CN111509696A - 电池储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池储能系统,包括直流配电柜、直流计量柜、换流器装置、蓄电池机柜及汇流箱;所述直流配电柜及所述直流计量柜设置于直流配电房,所述换流器装置设置于所述蓄电池机柜及所述汇流箱的安装处。本发明通过调整换流器装置的布置位置,将其置于蓄电池机柜及汇流箱的安装处,增大换流器装置与直流计量柜间的距离,进而延长换流器装置与直流计量柜间的电缆长度,实现降低系统短路电流幅值及上升率的目的,能够起到近似于串联限流电抗器的效果,设计简单,无需增加设备,避免进一步增大电池储能系统的占地面积,节约成本。

Description

电池储能系统
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域,特别是涉及一种电池储能系统。
背景技术
随着化石能源短缺的问题日益凸显,新能源发电技术愈加受到重视,其中,电池储能技术作为一种可再生的直流电源技术,得到了快速发展。电池储能系统是利用蓄电池的电能储存作用,将电网的电能以化学能的形式存储起来,并与公用电网有电气连接的发电系统。电池储能系统与公用电网的连接可采用交流形式,也可采用直流形式。其中,采用直流形式接入直流配电网具有更高的能效,因此采用直流形式愈加受到重视。
由于现阶段直流电网尚未全面普及,电池储能并网装置成熟的产品类型尚不齐全,大多需要定制,且价格昂贵,同时,电池储能系统一般由多组蓄电池组组成,具备较大的系统功率以完成对系统的削峰填谷功能。因此,目前直流并网的分布式电池储能多采用户内集中并网方式,以节约并网装置的费用,但是蓄电池组数量较多,因此电池储能系统占地面积较大。以机柜式电池储能系统为例,通常将蓄电池组置于蓄电池机柜中,经汇流箱汇流,通过电缆引入放置于直流配电房的换流器装置进行并网,然后经过直流计量柜,最后接入直流配电柜,此种电池储能系统安装方便,易于实现,现阶段被广泛使用。
但在系统发生极间馈线短路故障时,电池储能系统换流器装置的端口电容两端电压将瞬间降低至极低值,电容器将快速放电产生极大的放电电流,从而对整个系统的保护、整定等产生严重影响。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种能够降低馈线极间短路时电池储能系统提供的瞬时过电流幅值和上升率的电池储能系统。
一种电池储能系统,包括直流配电柜、直流计量柜、换流器装置、蓄电池机柜及汇流箱;
所述直流配电柜及所述直流计量柜设置于直流配电房,所述换流器装置设置于所述蓄电池机柜及所述汇流箱的安装处。
在其中一个实施例中,
所述直流配电柜与所述直流计量柜通过第一电缆电连接;所述直流计量柜与所述换流器装置通过第二电缆电连接;所述汇流箱与所述换流器装置通过第三电缆电连接;所述蓄电池机柜与所述汇流箱电连接;
其中,所述第一电缆的长度及所述第三电缆的长度均小于所述第二电缆的长度。
在其中一个实施例中,所述第二电缆上的电压降不大于预设压降;所述预设压降根据电池储能系统的额定电压确定。
在其中一个实施例中,所述预设压降为所述电池储能系统的额定电压的1.5%。
在其中一个实施例中,还包括第一电压表及第二电压表;
所述第一电压表设置于所述直流计量柜上,用于检测所述直流计量柜的电压值;
所述第二电压表设置于所述换流器装置上,用于检测所述换流器装置的电压值;
所述换流器装置的电压值与所述直流计量柜的电压值之差的绝对值为所述第二电缆的电压降。
在其中一个实施例中,所述第二电缆为地埋式电缆。
在其中一个实施例中,所述第一电缆及所述第三电缆均为地埋式电缆。
在其中一个实施例中,所述换流器装置为DC/DC换流器。
在其中一个实施例中,所述DC/DC换流器包括:晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1、电容C2及电感L;
所述晶体管Q1的漏极用于电连接所述电池储能系统中高压侧的第一电位,源极电连接所述电感L的第一端,栅极用于电连接所述电池储能系统的控制电路;
所述晶体管Q2的漏极电连接所述晶体管Q1的源极,源极用于所述电容C1的第一端,栅极用于电连接所述电池储能系统的控制电路;
所述电容C1的第二端用于电连接所述电池储能系统中高压侧的第一电位,第一端用于电连接所述电池储能系统中高压侧的第二电位;
