CN110661315A - 一种储能电站电池主动均衡装置及方法 - Google Patents

一种储能电站电池主动均衡装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种储能电站电池主动均衡装置和电池工作控制方法，包括电池单元、负荷开关组、旁路母线、主母线、反馈单元；若干电池单元串联接至主母线正负极，每个电池单元正负端通过负荷开关接至旁路母线正负极，所述主母线通过反馈单元与旁路母线连接；所述反馈单元用于在电池单元的所述负荷开关接通时，根据电池不同的故障状态，或者消耗电池单元电能或者基于主母线的供电而向电池单元充电。本发明可实现对电池储能单元不断电状态下单独进行充电、放电、旁路等操作，大幅提高储能电池运行可靠性；仅采用2个功率开关器件，主母线与旁路母线由小体积的高频变压器隔离，可靠性高，成本低。

Description

一种储能电站电池主动均衡装置及方法
技术领域
本发明涉及一种储能电站电池主动均衡装置及方法，属于电池储能领域。
背景技术
在诸多储能形式中，电池储能发展迅速，成为最具应用潜力的储能技术，其凭借高安全性、MW/MWh规模的容量、万次以上的高循环寿命、灵活配置、响应迅速和便于集成的设备形态的优点适用于改善大规模可再生能源出力特性、提升用户侧分布式可再生能源消纳、需求侧响应以及削峰填谷。电池储能电站的基本储能单元是蓄电池，储能电站是由大量蓄电池串并联组合而成。在电池制造过程中，由于工艺问题和材料的不均匀、电池组各个电池温度、通风条件、内阻及容量的差别，或者故障等因素，导致运行过程中出现储能电池电压不均匀，不仅对本单元电池造成损伤，也影响串联回路其他储能单元，因此需要对电池运行状态进行实施监测，并对故障采取应对措施。
发明专利文献201711332294.8及201810674729.5公布了两种电池组主动均衡维护方法。该方法中都采用了大量的MOS管等半导体开关，适用于电动汽车等小容量的储能电池组，对于MW/MWh级的储能电站而言，此类方法半导体开关功率等级高，不仅成本高，而且大量采用大功率半导体开关会严重降低运行可靠性。
发明内容
本发明的第一个目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种储能电站电池主动均衡装置。为此，本发明采用以下技术方案：
一种储能电站电池主动均衡装置，其特征在于：包括电池单元、负荷开关组、旁路母线、主母线、反馈单元；若干电池单元串联接至主母线正负极，每个电池单元正负端通过负荷开关接至旁路母线正负极，所述主母线通过反馈单元与旁路母线连接；所述反馈单元用于在电池单元的所述负荷开关接通时，根据电池不同的故障状态，或者消耗电池单元电能或者基于主母线的供电而向电池单元充电。
进一步地，反馈单元包括高频变压器、串联功率开关、二极管、电容器、负荷开关、电阻器、并联功率开关；反馈单元中的负荷开关与串联功率开关串接至高频变压器高压侧；所述并联功率开关与电阻器串联后，再与电容器并联，通过二极管连接至高频变压器低压侧。所述功率开关可以是IGBT或IGCT或GTO。
所述电池单元由若干蓄电池串并联而成的基本电池模块。
本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种基于上述储能电站电池主动均衡装置的储能电站电池工作控制方法。为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于上述的储能电站电池主动均衡装置的储能电站电池工作控制方法，所述电池均衡装置上的反馈单元包括负荷开关、串联功率开关、并联功率开关、高频变压器、二极管、电容器、电阻器；其特征在于：
蓄电池管理系统对各个电池单元进行实施监测，各个电池单元均正常时，所有负荷开关均处于断开状态；
当检测到第i个电池单元电压Ui高于第一阈值时，其中，所述第一阈值高于电池单元电压额定值UN，采用以下步骤：
