CN109586361A - 一种锂电池储能供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂电池储能供电系统，用于提高核电站直流电源系统供电容量，包括锂电池柜组、锂电池在线监测系统和锂电池管理系统，锂电池柜组包括多个并联的锂电池模组；锂电池在线监测系统用于对多个并联的锂电池模组的状态参数进行在线监测；锂电池管理系统用于根据状态参数和预设控制策略控制调整锂电池柜组的运行工况。本发明提供的锂电池储能供电系统，在直流系统故障状态下，直流母线失电后，自动将由大容量的锂电池组供电，保障故障状态下重要核电仪表、控制设备能长时间持续供电；在直流系统故障消除、直流母线电压恢复后，由锂电池管理系统根据控制策略对锂电池进行充电，在充电至设定电压后，自动断开。
Description
技术领域
本发明涉及核电站应急供电技术领域，尤其涉及一种用于提高核电站直流电源系统供电容量的锂电池储能供电系统。
背景技术
在GB/T14546-2008【核电厂直流电力系统设计推荐实施方法】、DL/T5044-2004【电力工程直流系统设计技术规程】中，对蓄电池容量设计要求如下：一般在外部电源或充电器失效时可独立带负荷运行1个小时，大亚湾核电站直流系统实际试验放电能力为2小时，日本福岛事故后，国家核安全局建议核电站直流电源系统蓄电池独立带载能力需提高到6小时以上。这要求蓄电池组的容量在现有基础上提到5倍。
目前核电站直流电源全部使用铅酸蓄电池组储能。铅酸蓄电池具有能量密度低、体积重量大的特点，例如，200AH容量的LNA直流系统，蓄电池组总重量达到1044KG(单个2V铅酸蓄电池重量约为18KG)；此外，铅酸蓄电池需定期巡视液位、加液，且必须垂直放置，不能多层布局，而在现有核电站厂房设计布局下，难以增加各蓄电池室空间，因而无法实现蓄电池组容量的大幅提高。
发明内容
针对现有处理机制存在的不足，本发明提供一种用于提高核电站直流电源系统供电容量的锂电池储能供电系统。
本发明实施例提供一种锂电池储能供电系统，用于提高核电站直流电源系统供电容量，包括锂电池柜组、锂电池在线监测系统和锂电池管理系统，
所述锂电池柜组包括多个并联的锂电池模组；
所述锂电池在线监测系统用于对所述多个并联的锂电池模组的状态参数进行在线监测；
所述锂电池管理系统用于根据所述状态参数和预设控制策略控制调整所述锂电池柜组的运行工况。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，每个锂电池模组包括在直流母线正负极之间依次串联的控制回路、锂电池和电源，所述控制回路包括并联连接的充电回路和放电回路，其中，所述锂电池在线监测系统实时监测所述锂电池的电压，在所述锂电池的电压小于第一阈值且所述直流母线的电压高于第二阈值时，所述锂电池管理系统控制所述充电回路对所述锂电池进行充电，在所述锂电池的电压大于所述第二阈值时，所述锂电池管理系统控制断开所述充电回路，同时控制所述放电回路合上以通过所述直流母线为下游负载提供电源。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，所述充电回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第一二极管和第一接触器，所述第一二极管的正极连接于所述直流母线正极；所述放电回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第二二极管和第二接触器，所述第二二极管的负极连接于所述直流母线正极。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，所述控制回路还包括手动回路，所述手动回路用于在设备故障或者紧急工况下连接所述锂电池与所述直流母线，使所述锂电池为所述直流母线下游负载供电。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，所述手动回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第三接触器。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，所述锂电池管理系统包括控制单元、触摸式人机界面和通信单元，其中，
所述触摸式人机界面用于设定所述锂电池管理系统的控制模式和定值参数，所述定值参数包括所述第一阈值和所述第二阈值；
所述通信单元用于所述锂电池管理系统与所述锂电池在线监测系统的通信；
