CN111404252A - 电源储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源储能装置，电源储能装置包括：储能单元，储能单元电连接于电源与负载之间的公共连接点，用于存储至少部分电源的输出电能或向负载供电；信号转换单元，电连接于储能单元与公共连接点之间，用于将电源输出的交流信号转换为直流信号并输入至储能单元，或将储能单元输出的直流信号转换为交流信号输入至负载；控制单元，用于基于电源的输出参数及负载的输入参数控制信号转换单元的输出功率。控制单元通过控制信号转换单元的输出功率，使得储能单元按照功率平滑算法吸收或释放电能，降低后期使用成本，并可提升电源在外部负荷变化时的动态性能，使得本申请可与多种电源如各种型号柴油发电机组匹配，可根据实际需求调整容量及功率。

Description

电源储能装置

技术领域

本发明涉及电源领域，特别是涉及一种电源储能装置。

背景技术

柴油发电机组是目前应用较为广泛的一种临时电源，其具有性能稳定、使用简便的效果，由于他的初始投资较低，因此应用广泛，如无电地区、矿山、施工临时供电、重要负荷后备电源、船用电等场合均会用到柴油发电机组。柴油发电机组的“燃油消耗率”是柴油发电机组性能指标中很关键的一项，也是用户很关心的指标，直接关系到柴油发电机组续航时间及后期燃油消耗成本。

一般柴油发电机组厂家所标称“燃油消耗率”均为发动机工作在经济转速、恒定负载等理想条件下的燃油消耗率，与实际工况有较大的区别。影响柴油发电机组发动机油耗的主要因素就是转速及发动机负载率，由于发动机组要维持输出电压评率稳定，因此柴油发电机组基本采用电子调速的方式维持发动机转速恒定在1500r/min，因此排除了转速对柴油发电机组发动机油耗的影响，但在应用现场，负载突增与突减都非常常见，会在暂态过程中影响临时电源如柴油发电机组输出的电压及频率稳定性，不利于安全用电。

发明内容

基于此，有必要针对在应用时，因为负载的突增与突减导致临时电源输出的电压及频率稳定性被影响的问题，提供一种电源储能装置，其具有维持电压的经济负荷率，降低电源燃油消耗率，降低后期使用成本，并可提升电源在外部负荷变化时的动态性能。

一种电源储能装置，所述电源储能装置包括：

储能单元，所述储能单元电连接于电源与负载之间的公共连接点，用于存储至少部分所述电源的输出电能或向所述负载供电；

信号转换单元，电连接于所述储能单元与所述公共连接点之间，用于将所述电源输出的交流信号转换为直流信号并输入至所述储能单元，或将所述储能单元输出的直流信号转换为交流信号输入至所述负载；

控制单元，与所述电源、所述负载、所述信号转换单元及所述储能单元均电连接，用于基于所述电源的输出参数及所述负载的输入参数控制所述信号转换单元的输出功率，以使所述电源的输出功率恒定。

通过上述技术方案，控制单元通过控制信号转换单元的输出功率，使得储能单元按照功率平滑算法吸收或释放电能，维持电源的经济负荷率，降低电源的燃油消耗率，继而降低后期使用成本，并可提升电源在外部负荷变化时的动态性能，使得本申请可与多种电源如各种型号柴油发电机组匹配，可根据实际需求调整容量及功率。

