CN111564887A - 多类能源互补式家庭储能系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多类能源互补式家庭储能系统和方法。所述系统包括：供电模块、储能模块、逆变模块和储能管理模块，其中，供电模块包括市电接入单元、太阳能发电单元和风力发电单元中至少两个，市电接入单元能将市电转换为直流电，太阳能发电单元和风力发电单元能分别利用太阳能、风能发电并进行电压转化；储能模块能利用供电模块输出电能充电；逆变模块能将储能模块的电压转化为额定电压，以实现对用电器供电；储能管理模块能实时监控储能模块。所述方法包括采用上述系统进行储能。本发明能够充分利用多种能源，环保可靠，能防止电池发生过充或者过放电现象，能使电池组中各电池都达到均衡一致的状态，能够保障电池组安全可靠工作。

Description

多类能源互补式家庭储能系统和方法
技术领域
本发明涉及储能系统的技术领域，尤其涉及一种多类能源互补式家庭储能系统和方法。
背景技术
目前全球能源危机日益严峻，我国作为能源消耗大国，加强储能领域的发展刻不容缓，家庭储能作为储能领域中的一部分，它的发展也至关重要；随着锂电池等储能产品的不断进步，以及国家政策的不断完善，相信会有越来越多的储能产品走到普通家庭中，提高人们的生活质量。新能源汽车的大力推广加速了动力电池的发展速度，动力电池的产量也有了飞跃式的增长；面对如此庞大的新能源汽车市场，人们对于动力电池退役后的出路做出了诸多讨论，最主流的方案就是将退役后的动力电池进行回收梯次利用，投放到家庭储能、分布式发电、微网、移动电源、后备电源、应急电源等中小型的储能设备应用领域。如果这种方案成功的应用到市场当中，一些家用储能产品的成本会有所降低，家庭储能市场也将得到新的发展机遇。现在来看家庭光伏尚未达到普及，处在发展阶段，这和国内农村家庭的收入水平有着直接关系；假若有一天光伏发电普及，电费价格上涨，那么家庭储能市场将会迎来发展的契机。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种有利于解决能源问题的多类能源互补式家庭储能系统和方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种多类能源互补式家庭储能系统。
所述系统可包括：供电模块、储能模块、逆变模块和储能管理模块，其中，供电模块能够输出电能并包括市电接入单元、太阳能发电单元和风力发电单元中的至少两个，其中，市电接入单元能够将市电转换为直流电，太阳能发电单元能够利用太阳能发电并将产生的电能进行电压转化，风力发电单元能够利用风力发电并将产生的电能进行电压转化；储能模块能够利用供电模块输出的电能进行充电；逆变模块能够将储能模块的电压转化为额定电压，以实现对用电器供电；储能管理模块能够对储能模块进行实时监控。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述市电接入单元可包括市电接口、以及AC/DC变换器，其中，市电接口能够连接市电，AC/DC变换器能够将通过市电接口输送的市电转换为直流电。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述太阳能发电单元可包括太阳能电池板、以及DC/DC变换器，其中，太阳能电池板能够将太阳能转化为电能，DC/DC变换器能够将转化的电能进行电压转换。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述风力发电单元可包括风力发电机、以及DC/DC变换器，其中，风力发电机能够将风能转化为电能，DC/DC变换器能够将转化的电能进行电压转换。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，供电模块可包括市电接入单元、太阳能发电单元和风力发电单元。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述储能管理模块包括检测单元和主控单元，其中，检测单元能够对所述储能模块进行检测，所述检测可包括电压检测、电流检测和温度检测中的至少一种；主控单元能够根据检测单元检测的情况计算出储能模块的荷电状态。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述主控单元还能够显示出储能模块的荷电状态。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述主控单元还具有报警功能，所述报警包括过流、过压和过温报警中的至少一种。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述储能管理模块能够对电池组进行均衡处理。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述储能模块可包括由梯次电池组成的电池组。