所述控制单元用于根据所述触摸式人机界面的控制指令和所述锂电池在线监测系统监测的所述状态参数，对所述锂电池柜组的运行工况进行调整。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，所述控制模式包括锁定退出控制模式、手动控制模式和自动控制模式。
在本发明提供的锂电池储能供电系统中，所述通信单元还用于所述锂电池管理系统与远程中央报警系统的通信。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明提供的锂电池储能供电系统，在直流系统故障状态下，直流母线失电后，自动将由大容量的锂电池组供电，保障故障状态下重要核电仪表、控制设备能长时间持续供电；在直流系统故障消除、直流母线电压恢复后，由锂电池管理系统根据控制策略对锂电池进行充电，在充电至设定电压后，自动断开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示是本发明一实施例提供的锂电池储能供电系统的原理图；
图2所示是本发明一实施例提供的锂电池储能供电系统的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种锂电池储能供电系统，用于提高核电站直流电源系统供电容量，在不改变核电站现有厂房设计布置条件下，取消铅酸蓄电池组，增加锂电池组储能，采用锂电池组作为应急电源的方式，从而提高核电站现有直流电源系统的供电容量。图1所示是本发明一实施例提供的锂电池储能供电系统的原理图。如图1所示，包括锂电池柜组10、锂电池在线监测系统20和锂电池管理系统30，其中，所述锂电池柜组10包括多个并联的锂电池模组；所述锂电池在线监测系统20用于对所述多个并联的锂电池模组的状态参数进行在线监测；所述锂电池管理系统30用于根据所述状态参数和预设控制策略控制调整所述锂电池柜组的运行工况。
具体地，在本发明一实施例中，所述锂电池柜组10内包括除包括多个并联的锂电池模组外，还包括通风散热装置、电池组多点测温探头、电池充/放电检测模块，使锂电池处于合适的运行环境，各电池性能均衡，保障锂电池组处于良好的满电备用状态。锂电池具有免维护、能量密度大(约为铅酸蓄电池的5倍)、长寿命、体积小、安全性高等特点，可多层布置，便于组合形成大容量锂电池组储能系统。例如，120V直流200AH锂电池组重量仅为220Kg，是相同容量铅酸蓄电池重量的五分之一，再通过多层布置方式，容易形成相同占地面积下5倍于铅酸蓄电池的储能密度。采用铅酸/锂电池组混合支持供电方式，可降低原铅酸蓄电池容量，挪出部分空间来增加锂电池组柜，如按铅酸/锂电池组1:1占用空间布局，原直流系统蓄电池容量可提高约5倍，使故障下持续供电时间达到6-10小时，保障故障状态下重要核电仪表、控制设备能长时间持续供电，提高核电站的安全性。
具体地，在本发明一实施例中，所述锂电池在线监测系统20以充电电流、单个电池内阻、端电压、电池组各测点温度为主要监测参数，对电池性能状态进行在线监测，跟踪电池的性能均衡性，便于及时发现并更换性能严重劣化的故障电池。锂电池在线监测系统支持RS232/485口或CAN口与锂电池管理系统通信，将检测到的状态数据上传至锂电池管理系统。
具体地，在本发明一实施例中，所述锂电池管理系统30包括控制单元、触摸式人机界面和通信单元，其中，所述触摸式人机界面用于设定所述锂电池管理系统的控制模式和定值参数，通过所述触摸式人机界面可设定锂电池管理系统的控制模式和定值参数，其中控制模式包括：锁定退出控制模式、手动控制模式、自动控制模式，定值参数包括电压动作阀值、锂电池充/放电的电压/时间等；所述通信单元用于所述锂电池管理系统与所述锂电池在线监测系统的通信，还用于所述锂电池管理系统与远程中央报警系统的通信，可支持RS232/485或CAN通信方式；所述控制单元用于根据所述触摸式人机界面的控制指令和所述锂电池在线监测系统监测的所述状态参数，对所述锂电池柜组的运行工况进行调整，所述控制单元具有逻辑判断、逻辑运算、逻辑出口等功能，可监测锂电池组电压、锂电池组充放电电流等数据，接受人机界面下发的控制指令，如定值参数修改、控制模式改变等指令。
进一步地，在锁定退出控制模式下，锂电池储能供电系统退出运行，停止对锂电池的充/放电，允许操作人员在触摸式人机界面上修改定值参数。在手动控制模式下，允许操作人员在触摸式人机界面上进行控制操作，手动控制对锂电池组的充电或放电，调整锂电池组的状态。在自动控制模式下，自动检测锂电池组电压、充放电电流等参数，通过逻辑判断、运算，自动控制调整锂电池储能系统的运行工况，对锂电池组的使用过程自动管理，根据设定好的策略进行对锂电池进行充/放电维护，调整锂电池的状态，优化锂电池性能，使锂电池组处于良好的储能备用状态。
