CN108270230A - 一种分布式储能系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电池储能应用领域，提供了一种分布式储能系统，所述系统包括：一个或多个储能变流器、一个或多个电池模块和一个或多个DC/DC功率变换模块，其中电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，每个电池模块接入一个DC/DC功率变换模块；一个或者多个DC/DC功率变换模块并联接入一组母线；一组母线或者多组串联的母线接入一个储能变流器。其中，单个电池模块作为系统中可独立控制充放电的储能单元，由独立的DC/DC模块进行充放电控制，其接入控制与整个系统的运行解耦，单个电池模块的退出运行不影响整个储能系统的运行；在DC/DC模块的电压和运行功率允许的范围内，不同品牌、不同类型、不同特性的电池模块可以无差别地接入储能系统，系统兼容性很好。
Description
技术领域
本发明涉及电池储能应用领域。更具体而言，本发明涉及一种分布式储能系统。
背景技术
电动汽车退役动力电池通常具有初始容量70％以上的剩余容量，经过重新检测分析、筛选及重组之后，可以进行梯次利用。退役动力电池梯次利用的应用领域包括低速电动车、备用电源和电力储能领域。
国内外电动汽车企业所采用锂离子电池的技术路线、型号及规格各不相同，电池模块的品种繁多，导致梯次利用的检测、重组和接入难度极大，严重制约了退役动力电池在规模化储能应用领域的发展。
目前大型储能系统通常采用大规模电池串并联成组方式并通过集中式储能变流器(PCS)进行功率变换。这种系统架构对电池的一致性要求非常高，大量电池的串联拓扑结构势必导致系统的木桶效应，即系统的特性由最差的电池决定。对于梯次利用电池而言，由于一致性较差，不太适合采用这种方式。
《GB 51048-2014电化学储能电站设计规范》第5.2.4节提到了一种一级变换拓扑型储能功率变换系统，如图1所示。该方案仅含单个AC/DC功率变换环节，所有储能电池经过串并联组合后直接连接到AC/DC的直流侧。这种方案是当前大型储能系统普遍所采用的一种拓扑结构，主要优点是功率变换拓扑结构简单，能耗相对较低。但是，这种方案的缺点也很明显，如下：所有电池串并联在一起进行充放电，对所有电池的充放电是同时进行的，不能够单独对每个电池模块或每个电池簇进行充放电；这种系统架构对电池的一致性要求非常高，大量电池的串联拓扑结构势必导致系统的木桶效应，即系统的特性由最差的电池决定，影响了系统的整体储能容量；当某个电池因故障退出工作时，至少相应的一簇电池也要退出工作；当某一个电池模块要更换时，新的电池模块相应的容量、SOC、电压等参数要求和同一电池簇中其他电池模块一致，才能够允许接入；当某一个电池簇要更换时，新的电池簇相应的容量、SOC、电压等参数要求和同一电池堆中其他电池簇一致，才能够允许接入。因此，在当前大型储能系统的应用中，该技术方案主要用于基于新电池的储能系统设计。对于梯次利用电池而言，由于梯次利用电池的一致性较差、寿命较短、故障率较高，并且还存在利用不同类型、不同特性的梯次利用电池组成一个储能系统的需求，因此，这种技术方案满足不了梯次利用电池储能系统的需求。
《GB 51048-2014电化学储能电站设计规范》第5.2.4节提到了一种H桥链式拓扑型储能功率变换系统，如图2和图3所示。该方案采用多个双向AC/DC模块在AC侧串联的方法来实现AC侧电压输出，需要实现高压输出时，只需简单增加功率模块数即可，避免电池模块的过多串联。每个AC/DC功率模块的结构相同，容易进行模块化设计和封装。每个功率模块都是分离的直流电源，彼此之间独立，每个功率模块可以独立控制充放电，对一个单元的控制不会影响其他单元。但是，在这个方案中，当某个电池模块退出运行时，对应的功率模块采用旁路的方式，可能会造成整串的交流总电压不足，因此在实际应用中，有的解决方案是采用8个功率模块同时工作提供额定交流电压，2个功率模块冗余的方式，但是这样设计不仅会增加系统成本和能耗，而且当有2个以上的电池模块退出运行时，仍可能会因交流总电压不足导致整串的退出运行。
发明内容