(1-1)闭合该电池单元对应的负荷开关，将电池单元连接至旁路母线，此时给并联功率开关发占空比为D的脉冲宽度调制控制信号：
Figure BDA0002232616420000021
k1为放大系数，此时电阻器R上消耗故障电池单元平均功率Pk为：
Figure BDA0002232616420000022
(1-2)当故障电池单元电压Ui下降小于第二阈值时，断开该电池单元对应的负荷开关，停止给并联功率开关发控制信号，该电池单元重新投入串联回路，所述第二阈值介于电池单元电压额定值UN和第一阈值之间，并更接近电池单元电压额定值UN；通过设定不同的电阻器电阻值R，可以改变故障电池放电功率速度。
当检测到第i个电池单元电压Ui低于第三阈值时，其中，所述第三阈值低于电池单元电压额定值UN，采用以下步骤：
(2-1)闭合该电池单元对应的负荷开关，将电池单元连接至旁路母线；闭合负荷开关，给串联功率开关发占空比为D的脉冲宽度调制控制信号
Figure BDA0002232616420000031
k2为放大系数，此时主母线通过反馈单元和旁路母线对故障电池单元进行充电，反馈单元输出电压Uf为：
Figure BDA0002232616420000032
其中M为每串电池单元串联数，N1、N2分别为高频变压器原边与副边绕组匝数，k2为放大系数；进一步，充电功率为：
Figure BDA0002232616420000033
(2-2)当故障电池单元电压Ui恢复至大于第四阈值时，断开该电池单元对应的负荷开关，停止给串联功率开关发控制信号，电池单元重新投入串联回路，所述第四阈值介于电池单元电压额定值UN和第三阈值之间，并更接近电池单元电压额定值UN。
进一步地，所述第一阈值是电池单元电压额定值UN的110％；所述第二阈值是电池单元电压额定值UN的103％；所述第三阈值是电池单元电压额定值UN的90％；所述第四阈值是电池单元电压额定值UN的97％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：可实现对电池储能单元不断电状态下单独进行充电、放电、旁路等操作，大幅提高储能电池运行可靠性；仅采用2个功率开关器件，主母线与旁路母线由小体积的高频变压器隔离，可靠性高，成本低。
附图说明
图1为本发明的一种储能电站电池主动均衡装置的电路示意图。
图2为故障电池单元电压偏高时，本发明装置的工作电路图。
图3为故障电池单元电压偏低时，本发明装置的工作电路图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1，本发明的一种储能电站电池主动均衡装置，包括电池单元1、负荷开关组2、旁路母线3、主母线4、反馈单元5。
电池单元由60块蓄电池20串3并组成的的基本电池模块，每个电池单元额定电压为50V。12组电池单元串联成为一组电池簇。
所述负荷开关组2有24个负荷开关组成，每个电池单元正负极各接一个至旁路母线3。
反馈单元包括高频变压器5.1、串联功率开关5.2、二极管5.3、电容器5.4、负荷开关5.5、电阻器5.6、并联功率开关5.7。所述功率开关为IGBT。所述负荷开关5.5与串联功率开关5.2串接至高频变压器5.1高压侧；所述并联功率开关 5.7与电阻器5.6串联后，再与电容器5.4并联，通过二极管5.3连接至高频变压器5.1低压侧。
在工作时，蓄电池管理系统对各个电池单元进行实施监测，各个电池单元均正常时，所有负荷开关均处于断开状态；
当检测到第i个电池单元电压Ui为60V时，闭合该单元对应的负荷开关，将电池单元连接至旁路母线3，此时给并联功率开关5.7发占空比为D的脉冲宽度调制控制信号：
Figure BDA0002232616420000051
放大系数取2，电阻器阻值取2Ω，此时电阻器上消耗故障电池单元平均功率Pk为：
Figure BDA0002232616420000052
当故障电池单元电压Ui下降至<51.5V时，断开闭合的负荷开关，停止给功率开关发控制信号，电池单元重新投入串联回路。