根据本发明的一个或多个示例性实施例，所述储能模块可包括多个电池组。
本发明另一方面也提供了一种多类能源互补式家庭储能方法。所述方法可包括以下步骤：根据环境情况，选择第一、第二和第三供电模式中的一种向储能模块充电，其中，第一供电模式包括接入市电并将市电转换为直流电，第二供电模式包括利用太阳能发电并将产生的电能进行电压转化，第三供电模式包括利用风力发电并将产生的电能进行电压转化；在储能模块储存电能之后，将储能模块的电压转化为额定电压并输出，以实现对用电器供电；在储能模块充电和/或放电过程中，对储能模块进行检测，并计算储能模块的荷电状态，所述检测包括电压检测、电流检测和温度检测中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：能够充分利用多种能源，环保可靠，成本低；能够防止电池发生过充或者过放电现象，能够使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态，能够保障电池组安全可靠工作。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的多类能源互补式家庭储能系统的一个结构示意图；
图2示出了本发明的电池管理系统的一个功能示意图；
图3示出了本发明电池管理系统的电压采集及被动均衡电路的一个示意图；
图4为实施例的SOC估算模型结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的多类能源互补式家庭储能系统和方法。
本发明一方面提供了一种多类能源互补式家庭储能系统。
在本发明的多类能源互补式家庭储能系统的一个示例性实施例中，所述多类能源互补式家庭储能系统可包括：按照电能传递方向依次设置的供电模块、储能模块和逆变模块，以及用于监控储能模块的储能管理模块。
供电模块能够提供用于给储能模块充电的电能。供电模块可包括市电接入单元、太阳能发电单元和风力发电单元中的至少两个，例如市电接入单元和太阳能发电单元，再例如市电接入单元和风力发电单元，具体地，可根据实际环境情况（例如光照条件和风力条件等）来确定供电模块所包含的单元。其中，市电接入单元能够接入市电并将市电转换为直流电。太阳能发电单元能够能利用太阳能发电并将产生的电能进行电压转化。风力发电单元能够利用风力发电并将产生的电能进行电压转化。
储能模块能够接收供电模块输出的电能以进行充电。储能模块可包括电池组，例如梯次电池构成的电池组。进一步地，储能模块可包括退役后的动力电池组。进一步地，还可包括对电池组进行均衡处理。
逆变模块能够将储能模块的电压转化为额定电压，以实现对用电器供电。其中，额定电压可以为用电器工作所需的工作电压，例如中国的标准电压220V，美国的110V等，具体地，可根据实际情况来确定。逆变模块可包括逆变器。用电器可以为家庭电器。
储能管理模块能够对储能模块进行实时监管，以保障电池组在各种复杂工况下使用的安全性。所述监管可包括对电池组进行状态信息检测，以及进行电池组荷电状态估算等。
在本实施例中，市电接入单元可包括市电接口、以及AC/DC变换器。其中，市电接口能够连接市电，AC/DC变换器能够将市电转换为直流电。
在本实施例中，太阳能发电单元包括太阳能电池板、以及DC/DC变换器。其中，太阳能电池板能够利用太阳能发电，DC/DC变换器能够将太阳能电池板产生的电能进行电压转换。
在本实施例中，风力发电单元可包括风力发电机、以及DC/DC变换器，其中，风力发电机能够利用风力发电，DC/DC变换器能够将产生的电能进行电压转换。
在本实施例中，供电模块中的至少两个单元可以呈并联状态。
在本实施例中，所述电池组可包括锂电子电池组。