在其中一个实施例中，所述电源的输出参数包括所述电源的输出电流及所述电源的输出电压；所述负载的输入参数包括所述负载的输入电流及所述负载的输入电压。

在其中一个实施例中，所述控制单元基于下述公式控制所述信号转换单元的输出功率：

其中，τ为预设调节因子；

t为时间；

Δt为预设时间间隔；

P_f(t)为在时间t时所述信号转换单元的输出功率；

P_o为在时间t-Δt时所述电源的输出功率；

P_i(t)为在时间t时所述负载的输入功率。

在其中一个实施例中，所述信号转换单元包括：

直流-直流双向转换模块，与所述储能单元电连接，用于提升所述储能单元输出的直流信号的电压；

直流-交流双向转换模块，与所述直流-直流双向转换模块及所述负载电连接，用于将所述直流-直流双向转换模块输出的直流信号转换为交流信号并输入至所述负载。

在其中一个实施例中，所述直流双向转换模块包括隔离变压模块，电连接于所述储能单元与所述直流-直流双向转换模块之间，用于隔离所述储能单元与所述信号转换单元。

在其中一个实施例中，所述直流-交流双向转换模块还与所述电源电连接，所述直流-交流双向转换模块还用于将所述电源输出的交流信号转换为初始直流信号；所述直流-直流双向转换模块还用于将所述初始直流信号的电压降低后输入所述储能单元。

在其中一个实施例中，所述储能单元包括若干串联和/或并联的锂电池。

在其中一个实施例中，所述储能单元包括电池管理模块，用于控制所述储能单元中各所述锂电池的充放电。

在其中一个实施例中，所述公共连接点为铜排，所述电源的输出侧、所述负载的输入侧及所述信号转换单元的交流侧通过所述铜排电连接。

在其中一个实施例中，还包括开关，所述开关串联于所述公共连接点与所述信号转换单元之间。

附图说明

图1为本发明的一个实施例展示电源储能装置的电路图；

图2为本发明的一个实施例展示信号转换单元的电路图。

附图标记：10、电源；11、负载；12、储能单元；13、信号转换单元；14、控制单元；15、铜排；16、直流双向转换模块；17、交直流双向转换模块；18、隔离变压模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明涉及的电源10，以柴油发电机组为例，柴油发电机组是目前应用最广泛的一种临时电源，其性能稳定、使用简便，初始投资较低，得到了广泛的应用，如无电地区、矿山、施工临时供电、重要负荷后备电源、船用电力等场合。实际使用过程中，柴油发电机组的“燃油消耗率”是其性能指标中很关键的一项，也是用户很关心的指标，直接关系到柴油发电机组续航时间及后期燃油消耗成本。一般柴油发电机组厂家所标称“燃油消耗率”均为发动机工作在经济转速、恒定负载等理想条件下的燃油消耗率，与实际工况有较大区别。

如图1所示，本发明提供了一种电源储能装置，包括：

储能单元12，储能单元12电连接于电源10与负载11之间的公共连接点，用于存储至少部分电源10的输出电能或想负载11供电；

信号转换单元13，电连接于储能单元12与公共连接点之间，用于将电源10输出的交流信号转换为直流信号并输入值储能单元12，或将储能单元12输出的直流信号转换为交流信号输入至负载11；

控制单元14，与电源10、负载11、信号转换单元13及储能单元12均电连接，用于基于电源10的输出参数及负载11的输入参数控制信号转换单元13的输出功率，以使电源的输出功率恒定。

在一个可选的实施例中，公共连接点为铜排15，即电源10的输出侧、负载11的输入侧及信号转换单元13的交流侧均通过铜排15电连接。如图1所示，电源储能装置电连接于电源10与负载11之间，虚线框内各部件均为电源储能装置的组成部分。电源10的交流输出电缆并不直接连接至负载11，而是接入电源储能装置交流侧汇集的铜排15，铜排15与负载11的输入电缆电连接电连接。其中，电源10的交流输出电缆及负载11的输入电缆上均假装有电流传感器及电压传感器，采用三表法测量电源10的输出参数及负载11的输入参数。控制单元14通过控制信号转换单元13的输出功率，使得储能单元12按照功率平滑算法吸收或释放电能，维持电源10的经济负荷率，降低电源10的燃油消耗率，继而降低后期使用成本，并可提升电源10在外部负荷变化时的动态性能。当电源10输出三相电能时，优先使用电源10为负载11供电，当电源10未工作时，使用电源储能装置为负载11供电，从而确保负载11的正常运行。在不许要使用电源储能装置的工况下，可断开储能单元12内部的供电开关，控制单元14不再从储能单元12取电，防止储能单元12过放电损坏。