当检测到第i个电池单元电压Ui为40V时，闭合该单元对应的负荷开关，故障电池单元被旁路；闭合反馈回路负荷开关5.5，给串联功率开关5.2发占空比为D的脉冲宽度调制控制信号
Figure BDA0002232616420000053
放大系数k2取1.6，高频变压器原边匝数N1＝120匝，副边匝数N2＝20匝，此时主母线将对故障电池进行充电，反馈单元输出电压Uf为：
进一步，充电功率为(电池单元内阻约0.1Ω)：
Figure BDA0002232616420000055
当故障电池单元电压Ui高于48.5V时，断开之前闭合的负荷开关，停止给功率开关发控制信号，电池单元重新投入串联回路。
第i个电池单元对应的负荷开关从闭合到断开这期间，与第i个电池单元所在的串联回路中的其它电池单元的工作不受影响。
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种储能电站电池主动均衡装置，其特征在于：包括电池单元、负荷开关组、旁路母线、主母线、反馈单元；若干电池单元串联接至主母线正负极，每个电池单元正负端通过负荷开关接至旁路母线正负极，所述主母线通过反馈单元与旁路母线连接；所述反馈单元用于在电池单元的所述负荷开关接通时，根据电池不同的故障状态，或者消耗电池单元电能或者基于主母线的供电而向电池单元充电。
2.如权利要求1所述的一种储能电站电池主动均衡装置，其特征在于：反馈单元包括高频变压器、串联功率开关、二极管、电容器、负荷开关、电阻器、并联功率开关；反馈单元中的负荷开关与串联功率开关串接至高频变压器高压侧；所述并联功率开关与电阻器串联后，再与电容器并联，通过二极管连接至高频变压器低压侧。
3.一种基于权利要求1所述的储能电站电池主动均衡装置的储能电站电池工作控制方法，所述电池均衡装置上的反馈单元包括负荷开关、串联功率开关、并联功率开关、高频变压器、二极管、电容器、电阻器R；其特征在于：
蓄电池管理系统对各个电池单元进行实施监测，各个电池单元均正常时，所有负荷开关均处于断开状态；
当检测到第i个电池单元电压Ui高于第一阈值时，其中，所述第一阈值高于电池单元电压额定值UN，采用以下步骤：
(1-1)闭合该电池单元对应的负荷开关，将电池单元连接至旁路母线，此时给并联功率开关发占空比为D的脉冲宽度调制控制信号：
k1为放大系数，此时电阻器R上消耗故障电池单元的电能；
(1-2)当故障电池单元电压Ui下降小于第二阈值时，断开该电池单元对应的负荷开关，停止给并联功率开关发控制信号，该电池单元重新投入串联回路，所述第二阈值介于电池单元电压额定值UN和第一阈值之间，并更接近电池单元电压额定值UN；
当检测到第i个电池单元电压Ui低于第三阈值时，其中，所述第三阈值低于电池单元电压额定值UN，采用以下步骤：
(2-1)闭合该电池单元对应的负荷开关，将电池单元连接至旁路母线；闭合负荷开关，给串联功率开关发占空比为D的脉冲宽度调制控制信号
Figure FDA0002232616410000021
k2为放大系数，此时主母线通过反馈单元和旁路母线对故障电池单元进行充电，反馈单元输出电压Uf为：
Figure FDA0002232616410000022
其中M为每串电池单元串联数，N1、N2分别为高频变压器原边与副边绕组匝数；
(2-2)当故障电池单元电压Ui恢复至大于第四阈值时，断开该电池单元对应的负荷开关，停止给串联功率开关发控制信号，电池单元重新投入串联回路，所述第四阈值介于电池单元电压额定值UN和第三阈值之间，并更接近电池单元电压额定值UN。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述第一阈值是电池单元电压额定值UN的110％；所述第二阈值是电池单元电压额定值UN的103％；所述第三阈值是电池单元电压额定值UN的90％；所述第四阈值是电池单元电压额定值UN的97％。
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