所述电容C2的第一端电连接所述电感L的第二端及所述电池储能系统中低压侧的第一电位,第二端用于电连接所述电池储能系统中低压侧的第二电位及所述晶体管Q2的源极。
在其中一个实施例中,所述换流器装置为箱体结构,所述换流器装置与所述汇流箱相邻设置。
在其中一个实施例中,所述换流器装置为柜体结构,所述换流器装置设置于所述蓄电池机柜旁的室内区域。
上述电池储能系统,通过调整换流器装置的布置位置,将其置于蓄电池机柜及汇流箱的安装处,增大换流器装置与直流计量柜间的距离,进而延长换流器装置与直流计量柜间的电缆长度,实现降低系统短路电流幅值及上升率的目的,能够起到近似于串联限流电抗器的效果,设计简单,无需增加设备,避免进一步增大电池储能系统的占地面积,节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案,下面将对实施例或传统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申请的一些实施例,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为现有技术中电池储能系统的结构示意图;
图2为现有技术中电池储能系统的并网主电路示意图;
图3为一个实施例中,换流器装置的拓扑结构示意图;
图4为一个实施例中,电池储能系统的结构示意图。
附图标记说明:
100、直流配电柜;200、直流计量柜;300、换流器装置;400、汇流箱;500、蓄电池机柜。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将对本发明进行更全面的描述。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的理解更加透彻全面。
可以理解,本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件,但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说,在不脱离本申请的范围的情况下,可以将第一电缆称为第二电缆,且类似地,可将第二电缆称为第一电缆。第一电缆和第二电缆两者都是电缆,但其不是同一电缆。
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。
如图1所示,为目前常见的电池储能系统安装布置示意。由于蓄电池机柜500的安装位置受其体积的限制,且蓄电池机柜500有维护、检修等要求,因此只能将蓄电池机柜500单独放置,并要求适当的空间,所以导致汇流箱400与换流器装置300间的第三电缆L3的长度随着安装位置的不同而发生变化,但第三电缆L3的长短即汇流箱400的安装处距离换流器的远近,对电池储能系统的整体运行和故障状态下的故障情况并没有显著影响。当发生馈线极间短路时,例如图2所示的f2或f3、f4短路时,在图1所示的布置方式下,图2中的第一电缆L1、第二电缆L2均较短(一般不超过10m),因此,以换流器装置300采用如图3所示的拓扑结构为例,电池储能系统直流并网换流器装置300的端口电容两端电压将在短路故障瞬间降低至极低值,电容器将快速放电产生极大的放电电流,从而对整个系统的保护、整定等产生严重影响。
目前为了抑制换流器装置300端口电容在极间馈线短路时产生的过电流,一般采用在电池储能系统的换流器装置300端口串联限流电抗器,以减缓换流器装置300的电容放电的速度,降低故障电流上升率及峰值。但限流电抗器选型困难,若选择铁芯电抗器,在大电流下贴心电抗器容易饱和而失去限流作用;若选择空芯电抗器,空芯电抗器存在漏磁大的问题,容易对周边设备造成影响,且体积大,需要较大的占地面积。同时增加了一次设备,使得项目成本、占地等都相应增加。尤其当额定电流较大时,为方便电抗器散热,电抗器体积较大。另外,限流电抗器的电感值难以确定。若感值太小,限流效果不明显;若感值太大,电抗器体积较大,且易造成系统失稳。另外,电抗器还可能与系统中的电容器等元件产生谐振。
在其中一个实施例中,如图4所示,提供了一种电池储能系统,包括直流配电柜100、直流计量柜200、换流器装置300、蓄电池机柜500及汇流箱400;
直流配电柜100及直流计量柜200设置于直流配电房,换流器装置300设置于蓄电池机柜500及汇流箱400的安装处。