为了解决上述梯次利用电池的大规模储能应用问题，本发明提出了一种新的分布式矩阵型储能系统。本发明的分布式矩阵型储能系统利用基于两级变换拓扑结构的功率变换技术和柔性接入控制技术，使得不同类型、不同性能的电池模块能够作为独立的储能单元，无差别地接入储能系统，并能够独立控制每一个电池模块的充放电运行状态。
根据本发明的一方面，提供一种分布式储能系统，所述系统可以包括：一个或多个储能变流器(PCS:Power Conversion System.)、一个或多个电池模块和一个或多个DC/DC(Direct Current.)功率变换模块，其中电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，每个电池模块接入一个DC/DC功率变换模块；一个或者多个DC/DC功率变换模块并联接入一组母线；一组母线或者多组串联的母线接入一个储能变流器。
根据本发明的一些优选的实施方案，所述储能变流器包含AC(AlternatingCurrent.)/DC模块，所述一组母线或者多组串联的母线接入该储能变流器的DC侧。
具体地，本申请中，所述电池模块可以为梯次利用电池模块。
更具体地，所述梯次利用电池模块可以为不同的梯次利用电池模块。
更具体地，所述梯次利用电池模块具有运行和标定的工作模式。
根据本申请的一些优选的实施方案，所述系统还可以包括一个或多个电池模块管理单元(BMU：Battery Management Unit)，所述电池模块管理单元用于管理单个的电池模块以及与该电池模块对应连接的DC/DC功率变换模块，所述电池模块管理单元与电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，并接入相应的母线组。
进一步地，所述系统还可以包括一个或多个电池簇管理单元(BCMU:BatteryCluster Management Unit)，所述电池簇管理单元通过CAN总线和同一组母线上的所有电池模块管理单元连接。
进一步地，所述系统还可以包括直流监测单元(DMU:Direct Monitor Unit)。
进一步地，所述系统还可以包括一个或多个电池堆管理单元(BAMU：BatteryArray Management Unit)，一个电池堆管理单元与一个储能变流器通信，并与接入该储能变流器的一个或多个电池簇管理单元以及直流监测单元连接。
进一步地，所述系统还可以包括监控子系统，所述监控子系统与所述一个或多个电池堆管理单元和一个或多个储能变流器连接。
有益效果
本发明的分布式储能系统具有如下效果：
1、单个电池模块作为系统中可独立控制充放电的储能单元，由独立的DC/DC模块进行充放电控制，其接入控制与整个系统的运行解耦，单个电池模块的退出运行不影响整个储能系统的运行；
2、在DC/DC模块的电压和运行功率允许的范围内，不同品牌、不同类型、不同特性的电池模块可以无差别地接入储能系统，系统兼容性很好；
3、可以根据每个电池模块的特性制订不同的充放电控制策略；
4、单个电池模块可以选择不同的工作模式，包括运行模式和标定模式。在运行模式下，电池模块根据不同时段的控制策略进行充放电；在标定模式下，可以分别对每个电池模块进行满充满放，完成对电池的标定，评估电池模块的健康状态，进而判断该电池模块是否需要退出运行；
5、进一步地，电池模块管理单元(BMU)作为系统底层最基本的管理单元，集成对单个电池模块的管理功能以及配套的单个DC/DC模块的管理功能于一体，简化了通信和控制，节省了成本；
6、系统具有很好的可扩展性，可以根据应用需求方便地组合成不同规模大小的储能系统；
7、系统也具有很好的可维护性，可以根据单个电池模块的健康状况随时进行更换，不会影响整个储能系统的运行；
8、系统还具有很高的能量效率。
附图说明
图1为现有技术的一种一级变换拓扑型储能功率变换系统的示意图；
图2为现有技术的一种H桥链式拓扑型储能功率变换系统的示意图；
图3为现有技术的另一种H桥链式拓扑型储能功率变换系统的示意图；
图4为根据本发明一个优选实施方案的分布式储能系统的示意图；