进一步，每个锂电池模组包括在直流母线正负极之间依次串联的控制回路、锂电池和电源，所述控制回路包括并联连接的充电回路、放电回路和手动回路，其中，所述锂电池在线监测系统实时监测所述锂电池的电压，在所述锂电池的电压小于第一阈值且所述直流母线的电压高于第二阈值时，所述锂电池管理系统控制所述充电回路对所述锂电池进行充电，在所述锂电池的电压大于所述第二阈值时，所述锂电池管理系统控制断开所述充电回路，同时控制所述放电回路合上以通过所述直流母线为下游负载提供电源；所述手动回路用于在设备故障或者紧急工况下连接所述锂电池与所述直流母线，使所述锂电池为所述直流母线下游负载供电。由于锂电池现在技术特性决定了其在浮充条件下降大幅缩短使用寿命，为保证锂电池的使用寿命，本发明在直流系统母线和每串锂电池之间增加一个充电回路、一个放电回路，既保证直流母线失电时锂电池可以快速放电向下游负荷供电，又可以在保证锂电池组能量足够时母线不对锂电池组充电。既可提高储能容量，又不影响电池使用寿命。未来锂电池技术突破充电局限，性能适应长期浮充后，可直接取消充放电回路部分。
图2所示是本发明一实施例提供的锂电池储能供电系统的电路图，该锂电池储能供电系统通过开关002JA、充电器001RD和开关001JA连接于交流电源。如图2所示，锂电池柜组包括多个并联的锂电池模组100-1、100-2、…100-n,以第一串锂电池模组100-1为例，充电回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第一二极管101DY和第一接触器101JA，所述第一二极管101DY的正极连接于所述直流母线正极；所述放电回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第二二极管102DY和第二接触器102JA，所述第二二极管102DY的负极连接于所述直流母线正极；所述手动回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第三接触器103JA。
在本发明一实施例中，锂电池在线监测系统实时检测每串锂电池的电压值，根据在锂电池管理系统中可设定充电回路投入的阀值(U<)、动作延时t1/t2等参数来启动锂电池串的充电。具体地，当单串锂电池电压下降至动作设定阀值(例如，上面所述的第一阈值)，且持续时间符合动作延时t1，锂电池管理系统发出指令合上充电回路的第一接触器101JA，此时对锂电池进行充电，当电池管理系统检测到此串蓄电池充满后，将断开充电回路接触器101JA。
下面详细介绍锂电池储能供电系统运行模式：
(1)直流系统正常运行状态
直流系统正常运行状态，充电器001RD的输入开关001JA、充电器001RD的输出开关002JA、每串锂电池的充电回路接触器断开，每串锂电池的放电回路接触器合上，手动回路断路器断开，此时直流母线给下游负载提供电源。
锂电池管理系统在自动模式下检测锂电池组电压及锂电池串是否有放电电流，对锂电池组的使用过程进行管理，控制充电回路的接触器合上或者断开，通过对锂电池的状态进行调整，优化锂电池性能，保正锂电池组时刻处于良好的备用状态。
充电策略如下：锂电池组电压降至U1值、母线电压高于U2值时，控制充电回路接触器合上对锂电池组进行充电，锂电池组电压充至U2值时，充电停止。
(2)直流系统故障应急状态
在外部电源或充电器001RD故障情况下，由各锂电池串对下游负载供电。当外部电源或充电器001RD恢复正常后，充电器001RD给直流母线提供电源，母线电压恢复正常后，锂电池管理系统将控制各串锂电池充电回路接触器合上，给锂电池充电，当各串锂电池充电至U1后，充电回路接触器断开，结束充电。
各锂电池模组的手动回路用于控制设备故障或者紧急工况下连接锂电池与母线，使母线下游负荷能够得到持续的供电。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)原有直流系统采用铅酸蓄电池储能供电，铅酸蓄电池能量密度较小、体积重量大，在核电站现有的厂房布局下，蓄电池室空间布局有限，无法实现增加并联铅酸蓄电池组的方式来提高直流系统蓄电池整体容量。本发明采用锂电池组储能供电方式，大容量锂电池储能系统的能量密度大，约为铅酸蓄电池组的5倍，且具有免维护、体积小的特点，采用锂电池组储能供电方式，可在空间不变的情况下提高直流系统供电容量，如按原空间布局，原直流系统蓄电池容量可提高到5倍，使故障下持续供电时间达到6-10小时，满足NNSA要求，可保障故障状态下重要核电仪表、控制设备能长时间持续供电，大大提高核电站的安全性。