直流配电柜100的主要作用就是对直流电能进行分配、监控和保护,直流配电柜100可以将总输入直流分为多路,每路都具有保护装置,起到防止熔丝、空开、雷击等,可以对每路电压电流进行监控,还可以远程通信。直流计量柜200是指安装在用户处的直流电能计量装置,用于对用户的用电进行计量。蓄电池机柜500内设有蓄电池组。汇流箱400在新能源发电系统中是保证发电组件有序连接和汇流功能的接线装置。该装置能够保障发电系统在维护、检查时易于切断电路,当发电系统发生故障时减小停电的范围。汇流箱400是指用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来,组成一个个光伏串列,然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱400,在光伏汇流箱400内汇流后,通过控制器、直流配电柜100及换流器装置300,配套使用从而构成完整的光伏发电系统,实现与市电并网。
直流配电柜100需要设置于直流配电房内,避免受到恶劣气候影响,为了保证计量的准确性,直流计量柜200需要与直流配电柜100就近设置,保证直流计量柜200与直流配电柜100间的第一电缆L1的长度不会过长,若第一电缆L1长度过长,会增大直流计量柜200与直流配电柜100间的阻抗和压降,使得计量不准确。因此不能通过增大直流计量柜200与直流配电柜100间的距离实现增大直流配电柜100与换流器装置300间的阻抗,只能通过改变换流器装置300的安装位置,延长换流器装置300与直流计量柜200之间第二电缆L2的长度,进而增大直流配电柜100与换流器装置300间的阻抗。由于蓄电池机柜500占地面积较大,一般会在距离直流配电房一定距离以外的地方专门设置安装场地进行蓄电池机柜500的安装,因此可以将换流器装置300从原本常见的设置于直流配电房中,调整为设置于蓄电池机柜500和汇流箱400的安装处,通过简单的布置调整,替代限流电抗器,实现增大换流器装置300于直流配电柜100阻抗的目的。
上述电池储能系统,通过调整换流器装置300的布置位置,将其置于蓄电池机柜500及汇流箱400的安装处,增大换流器装置300与直流计量柜200间的距离,进而延长换流器装置300与直流计量柜200间的电缆长度,实现降低系统短路电流幅值及上升率的目的,能够起到近似于串联限流电抗器的效果,设计简单,无需增加设备,避免进一步增大电池储能系统的占地面积,节约成本。与采用限流电抗器相比,本发明方案设计简单,效果显著,可有效降低馈线极间短路时电池储能系统提供的瞬时过电流幅值和上升率,在系统保护动作之前就能有效抑制故障的上升速度,降低保护整定值,降低系统保护勿动情况。
在其中一个实施例中,直流配电柜100与直流计量柜200通过第一电缆L1电连接;直流计量柜200与换流器装置300通过第二电缆L2电连接;汇流箱400与换流器装置300通过第三电缆L3电连接;蓄电池机柜500与汇流箱400电连接;
其中,第一电缆L1的长度及第三电缆L3的长度均小于第二电缆L2的长度。
通过增加第二电缆L2的长度即可实现降低系统短路电流幅值及上升率的目的,第一电缆L1及第三电缆L3的长度可以尽可能小,能够满足送电需要即可,避免增加电池储能系统的占地面积和体积,还能节约电缆成本。
在其中一个实施例中,第二电缆L2上的电压降不大于预设压降;预设压降根据电池储能系统的额定电压确定。
增加第二电缆L2的长度会导致系统降压降加大,可能会影响电能输出质量。为了保证电池储能系统的电能输出质量,对于第二电缆L2的长度选择需要考虑电压降,预设压降是保证电池储能系统电能输出质量稳定所能够承受的最大电压降。对于不同的电池储能系统,预设压降也会不同,需要根据系统额定电压确定。
在其中一个实施例中,预设压降为电池储能系统的额定电压的1.5%。
假设电池储能系统的额定电压为750V,则预设压降为11.25V,第二电缆L2的长度只需要满足其上的电压降不大于11.25V,就能保证电池储能系统的电能输出质量。
在其中一个实施例中,在选定所需要使用的电缆后,根据电缆的参数及电池储能系统的额定电压,即可计算出连接汇流箱400与换流器装置300所需第二电缆L2的理论长度。所需第二电缆L2的理论长度为在不考虑电缆实际安装受到接头、敷设弧度等长度损失影响下的最大长度。