图5为根据本发明一个优选实施方案的分布式储能系统的控制部分的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请采用基于两级变换的功率变换技术，构建了一种分布式矩阵型储能系统，该系统可以包括：一个或多个储能变流器、一个或多个电池模块和一个或多个DC/DC功率变换模块，其中电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，每个电池模块接入一个DC/DC功率变换模块；一个或者多个DC/DC功率变换模块并联接入一组母线；一组母线或者多组串联的母线接入一个储能变流器，通过一个或多个储能变流器接入电网系统。单个DC/DC功率变换模块可以对连接的电池模块进行充放电控制。储能变流器可以根据系统运行控制策略，对连入该储能变流器的一堆电池模块进行充放电控制。
所述储能变流器包含AC/DC模块，所述一组母线或者多组串联的母线可以接入该储能变流器的DC侧。
图4示出了一个优选实施方案的分布式储能系统，如图所示，其包括：多个储能变流器PCS1至PCSn、多个电池模块(图中以PACK所示)和多个DC/DC功率变换模块，其中电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，每个电池模块接入一个DC/DC功率变换模块；多个DC/DC功率变换模块并联接入一组(DC)母线；多组DC母线串联接入一个储能变流器的DC侧。多个PCS的AC侧三相接入380V电网系统。
本技术方案采用的两级功率变换技术包括集中式的PCS(双向AC/DC功率变换)和分布式的DC/DC功率变换模块(双向DC/DC功率变换)。每个电池模块接入一个双向DC/DC功率变换模块，多个DC/DC功率变换模块并联接入一组DC母线，多组DC母线串联升压后，接入集中式PCS的DC侧，PCS的AC侧三相接入380V电网系统，整个分布式储能系统具有很高的能量效率。
在本申请的分布式储能系统中，单个电池模块作为系统中可独立控制充放电的储能单元，由独立的DC/DC模块进行充放电控制，其接入控制与整个系统的运行解耦，单个电池模块的退出运行不影响整个储能系统的运行。从而，只要在DC/DC模块的电压和运行功率允许的范围内，不同品牌、不同类型、不同特性的电池模块均可以无差别地接入储能系统，系统兼容性很好。因此，本申请的分布式储能系统，尤其适用于梯次利用电池模块，而且，可以兼容各种不同型号、规格乃至技术路线的梯次利用电池模块，可以很好地解决梯次利用电池由于一致性差而不便于利用的问题，同时由于单个电池模块的退出运行不影响整个储能系统的运行，也可以解决梯次利用电池寿命较短、故障率高的问题，即使其中部分梯次利用电池出现故障，也可以在不影响整个储能系统运行的情况下进行更换，而且这种更换对于用于更换的梯次利用电池也没有特殊要求，可以为相同或者不同的梯次利用电池模块。另外，本申请的分布式储能系统也可以根据不同电池模块的充放电特性和剩余容量制定不同的充放电控制策略。单个电池模块可以选择不同的工作模式，包括运行模式和标定模式。在运行模式下，电池模块根据不同时段的控制策略进行充放电；在标定模式下，可以分别对每个电池模块进行满充满放，完成对电池的标定，评估电池模块的健康状态，进而判断该电池模块是否需要退出运行。
为了更好地对该分布式储能系统进行控制，所述系统还可以包括一个或多个电池模块管理单元，所述电池模块管理单元用于管理单个的电池模块以及与该电池模块对应连接的DC/DC功率变换模块，所述电池模块管理单元与电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，并接入相应的母线组。电池模块管理单元为系统最基本的管理单元，集成了对单个电池模块的管理功能以及配套的单个DC/DC模块的管理功能，可以简化通信和控制，节约成本。
为了进一步对储能系统进行分级控制，所述系统还可以包括一个或多个电池簇管理单元，所述电池簇管理单元通过CAN总线和同一组母线上的所有电池模块管理单元连接，由此实现对并联在同一(DC)母线上的所有电池模块以及DC/DC功率变换模块的管理。图5示出了本申请的分布式储能系统的一种优选的控制部分，如图所示，一个BCMS通过CAN总线和同一组母线上的所有BMU连接，多个BCMS通过以太网接入一个BAMS。