在本实施例中，所述储能管理模块可包括检测单元和主控单元。其中，检测单元可包括检测板，主控单元可包括主控板。检测板对电池组进行状态信息检测，例如电压、电流和温度检测等；主控板对信息进行处理（即电压信息和电流信息），进行电池组荷电状态估算，以及防止电池发生过充或者过放电现象。
在本实施例中，储能管理模块还具有均衡功能，可采用被动均衡，能够使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态，保障电池组在各种复杂工况下运行的安全性。
在本实施例中，储能管理模块还可包括被动均衡电路和MOS管，MOS管与电池组中每节电池连接。
被动均衡电路能够监测到电池组中每节电池的电压，在其中一节电池电压高于其他电池的情况下，被动均衡电路能够输出一个开关信号给MOS管，打开MOS管使高电压电池的能量在功率电阻上以热能消耗掉。
在本发明的多类能源互补式家庭储能系统的另一个示例性实施例中，如图1所示，所述系统可包括：太阳能电池板、市电接口、DC/DC变换器、AC/DC变换器、电池组（可由梯次电池构成）、电池管理系统（对应上一个示例性实施例中的储能管理模块）以及逆变器。在该示例性实施例中，多类能源互补式家庭储能系统可称为光电互补式家庭储能系统。
其中，太阳能电池连接DC/DC变换器对由梯次电池构成的电池组进行充电。
市电接口连接AC/DC变换器对由梯次电池构成的电池组进行充电。
电池管理系统对电池组进行实时监管，保障电池组各种复杂工况下使用安全性。
电池组连接逆变器转换为220V交流电对家用电器进行供电。
综上，该系统具备两种充电模式，太阳能充电和市电充电，并能对家用电器进行供电。两者充电模式可以能够确保在光线不充足时也能对系统进行充电。两种充电模式可通过人工切换。
在本实施例中，主控板的信号输入端与前端检测板单元的信号输出端连接。主控板具有剩余电量（State of charge，简称SOC）在线精确估算功能、以及过流、过压和过温报警功能。主控板还具有显示模块，以实时显示剩余电量。检测板可包括：用于电压检测的十二通道、用于温度检测的五通道和用于电流检测的一通道。
在本实施例中，图2示出了电池管理系统的一个功能示意图。电池管理系统能够实现对电池组实时监管，保障电池组各种复杂工况下使用安全性。
电池管理系统可进行微型化和分布式设计。电池管理系统可分为两部分，即检测板和主控板。检测板能够进行如图2所示的电压检测、电流检测和温度检测。主控板可包括图2所示的微处理器，微处理器可采用被动均衡使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。
检测板能够对电池组进行状态信息检测；检测板可具有十二个电压检测通道、一个电流检测通道、五个温度检测通道和十二个被动均衡通道。检测板之间可以通过菊链式进行级联，拓展系统的检测通道。检测板的数量可以根据电池组的数量确定。
主控板能够对检测板检测的信息进行处理，例如进行电池组荷电状态估算，例如剩余电量的计算；主控板还可通过实时监测电池组中每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压（即每块电池的端电压、每块电池的温度、每块电池的充放电电流、以及电池组总电压），能够防止电池发生过充或者过放电现象。
在本实施例中，检测板之间可以形成级联模式，当处于级联模式时可以检测多组锂离子电池组，增加系统的通用性。
在本实施例中，图3示出了本发明电池管理系统的电压采集以及被动均衡电路的一个示意图。如图3所示，电池组单体电压可以采集使用LTC6804芯片进行采集。该芯片具有十二个电压采集通道进行电压采集；并且带具有十二个均衡通道对电池进行均衡处理。当电压采集通道采集回来的电压值中出现某节电池电压高于其他电池时，便从均衡通道输出一个开关信号给MOS管，打开MOS管使高电压电池的能量在功率电阻上以热能消耗掉；当检测到高电压电池和其他电池电压相同时便关闭MOS管，停止消耗能量。
LTC6804芯片是检测板中的芯片，用于检测电压。LTC6804可发出开断信号来控制MOS管。
在本实施例中，主控板能够在收集到电压、电流的参数后便对参数处理，进行SOC估算。