对于电缆的选择需要考虑最大工作电流作用下的电缆导体温度、持续工作回路的电缆导体工作温度,应符合行业安全规定。最大短路电流和短路时间作用下的电缆导体温度,应符合行业安全规定。最大工作电流作用下连接回路的电压降,不得超过该回路允许值。10kV及以下电力电缆截面除应符合上述要求外,尚宜按电缆的初始投资与使用寿命期间的运行费用综合经济的原则选择。一般的电缆设计选型步骤是先根据敷设条件确定电缆型号,电缆导体截面的选择应结合当地敷设环境,对66kV及以上电缆参照现行行业标准电缆载流量JB/T10181计算。35kV及以下常用电缆可根据制造厂提供的载流量结合当地敷设环境按校正系数计算。电缆截面应满足持续允许电流、短路热稳定、允许电压降等要求。对10kV及以下电压等级电缆校验其电压降,因为当电压为6~10kV以下,而且导线截面在70~95平方毫米以下的线路,才进行电压校验。因为截面大于70~95平方毫米的导线,采用加大截面的办法来降低电压损失的效果并不十分显着,而且会引起投资及有色金属较多的增加,如采用静电电容器补偿或带负荷调压的变压器以及其他措施更为合适,但应进行技术经济比较确定。对于10kV及以上的电缆校验其短路时的热稳定度、导体截面应从有关的电缆产品标准中列出的标称截面中选取。在选择导体截面时还应考虑下列因素:在规定的连续负荷、周期负荷、事故紧急负荷以及短路电流情况下电缆导体的最高温度。在电缆敷设安装和运行过程中受到的机械负荷。绝缘中的电场强度。采用小截面电缆时由于导体直径小导致绝缘中产生不允许的高电场强度。导体截面应从有关的电缆产品标准中列出的标称截面中选取。为了保证电缆的使用寿命,运行中的电缆导体温度不应超过其规定的长期允许工作温度。电缆载流量应大于最大工作电流,其主要目的应是保证电缆的绝缘性能在整个使用寿期内有效,而温度是影响绝缘部件性能稳定的最主要因素。在电缆的绝缘系统中,热老化可以使材料的特性产生不可逆转的改变,一般表现为产生局部放电、电树枝、水树等现象。高温不仅催生绝线材料的老化,影响到绝缘性能,而且还会使老化的绝缘材料迅速恶化,并导致事故。电缆的抗短路能力是指热稳定能力应能承受最严酷的短路热效应。电缆截面应按缆芯持续工作的最高温度和短路时的最高温度不超过允许值的条件选择。对非熔断器保护回路,应按满足短路热稳定条件确定电缆导体允许最小截面。
在其中一个实施例中,还包括第一电压表及第二电压表;
第一电压表设置于直流计量柜200上,用于检测直流计量柜200的电压值;
第二电压表设置于换流器装置300上,用于检测换流器装置300的电压值;
换流器装置300的电压值与直流计量柜200的电压值之差的绝对值为第二电缆L2的电压降。
通过第一电压表和第二电压表分别检测直流计量柜200和换流器装置300的电压值。在其中一个实施例中,电池储能系统还包括报警装置,报警装置用于获取第一电压表和第二电压表反馈的电压值,并计算出换流器装置300的电压值与直流计量柜200的电压值之差的绝对值作为第二电缆L2的电压降,将第二电缆L2的电压降与预设压降进行比较,若第二电缆L2的电压降超过预设压降则发出报警。
在其中一个实施例中,第二电缆L2为地埋式电缆。
地埋式电缆设置于地下,不占地面以上空间,不受周围环境污染影响,送电可靠性高,对人身安全和周围环境干扰小。由于第二电缆L2用于电连接直流计量柜200及换流器装置300,且换流器装置300设置于蓄电池机柜500及汇流箱400的安装处,长度相对较大,若采用架空式架设,需要增加电池储能系统的占地面积和体积,并且容易受到环境影响,容易损坏,因此第二电缆L2可以选用地埋式电缆。
在其中一个实施例中,第一电缆L1及第三电缆L3均为地埋式电缆。
第一电缆L1若采用地埋式电缆,能够减小直流配电房的占地面积和体积,提高直流配电房安全性,降低第一电缆L1对人身安全和周围环境的影响。第三电缆L3用于电连接换流器装置300及汇流箱400,若采用架空式架设,会进一步增大所需占地面积,因此第三电缆L3也可以采用地埋式电缆,还能提高输电可靠性和安全性。
在其中一个实施例中,换流器装置300为DC/DC换流器。
DC/DC换流器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压换流器。DC/DC换流器分为三类:升压型DC/DC换流器、降压型DC/DC换流器以及升降压型DC/DC换流器。根据需求可采用三类控制:PWM控制型、PFM控制型或PWM/PFM转换型。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型在小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。