所述系统还可以包括一个或多个直流监测单元，以实时监测(DC)母线的绝缘状况。如图5所示，直流监测单元可以通过以太网接入BAMS。
更进一步地，所述系统还可以包括一个或多个电池堆管理单元，如图5所示，一个电池堆管理单元与一个储能变流器通信，并与接入该对应储能变流器的一个或多个电池簇管理单元以及直流监测单元连接，从而该电池堆管理单元可以实现对储能系统内所有电池模块的管理。
通过采用的两级功率变换技术构建的分布式储能系统，以及进一步构建的分级的管理控制部分，本申请的分布式储能系统具有很好的可扩展性，可以方便引入例如单个电池模块或者多个电池模块并联形成的电池模块组乃至多个电池模块并联入母线后再串联形成的电池堆，并可以通过相应的电池模块管理单元、电池簇管理单元和电池堆管理单元进行管理，从而可以根据应用需求方便地组合成不同规模大小的储能系统。同时，这样构成的系统具有很好的可维护性，由于单个电池模块由独立的DC/DC模块进行充放电控制，其接入控制与整个系统的运行解耦，单个电池模块的退出运行不影响整个储能系统的运行，因此可以根据单个电池模块的健康状况随时进行更换，不会影响整个储能系统的运行。
而且，本申请的分布式储能系统还可以进一步包括监控子系统，如图5所示，所述监控子系统与所述一个或多个电池堆管理单元和一个或多个储能变流器通过以太网连接，用于整个分布式储能系统的数据采集、存储、监测和控制。进一步地，该监控子系统还可以同时集成能量管理系统(EMS:Energy Management System)的功能，根据储能系统和外部电网系统的运行策略进行能量调度。
另外，本申请的分布式储能系统还可以进一步包括云平台，如图5所示，该云平台可以通过以太网与一个或多个电池堆管理单元和一个或多个储能变流器连接，在以太网与云平台之间可以设置隔离装置以提高安全性，从而对储能系统进行远程监控，提供电池全生命周期数据管理、故障预警、故障诊断、事件主动推送等功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式储能系统，所述系统包括：一个或多个储能变流器、一个或多个电池模块和一个或多个DC/DC功率变换模块，其中电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，每个电池模块接入一个DC/DC功率变换模块；一个或者多个DC/DC功率变换模块并联接入一组母线；一组母线或者多组串联的母线接入一个储能变流器。
2.根据权利要求1所述的分布式储能系统，其中，所述储能变流器包含AC/DC模块，所述一组母线或者多组串联的母线接入该储能变流器的DC侧。
3.根据权利要求1所述的分布式储能系统，其中，所述电池模块为梯次利用电池模块。
4.根据权利要求3所述的分布式储能系统，其中，所述梯次利用电池模块为不同的梯次利用电池模块。
5.根据权利要求3所述的分布式储能系统，其中，所述梯次利用电池模块具有运行和标定的工作模式。
6.根据权利要求1所述的分布式储能系统，其中，所述系统还包括一个或多个电池模块管理单元，所述电池模块管理单元用于管理单个的电池模块以及与该电池模块对应连接的DC/DC功率变换模块，所述电池模块管理单元与电池模块和DC/DC功率变换模块一一对应，并接入相应的母线组。
7.根据权利要求6所述的分布式储能系统，其中，所述系统还包括一个或多个电池簇管理单元，所述电池簇管理单元通过CAN总线和同一组母线上的所有电池模块管理单元连接。
8.根据权利要求7所述的分布式储能系统，其中，所述系统还包括直流监测单元。
9.根据权利要求8所述的分布式储能系统，其中，所述系统还包括一个或多个电池堆管理单元，一个电池堆管理单元与一个储能变流器通信，并与接入该储能变流器的一个或多个电池簇管理单元以及直流监测单元连接。
10.根据权利要求9所述的分布式储能系统，其中，所述系统还包括监控子系统，所述监控子系统与所述一个或多个电池堆管理单元和一个或多个储能变流器连接。
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