在一个可选的实施例中，储能单元12包括若干个串联和/或并联的锂电池，锂电池可以选择磷酸铁锂、三元锂、钛酸锂等多种类型的电池，但根据实际使用工况，优先使用钛酸锂电池。原因为在该应用工况中，电源储能装置主要起到短时间内动态功率平抑的作用，属于功率型应用场合，钛酸锂电池最主要特点为具备大倍率(6C)充放电功能，且具备较好的低温工作性能，适合如柴油发电机组等常用于较恶劣环境的应用需求。钛酸锂电池单体额定电压2.4V，可采用20串构成48V标准模组。钛酸锂电池常见容量为20Ah、40Ah等规格，如采用20Ah电池，形成20S2P的模组，能量为1920Wh,但短时可释放或吸收最大功率约为11.5kW，能起到较好的短时功率平抑功能。

在一个可选的实施例中，储能单元12还包括电池管理模块，用于控制储能单元12中各个锂电池的充放电，电池管理模块可以采集每个单体的电压、模组多点温度、估算SOC并进行完善的电池保护，确保锂电池工作在安全区间内。电池管理模块通过CAN通讯方式与控制器完成信息交换。在其他可选的实施例中，储能单元12内还具备熔断器、功率继电器、断路器等保护装置，确保在故障情况下能迅速切除储能单元12。

在一个可选的实施例中，如图2所示，信号转换单元13包括直流-交流双向转换模块17及直流-直流双向转换模块16，直流-交流双向转换模块17运用与交流电与直流电之间的双向转换，直流-直流双向转换模块16则运用于直流电与直流电之间的双向转换。直流-交流双向转换模块17的交流输入端与电源10电连接，且交流输出端与负载11电连接，直流-交流双向转换模块17的直流输入端及直流输出端分别于直流-直流双向转换模块16一侧的输出端及输入端电连接，直流-直流双向转换模块16另一侧的输入端及输出端分别与储能单元12的输入端及输出端电连接。

在一个可选的实施例中，直流-直流双向转换模块16与储能单元12电连接，用于提升储能单元12输出的直流信号的电压；直流-交流双向转换模块17与直流-直流双向转换模块16及负载11电连接，用于将直流-直流双向转换模块16输出的直流信号转换为交流信号并输入至负载11.

在另一个可选的实施例中，直流-交流双向转换模块17还与电源10电连接，直流-交流双向转换模块17还用于将电源10输出的交流信号转换为初始直流信号；直流-直流双向转换模块16还用于将初始直流信号的电压降低后输入储能单元12。

在实际应用中，电源10输出的第一交流信号，经由直流-交流双向转换模块17转换为第一直流信号，直流-直流双向转换模块16将第一直流信号的电压降低，得到第二直流信号，储能单元12接收第二直流信号，并输出第三直流信号，直流-直流双向转换模块16将第三直流信号的电压升高，得到第四直流信号，而第二直流-交流双向转换模块17将第四直流信号转换为第二交流信号，负载11通过铜排15及负载11的输入电缆接收第二交流信号。

在一些实施例中，信号转换单元13可以采用带高频隔离变压的双击拓扑。如图2所示，包括直流-交流双向转换模块17、直流-直流双向转换模块16、DSP及外围采样及控制电路，直流-直流双向转换模块16采用LLC谐振电路，直流双向转化模块包括的隔离变压模块18，可以为高频隔离变压器，高频隔离变压器一方面作为LLC电路的漏感，一方面实现低压与高压之间的转变。直流-交流双向转换模块17采用传统的三相桥电路。DSP及外围采用及控制电路包括DSP处理芯片、数字及模拟量处理电路、模拟量传感器、继电器(或接触器)、电池等。信号转换单元13采用CAN或RS485通讯方式与控制器完成信息交换。

在一个可选的实施例中，控制单元14采用ARM芯片作为控制芯片，外设模拟量处理电路、数字量处理电路、通讯模块等组成部分。其中，通讯模块同时实现CAN、RS485、以太网、无线、4G多种通讯功能。