在其中一个实施例中,DC/DC换流器包括:晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1、电容C2及电感L;
晶体管Q1的漏极用于电连接电池储能系统中高压侧的第一电位,源极电连接电感L的第一端,栅极用于电连接电池储能系统的控制电路;
晶体管Q2的漏极电连接晶体管Q1的源极,源极用于电容C1的第一端,栅极用于电连接电池储能系统的控制电路;
电容C1的第二端用于电连接电池储能系统中高压侧的第一电位,第一端用于电连接电池储能系统中高压侧的第二电位;
电容C2的第一端电连接电感L的第二端及电池储能系统中低压侧的第一电位,第二端用于电连接电池储能系统中低压侧的第二电位及晶体管Q2的源极。
电池储能系统的控制电路用于对晶体管Q1和晶体管Q2的导通关断进行控制,以控制DC/DC换流器的输出电压。
在其中一个实施例中,换流器装置300为箱体结构,换流器装置300与汇流箱400相邻设置。
箱体结构的换流器装置300可设置于户外,因此可设置于汇流箱400附近。
在其中一个实施例中,换流器装置300为柜体结构,换流器装置300设置于蓄电池机柜500旁的室内区域。
柜体结构的换流器装置300不能设置于户外,因此需要设置于蓄电池机柜500旁的室内区域。
在本说明书的描述中,参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上所述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。
以上所述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)

1.一种电池储能系统,包括直流配电柜、直流计量柜、换流器装置、蓄电池机柜及汇流箱;其特征在于,
所述直流配电柜及所述直流计量柜设置于直流配电房,所述换流器装置设置于所述蓄电池机柜及所述汇流箱的安装处。
2.根据权利要求1所述的电池储能系统,其特征在于,
所述直流配电柜与所述直流计量柜通过第一电缆电连接;所述直流计量柜与所述换流器装置通过第二电缆电连接;所述汇流箱与所述换流器装置通过第三电缆电连接;所述蓄电池机柜与所述汇流箱电连接;
其中,所述第一电缆的长度及所述第三电缆的长度均小于所述第二电缆的长度。
3.根据权利要求2所述的电池储能系统,其特征在于,所述第二电缆上的电压降不大于预设压降;所述预设压降根据电池储能系统的额定电压确定。
4.根据权利要求3所述的电池储能系统,其特征在于,所述预设压降为所述电池储能系统的额定电压的1.5%。
5.根据权利要求4所述的电池储能系统,其特征在于,还包括第一电压表及第二电压表;
所述第一电压表设置于所述直流计量柜上,用于检测所述直流计量柜的电压值;
所述第二电压表设置于所述换流器装置上,用于检测所述换流器装置的电压值;
所述换流器装置的电压值与所述直流计量柜的电压值之差的绝对值为所述第二电缆的电压降。
6.根据权利要求2所述的电池储能系统,其特征在于,所述第二电缆为地埋式电缆。
7.根据权利要求1所述的电池储能系统,其特征在于,所述换流器装置为DC/DC换流器。
8.根据权利要求7所述的电池储能系统,其特征在于,所述DC/DC换流器包括:晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1、电容C2及电感L;
所述晶体管Q1的漏极用于电连接所述电池储能系统中高压侧的第一电位,源极电连接所述电感L的第一端,栅极用于电连接所述电池储能系统的控制电路;
所述晶体管Q2的漏极电连接所述晶体管Q1的源极,源极用于所述电容C1的第一端,栅极用于电连接所述电池储能系统的控制电路;
所述电容C1的第二端用于电连接所述电池储能系统中高压侧的第一电位,第一端用于电连接所述电池储能系统中高压侧的第二电位;
所述电容C2的第一端电连接所述电感L的第二端及所述电池储能系统中低压侧的第一电位,第二端用于电连接所述电池储能系统中低压侧的第二电位及所述晶体管Q2的源极。
9.根据权利要求1所述的电池储能系统,其特征在于,所述换流器装置为箱体结构,所述换流器装置与所述汇流箱相邻设置。
10.根据权利要求1所述的电池储能系统,其特征在于,所述换流器装置为柜体结构,所述换流器装置设置于所述蓄电池机柜旁的室内区域。
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