CN106451513A - 一种混合式ups储能系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式UPS储能系统及其方法，包括PCC开关、储能系统、UPS 变流器、电容器组、能量管理系统与重要敏感负荷和本地其他负荷构成，PCC开关一端与交流大电网连接，PCC开关另一端通过交流母线与UPS变流器的输入端连接；电容器组并联在UPS变流器的直流母线环节上；所述储能系统包括储能电池和储能变流器，储能电池通过储能变流器连接在交流母线充电或放电，所述储能变流器负责对PCC开关进行断开与闭合；能量管理系统对系统中的储能电池、储能变流器、UPS 变流器以及交流大电网进行数据采集与监测，通过能量管理系统对储能系统与UPS 变流器间的协调控制，既能保证本地敏感负荷的不间断供电，又能实现储能的电网服务功能。

Description

一种混合式UPS储能系统及其方法

技术领域

本发明涉及储能领域，具体地说是一种混合式UPS储能系统及其方法。

背景技术

传统的不间断电源（UPS，Uninterruptible Power System/UninterruptiblePower Supply）是将蓄电池（多为铅酸电池）与逆变主机相连接，通过逆变主机中的电力电子电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给医院、数据中心等场地的重要敏感负荷提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还给蓄电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变器切换转换的方法向负载不间断供应。

由上可见，单纯的UPS供电系统功能单一，不具备参与电网服务功能，如削峰填谷、电网支撑及系统扩容等。另外UPS铅酸储能电池每隔3年就需要更换还需要定期巡检，导致系统运维成本过高。

随着电力体制改革的推进及售配电市场的放开，储能系统应用越来越多，其经济性越来越好，针对医院、数据中心等场合一方面需要保证重要敏感负荷高可靠不间断供电，另一方面随着负荷的增加，需要电网增容，此时储能系统将是非常好的选择，不但可以解决增容，延缓电网改造，还可以结合需求侧响应进行削峰填谷获取收益。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术缺陷，提供一种混合式UPS储能系统及其方法，解决单纯的UPS供电系统功能单一，不具备参与电网服务功能，如不具备削峰填谷、电网支撑及系统扩容等的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种混合式UPS储能系统，包括PCC开关、储能系统、UPS 变流器、电容器组、能量管理系统与重要敏感负荷和本地其他负荷构成，所述PCC开关一端与交流大电网连接，所述PCC开关另一端通过交流母线与UPS变流器的输入端连接；所述电容器组并联在UPS变流器的直流母线环节上；所述储能系统包括储能电池和储能变流器，所述储能电池通过储能变流器连接在交流母线充电或放电，所述储能变流器负责对PCC开关进行断开与闭合；所述能量管理系统对系统中的储能电池、储能变流器、UPS 变流器以及交流大电网进行数据采集与监测，通过能量管理系统对储能系统与UPS 变流器间的协调控制，既能保证本地敏感负荷的不间断供电，又能实现储能的电网服务功能。

进一步的，所述储能变流器负责对PCC开关进行断开与闭合，断开与闭合两者之间通过干结点的方式进行DI和DO的状态交互。

进一步的，所述混合式UPS储能系统，当电网发生故障时，所述UPS变流器通过自身并联的电容器组直接为重要敏感负荷供电，确保了供电的连续与可靠性；而储能变流器则通过内部的DO干接点信号使PCC开关断开，同时当检测到PCC开关返回真正断开的DI信号后，储能变流器开始转换工作模式，由并网模式改为独立运行模式，为本地一般负荷及UPS变流器供电，而且通过能量管理系统的监控，还可优先保证重要敏感负荷的供电。

进一步的，所述混合式UPS储能系统，当电网故障恢复时，所述储能变流器收到并网指令后，根据PCC开关两侧电压情况调节输出电压的幅值，相位及频率，当判断开关两侧满足并网要求后，所述储能变流器开始转换工作模式，由独立运行模式改为并网模式，响应能量管理系统功率调度；而UPS变流器则直接通过交流母线为重要敏感负荷供电，同时对并网运行过程中出现的电压闪变、波动以及谐波过大电能质量问题进行治理。

进一步的，所述电容器组既可是电解电容，也可是超级电容，其最小配置容量如下：

C>=Kc Ps Ts，式中：

C表示电容器组的容量；

Ps表示重要敏感负荷的最大功率或UPS变流器的最大功率；

Ts表示在电网故障时，所述储能变流器由并网转离网建立起稳定交流母线电压的最大时间。

Kc表示电容器组可利用的有效容量系数，由UPS变流器正常运行时直流环节母线额定电压Udcr与最小电压Udcmin决定如下： Kc=（Udcr- Udcmin）/ Udcr。

进一步的，所述储能电池是锂离子电池、铅碳矾、电池或其他类型的储能介质，其容量设计需要根据负荷及当地峰谷电价时间来决定。

进一步的，所述交流母线上可根据不同的应用场合并入光伏并网发电系统。

本发明通过下述另一技术方案实现：

一种混合式UPS储能方法，包括以下步骤：

步骤1，当电网发生故障时，所述UPS变流器通过自身并联的电容器组直接为重要敏感负荷供电，确保了供电的连续与可靠性；而储能变流器则通过内部的DO干接点信号使PCC开关断开，同时当检测到PCC开关返回真正断开的DI信号后，储能变流器开始转换工作模式，由并网模式改为独立运行模式，为本地一般负荷及UPS变流器供电，而且通过能量管理系统的监控，还可优先保证重要敏感负荷的供电；