在一个可选的实施例中，电源10的交流输出电缆及负载11的输入电缆上均假装有电流传感器及电压传感器，采用三表法测量电源10的输出参数及负载11的输入参数，电源10的输出参数包括电源10的输出电流和电源10的输出电压，负载11的输入参数包括负载11的输入电流及负载11的输入电压。

在一个可选的实施例中，控制单元14基于下述公式处理电源10的输出参数及负载11的输入参数：

其中，τ为预设调节因子；

t为时间；

Δt为预设时间间隔；

P_f(t)为在时间t时信号转换单元13的输出功率；

P_o为在时间t-Δt时电源10的输出功率；

P_i(t)为在时间t时负载11的输入功率。

具体的，电源储能装置对电源10的功率平滑算法实际上是根据一阶低通滤波原理计算储能系统的输出功率，命名u_x为输入信号，u_y为输出信号，R和C为滤波电阻和滤波电容，其微分方程如下：

基于低通滤波原理对电源10输出功率进行功率平抑，设功率采样周期为Δt，t时刻经过平抑前后的功率分别为P_i(t)和P_o(t)，则将公式离散化可得：

式中，τ为滤波时间常数,τ＝RC＝1/2πf_c,f_c为低通截止频率。

经过功率平抑后，整体电源10输出功率为：

电源储能装置的输出功率为：

当τ增大时，储能装置所能平抑的高频功率分量就越大，改变τ值，即可改变实际平滑效果。在实际应用过程中，根据负载11性质不同，τ值可以进行人为修改，以起到最大化的消除短时功率波动的作用，使电源10运行在最优负载率下，降低燃油消耗率。

在一个可选的实施例中，电源储能装置还包括开关K1，开关K1串联于公共连接点与信号转换单元13之间。

本发明的工作逻辑说明如下：装置完成安装及外部接线后，用户旋转前面板启动旋钮，控制单元14获得此数字量输入信号，开始自检，确定信号转换单元13无故障、电池管理模块无故障后，闭合开关K1，通过通信线路启动信号转换单元13，信号转换单元13启动空载运行，等待控制单元14下发功率及充放电指令。控制单元14根据读回的电流、电压传感器信号，计算相应支路功率，根据公式(1)计算电源储能装置应释放或吸收功率，该功率指令与电池管理模块限定的电池最大充电或放电功率相比较，若处于限值内，保留原始功率值；若超出限值，保留最大充电或放电功率限值。该功率限值下发至信号转换单元13，信号转换单元13按照指令输出功率。当电池管理模块计算电池容量已超过设定的DOD(最大可用深度)时，上报只允许充电或只允许放电状态至控制单元14，控制单元14接收此状态，只下发充电或放电功率指令(功率指令计算过程同前述，但根据状态只下发充电或放电功率指令)，直至储能单元12容量超过滞环限定值，状态清除，重新运行在正常工况；当电池管理模块检测到储能单元12出现故障时，储能单元12内部电池管理模块切除继电器，切除电池回路同时上报故障信号至控制单元14，控制单元14停止信号转换模块，断开开关K1，整套装置退出运行，待故障恢复后重新投入运行。如出现信号转换单元13故障，信号转换单元13保护停机，上报故障状态至控制单元14，控制单元14断开开关K1，向各组成部件下发停止指令，整套装置退出运行，待故障恢复后重新投入运行。

根据本发明实施例的储能装置总体可以采用立式设计，便于安装在电源10底托上，与电源主控柜并列放置。装置整体采用防雨外壳，IP等级不低于IP22。装置左下部为储能单元12，左上部为信号转换单元13及控制单元14，右侧为切换装置、采集装置、线路保护装置、对外接线端子等组成部件。电源储能装置前柜门布置电量指示灯、运行状态指示灯(运行、电源、故障)，用户可直观的观察到装置状态。电源储能装置前柜门还放置启动旋钮，用户旋转旋钮即启动装置运行。如用户需要读取更多的设备运行数据，可使用智能终端扫描前柜门二维码，使用装置自带APP读取设备全部运行数据，包括电池单体电压、模组温度、电能变换器运行数据等。

