切换单元连接所述第一储能单元，以向所述用电负荷提供电能。

9.如权利要求2所述的电力储能系统，还包括一装载单元，其中所述储能单元、切换单元、管理单元按照体积大小、重量大小合理均匀排布在所述装载单元内。

10.一可切换的电力储能系统的使用方法，包括一充电方法和一放电方法，其中所述充电方法包括以下步骤：

（101）连接一充电单元的一电力输入接口与一供电系统的一电力输出接口，所述充电单元的一高压开关柜运行；

（102）一管理单元发出指令让一切换单元的一切换端进行切换，使一第一储能单元与所述供电系统连接，从而所述供电系统提供的电能经过所述充电单元的一变压器和一变流单元，给所述第一储能单元充电，直至所述第一储能单元充满；

（103）所述管理单元的一监控端监控所有储能单元；

（104）当所述监控端检测到所述第一储能单元已充满，所述管理单元发出指令切换所述切换端，使得一第二储能单元与所述供电系统连接，从而所述供电系统提供的电能经过所述充电单元的所述变压器和所述变流单元，给所述第二储能单元充电；

（105）以此类推，所述切换单元不断切换直至最后一个所述储能单元充满电能；及

（106）当所述监控端检测到所述储能单元全部充满电能时，所述管理单元发出指令复位所述切换端并停止充电；

其中所述放电方法包括以下步骤：

（201）连接一需要用电的用电负荷与所述可切换的电力储能系统，一管理单元发出指令让一切换单元的一切换端进行切换，使一第一储能单元与所述用电负荷连接，由所述第一储能单元提供电能经过一变流单元后供所述用电负荷使用；

（202）一管理单元的一监控端监控所有储能单元；

（203）当所述监控端检测到所述第一储能单元储存的电能耗尽时，所述管理单元发出指令切换所述切换端，使一第二储能单元与所述用电负荷连接，从而所述第二储能单元提供的电能经过所述变流单元后供所述用电负荷使用；

（204）以此类推，当所述监控端检测到最后一个储能单元储存的电能耗尽时，所述管理单元发出指令复位所述切换端并停止供电；或

（205）当所述用电负荷不需要使用电能时，所述管理单元发出指令复位所述切换端并停止供电。