步骤2，当电网故障恢复时，所述储能变流器收到并网指令后，根据PCC开关两侧电压情况调节输出电压的幅值，相位及频率，当判断开关两侧满足并网要求后，所述储能变流器开始转换工作模式，由独立运行模式改为并网模式，响应能量管理系统功率调度；而UPS变流器则直接通过交流母线为重要敏感负荷供电，同时对并网运行过程中出现的电压闪变、波动以及谐波过大电能质量问题进行治理。

本发明的有益效果是：

1、本发明去除传统UPS中的铅酸储能电池，用小容量（秒级）的超级电容，通过用电容器组并联在UPS变流器的直流母线环节上，不用再额外配置储能电池；降低了系统运维成本；

2、通过储能变流器负责对PCC点开关进行断开与闭合，两者之间通过干结点的方式进行DI和DO的状态交互；两种模式在切换过程中能保证重要敏感负荷的完全不间断供电；

3、本发明混合式UPS储能系统包含储能变流器与UPS变流器两种能量变换单元，通过能量管理系统对储能系统与UPS间的协调控制，既能保证本地敏感负荷的不间断供电，又能实现储能的电网服务功能；

4、储能变流器所接的储能电池，其容量设计根据负荷及当地峰谷电价时间来决定，接受能量管理系统EMS的调度策略，实现削峰填谷功能，通过削峰填谷获取收益。

附图说明

图1为本发明一种混合式UPS储能系统的原理示意图；

图2为本发明当电网发生故障时并网转离网的控制流程图；

图3为本发明电网发生恢复时离网转并网的控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明一种混合式UPS储能系统，包括PCC开关、储能系统、UPS 变流器、电容器组、能量管理系统与重要敏感负荷和本地其他负荷构成。PCC开关一端与交流大电网连接，PCC开关另一端通过交流母线与UPS变流器的输入端连接；电容器组并联在UPS变流器的直流母线环节上；储能系统包括储能电池和储能变流器，储能电池通过储能变流器连接在交流母线充电或放电，储能变流器负责对PCC开关进行断开与闭合；断开与闭合两者之间通过干结点的方式进行DI和DO的状态交互。能量管理系统对系统中的储能电池、储能变流器、UPS 变流器以及交流大电网进行数据采集与监测，通过能量管理系统对储能系统与UPS 变流器间的协调控制，既能保证本地敏感负荷的不间断供电，又能实现储能的电网服务功能。

混合式UPS储能系统通过唯一的公共耦合点（PCC，Point of Common Coupling）接入交流大电网，并网耦合点的开关采用常规的机械开关，并配有电动操作结构与状态返回干结点。储能电池通过储能变流器接入交流母线；UPS变流器的输入端为交流母线的市电，输出端为重要敏感负荷，UPS变流器的中间直流环节并联了电容器组，一般为超级电容器；能量管理系统（能量管理系统EMS，Energy Management System）对系统中各个组成部分进行数据采集与监测，并制定相应的运行策略，实现优化控制。

电容器组既可是电解电容，也可是超级电容，其最小配置容量如下：

C>=Kc Ps Ts，式中：

C表示电容器组的容量；

Ps表示重要敏感负荷的最大功率或UPS变流器的最大功率；

Ts表示在电网故障时，所述储能变流器由并网转离网建立起稳定交流母线电压的最大时间。

Kc表示电容器组可利用的有效容量系数，由UPS变流器正常运行时直流环节母线额定电压Udcr与最小电压Udcmin决定如下： Kc=（Udcr- Udcmin）/ Udcr。

储能变流器所接的储能电池可以是锂离子电池、铅酸（铅碳）、矾电池等多种形式的电力储能电池，其容量设计需要根据负荷及当地峰谷电价时间来决定，一般配置容量较大，为2~8个小时。

系统组成及工作原理：

当大电网正常运行时，储能变流器并网运行，可接受能量管理系统EMS的调度策略，实现削峰填谷等功能；UPS变流器直接通过交流母线给重要敏感负荷供电，并对并网运行过程中出现的电压闪变、波动、谐波过大等电能质量问题进行治理，输出满足敏感负荷供电要求的电能。

当大电网出现故障，储能变流器独立运行，建立交流母线的电压和频率，给本地一般负荷及UPS变流器供电，能量管理系统对各组成部分进行状态监控，当监测到储能电池的电不足时，会切除掉一部分本地一般负荷，优先满足重要敏感负荷的供电。

储能变流器具有独立和并网两种运行模式，两种模式在切换过程中能保证重要敏感负荷的完全不间断供电。

实施例2

如图2-3所示，一种混合式UPS储能方法，包括以下步骤：

如图2所示，当电网发生故障时，UPS变流器通过自身并联的电容器组直接为重要敏感负荷供电，确保了供电的连续与可靠性；而储能变流器则通过内部的DO干接点信号使PCC开关断开，同时当检测到PCC开关返回真正断开的DI信号后，储能变流器开始转换工作模式，由并网模式改为独立运行模式，为本地一般负荷及UPS变流器供电，而且通过能量管理系统的监控，还可优先保证重要敏感负荷的供电；