从经济性方面分析电源储能装置可行性如下：以一个50kW柴发机组配套的10kW/1920Wh钛酸锂储能装置为例，该装置增设成本约25000元，该50kW柴发机组标称燃油消耗率为220g/kWh，设该柴发机组日平均功率30kW，日平均工作小时数为12小时，则日消耗燃油约66L，按照6.5元/L计算柴油价格，日柴油成本约430元。假设启用该装置，可降低10％的燃油成本，即日均节约40元，按年运行300天计算，年节约燃油成本约12000元，约2-3年可收回成本，由于钛酸锂电池循环次数高，生命周期远高于2-3年，故整套装置具有良好的经济可行性。

综上，本发明可与多种电源10如各种型号柴油发电机组匹配，可根据实际需求调整容量及功率。电源储能装置根据电源10所带负载11变化趋势，按照功率平滑算法吸收或释放电能，维持电源10的经济负荷率，降低消耗率，降低后期使用成本，并可提升电源10在外部负荷变化时的动态性能。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电源储能装置，其特征在于，所述电源储能装置包括：

储能单元，所述储能单元电连接于电源与负载之间的公共连接点，用于存储至少部分所述电源的输出电能或向所述负载供电；

信号转换单元，电连接于所述储能单元与所述公共连接点之间，用于将所述电源输出的交流信号转换为直流信号并输入至所述储能单元，或将所述储能单元输出的直流信号转换为交流信号输入至所述负载；

控制单元，与所述电源、所述负载、所述信号转换单元及所述储能单元均电连接，用于基于所述电源的输出参数及所述负载的输入参数控制所述信号转换单元的输出功率，以使所述电源的输出功率恒定。

2.根据权利要求1所述的电源储能装置，其特征在于，所述电源的输出参数包括所述电源的输出电流及所述电源的输出电压；所述负载的输入参数包括所述负载的输入电流及所述负载的输入电压。

3.根据权利要求1或2所述的电源储能装置，其特征在于，所述控制单元基于下述公式控制所述信号转换单元的输出功率：

其中，τ为预设调节因子；

t为时间；

Δt为预设时间间隔；

P_f(t)为在时间t时所述信号转换单元的输出功率；

P_o为在时间t-Δt时所述电源的输出功率；

P_i(t)为在时间t时所述负载的输入功率。

4.根据权利要求1所述的电源储能装置，其特征在于，所述信号转换单元包括：

直流-直流双向转换模块，与所述储能单元电连接，用于提升所述储能单元输出的直流信号的电压；

直流-交流双向转换模块，与所述直流-直流双向转换模块及所述负载电连接，用于将所述直流-直流双向转换模块输出的直流信号转换为交流信号并输入至所述负载。

5.根据权利要求4所述的电源储能装置，其特征在于，所述直流双向转换模块包括隔离变压模块，电连接于所述储能单元与所述直流-直流双向转换模块之间，用于隔离所述储能单元与所述信号转换单元。

6.根据权利要求4所述的电源储能装置，其特征在于，所述直流-交流双向转换模块还与所述电源电连接，所述直流-交流双向转换模块还用于将所述电源输出的交流信号转换为初始直流信号；所述直流-直流双向转换模块还用于将所述初始直流信号的电压降低后输入所述储能单元。

7.根据权利要求1所述的电源储能装置，其特征在于，所述储能单元包括若干串联和/或并联的锂电池。

8.根据权利要求7所述的电源储能装置，其特征在于，所述储能单元包括电池管理模块，用于控制所述储能单元中各所述锂电池的充放电。

9.根据权利要求1所述的电源储能装置，其特征在于，所述公共连接点为铜排，所述电源的输出侧、所述负载的输入侧及所述信号转换单元的交流侧通过所述铜排电连接。

10.根据权利要求1所述的电源储能装置，其特征在于，还包括开关，所述开关串联于所述公共连接点与所述信号转换单元之间。

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