(2)本发明通过锂电池串充放电控制系统既保证直流母线失电时锂电池可以快速放电向下游负荷供电，又可以在保证锂电池组能量足够时母线不对锂电池组充电，既可提高储能容量，又不影响电池使用寿命；在直流系统故障状态下，直流母线失电后，自动将由大容量的锂电池组供电，保障故障状态下重要核电仪表、控制设备能长时间持续供电；在直流系统故障消除、直流母线电压恢复后，由锂电池管理系统根据前述控制策略对蓄电池进行充电，在充电至设定电压后，自动断开。
(3)大亚湾核电站现有直流系统未安装锂电池在线监测系统，本申请与原有直流系统相比，在锂电池组装有锂电池在线监测系统，通过检测多点电池温度、电池充/放电电流、单个电池内阻、单个电池端电压等方法，对单个锂电池的性能状态进行在线监测，跟踪电池的性能均衡性，便于及时发现并更换性能严重劣化的故障电池，确保锂电池组时刻处于良好的满电备用状态，新储能系统的可靠性高。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种锂电池储能供电系统，用于提高核电站直流电源系统供电容量，其特征在于，包括锂电池柜组、锂电池在线监测系统和锂电池管理系统，
所述锂电池柜组包括多个并联的锂电池模组；
所述锂电池在线监测系统用于对所述多个并联的锂电池模组的状态参数进行在线监测；
所述锂电池管理系统用于根据所述状态参数和预设控制策略控制调整所述锂电池柜组的运行工况。
2.根据权利要求1所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，每个锂电池模组包括在直流母线正负极之间依次串联的控制回路、锂电池和电源，所述控制回路包括并联连接的充电回路和放电回路，其中，所述锂电池在线监测系统实时监测所述锂电池的电压，在所述锂电池的电压小于第一阈值且所述直流母线的电压高于第二阈值时，所述锂电池管理系统控制所述充电回路对所述锂电池进行充电，在所述锂电池的电压大于所述第二阈值时，所述锂电池管理系统控制断开所述充电回路，同时控制所述放电回路合上以通过所述直流母线为下游负载提供电源。
3.根据权利要求2所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，所述充电回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第一二极管和第一接触器，所述第一二极管的正极连接于所述直流母线正极；所述放电回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第二二极管和第二接触器，所述第二二极管的负极连接于所述直流母线正极。
4.根据权利要求2所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，所述控制回路还包括手动回路，所述手动回路用于在设备故障或者紧急工况下连接所述锂电池与所述直流母线，使所述锂电池为所述直流母线下游负载供电。
5.根据权利要求4所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，所述手动回路包括串联在直流母线正极和锂电池之间的第三接触器。
6.根据权利要求2所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，所述锂电池管理系统包括控制单元、触摸式人机界面和通信单元，其中，
所述触摸式人机界面用于设定所述锂电池管理系统的控制模式和定值参数，所述定值参数包括所述第一阈值和所述第二阈值；
所述通信单元用于所述锂电池管理系统与所述锂电池在线监测系统的通信；
所述控制单元用于根据所述触摸式人机界面的控制指令和所述锂电池在线监测系统监测的所述状态参数，对所述锂电池柜组的运行工况进行调整。
7.根据权利要求6所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，所述控制模式包括锁定退出控制模式、手动控制模式和自动控制模式。
8.根据权利要求6所述的锂电池储能供电系统，其特征在于，所述通信单元还用于所述锂电池管理系统与远程中央报警系统的通信。
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