如图3所示，电网故障恢复时，所述储能变流器收到并网指令后，根据PCC开关两侧电压情况调节输出电压的幅值，相位及频率，当判断开关两侧满足并网要求后，所述储能变流器开始转换工作模式，由独立运行模式改为并网模式，响应能量管理系统功率调度；而UPS变流器则直接通过交流母线为重要敏感负荷供电，同时对并网运行过程中出现的电压闪变、波动以及谐波过大电能质量问题进行治理。

实施例3

如图1-3所示，在实施例1或2的基础上，根据不同的应用场合，本着因地制宜、科学设计的原则，可在交流母线上并入一些光伏并网发电系统，这种或其他延伸的相关应用均在本发明的保护范围内。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混合式UPS储能系统，包括PCC开关、储能系统、UPS变流器、电容器组和能量管理系统，其特征在于：所述PCC开关一端与交流大电网连接，所述PCC开关另一端通过交流母线与UPS变流器的输入端连接；所述电容器组并联在UPS变流器的直流母线环节上；所述储能系统包括储能电池和储能变流器，所述储能电池通过储能变流器连接在交流母线充电或放电，所述储能变流器负责对PCC开关进行断开与闭合；所述能量管理系统对系统中的储能电池、储能变流器、UPS变流器以及交流大电网进行数据采集与监测，通过能量管理系统对储能系统与UPS变流器间的协调控制，既能保证本地敏感负荷的不间断供电，又能实现储能的电网服务功能。

2.根据权利要求1所述的一种混合式UPS储能系统，其特征在于：所述储能变流器负责对PCC开关进行断开与闭合，断开与闭合两者之间通过干结点的方式进行DI和DO的状态交互。

3.根据权利要求2所述的一种混合式UPS储能系统，其特征在于：所述混合式UPS储能系统，当电网发生故障时，所述UPS变流器通过自身并联的电容器组直接为重要敏感负荷供电，确保了供电的连续与可靠性；而储能变流器则通过内部的DO干接点信号使PCC开关断开，同时当检测到PCC开关返回真正断开的DI信号后，储能变流器开始转换工作模式，由并网模式改为独立运行模式，为本地一般负荷及UPS变流器供电，而且通过能量管理系统的监控，还可优先保证重要敏感负荷的供电。

4.根据权利要求2所述的一种混合式UPS储能系统，其特征在于：所述混合式UPS储能系统，当电网故障恢复时，所述储能变流器收到并网指令后，根据PCC开关两侧电压情况调节输出电压的幅值，相位及频率，当判断开关两侧满足并网要求后，所述储能变流器开始转换工作模式，由独立运行模式改为并网模式，响应能量管理系统功率调度；而UPS变流器则直接通过交流母线为重要敏感负荷供电，同时对并网运行过程中出现的电压闪变、波动以及谐波过大电能质量问题进行治理。

5.根据权利要求1所述的一种混合式UPS储能系统，其特征在于：所述电容器组既可是电解电容，也可是超级电容，其最小配置容量如下：

C>＝Kc Ps Ts，式中：

C表示电容器组的容量；

Ps表示重要敏感负荷的最大功率或UPS变流器的最大功率；

Ts表示在电网故障时，所述储能变流器由并网转离网建立起稳定交流母线电压的最大时间。

Kc表示电容器组可利用的有效容量系数，由UPS变流器正常运行时直流环节母线额定电压Udcr与最小电压Udcmin决定如下：Kc＝(Udcr-Udcmin)/Udcr。

6.根据权利要求1所述的一种混合式UPS储能系统，其特征在于：所述储能电池可是锂离子电池、铅碳电池、矾电池或其他类型的储能介质，其容量设计需要根据负荷及当地峰谷电价时间来决定。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种混合式UPS储能系统，其特征在于：所述交流母线上可并入光伏并网发电系统。

8.一种混合式UPS储能方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，当电网发生故障时，所述UPS变流器通过自身并联的电容器组直接为重要敏感负荷供电，确保了供电的连续与可靠性；而储能变流器则通过内部的DO干接点信号使PCC开关断开，同时当检测到PCC开关返回真正断开的DI信号后，储能变流器开始转换工作模式，由并网模式改为独立运行模式，为本地一般负荷及UPS变流器供电，而且通过能量管理系统的监控，还可优先保证重要敏感负荷的供电；

步骤2，当电网故障恢复时，所述储能变流器收到并网指令后，根据PCC开关两侧电压情况调节输出电压的幅值，相位及频率，当判断开关两侧满足并网要求后，所述储能变流器开始转换工作模式，由独立运行模式改为并网模式，响应能量管理系统功率调度；而UPS变流器则直接通过交流母线为重要敏感负荷供电，同时对并网运行过程中出现的电压闪变、波动以及谐波过大电能质量问题进行治理。