图4示出了锂离子电池组SOC估算的一个模型结构示意图。其中，图4中的I(k)为电流，A(k)为状态方程系数矩阵，B(k)为状态方程系数矩阵，C(k)为状态方程系数矩阵，D(k)为状态方程系数矩阵，X(k)为k时刻的系统状态值，X(k-1)为k-1时刻的SOC值，W(k)为过程噪声，V(k)为观测噪声，UL(k)为闭路电压，S1为状态方程，S2为观测方程，UnitLag为单位时间延迟。
锂离子电池组（例如航空锂离子电池组）由级联组合的独立电池单体构成，由于受到生产差异、老化和温度等不同工况环境的影响，单体间具有差异性，在电压、容量和内阻方面的差异影响了锂离子电池组的可用能量，降低了其性能和使用寿命。通过使用卡尔曼滤波估算，结合对状态参数的非线性处理，为锂离子电池组SOC估算提供了一种递归解决方案，通过实时监测电压、电流和温度等关键参数，实现了SOC估算过程的迭代计算和修正。基于具有反馈调节能力的卡尔曼滤波估算方法，展开锂离子电池组的SOC估算研究。通过叠加实时观测值修正实现SOC估算，在估算过程中获得当前SOC(k)值，其状态方程和观测方程如(1.1)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1.1)
在式(1.1)中，SOC(k)是k时刻的SOC值，A(k)、B(k)、C(k)和D(k)是k时刻的状态参数和观测参数，w(k)和v(k)分别是k时刻的过程噪声和观测噪声，UL(k)是k时刻的闭路电压观测值。通过构建SOC估算模型，实现锂离子电池组的应用特征描述和状态估算。在上述表达式中，使用闭路电压UL(k)表示系统输出，I(k)作为系统输入。根据状态空间方程描述，基于卡尔曼滤波估算框架进行锂离子电池组SOC估算过程的具体实现，其估算模型模型结构如图4所示。该SOC估算模型的离散空间描述通过该图进行表述，总体划分为两大部分，其中，S1为锂离子电池组SOC估算的状态方程，S2为观测方程，通过迭代使用表达式SOC=SOC(k-1)，把有效参数用SOC值进行替换，结合离散化处理过程实现迭代计算，获得与时间密切相关的方程表达式并用于后续状态参数的替换与表征。
通过上述分析可知，该方法需要待估算随机信号和观测方程的离散模型已知，并将其转换成一般形式的状态空间模型。在锂离子电池组SOC估算过程中，直接测量得到的电流I(k)存在检测误差，因此构建等效模型并作为SOC估算的基础，应用于SOC估算中并降低极化效应的影响。在锂离子电池组SOC估算模型中，SOC作为状态变量，通过使用卡尔曼滤波算法和观测变量值进行更新。基于状态方程和观测方程的联合求解，过程状态计算与修正得到实现，获得基于卡尔曼滤波算法的锂离子电池组SOC迭代计算过程如下所述。
第一步，计算k时刻的预测值，SOC(k|k-1)是利用上一时刻的最优估算值SOC(k-1)进行预测得到的结果，SOC(k-1)为上一时刻的最优估算结果。其计算过程如式(1.2)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(1.2)
第二步，通过计算SOC(k|k-1)的估算误差，求取对应于SOC(k|k-1)的协方差矩阵，P(k|k-1)是SOC(k|k-1)所对应的协方差，P(k-1)是SOC(k-1)所对应的协方差，Q w为过程噪声的协方差。其计算过程如式(1.3)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(1.3)
第三步，计算k时刻的卡尔曼滤波增益K(k)，在求得SOC(k|k-1)和P(k|k-1)之后，根据其计算表达式求取卡尔曼滤波增益K(k)如式(1.4)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(1.4)
第四步，计算k时刻的最优估算值，根据得到的预测值SOC(k|k-1)和实时测量获得的闭路电压值UL(k)获得当前时刻的最优估算值SOC(k)，其计算过程如式(1.5)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(1.5)
第五步，考察k时刻的最优估算值的误差，根据所得到的K(k)和P(k|k-1)计算k时刻SOC最优估算值所对应的协方差P(k)，根据计算表达式(1.6)表征k时刻最优估算值的误差。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(1.6)
通过上述迭代计算过程可知，该SOC估算方法利用状态空间方程实现其迭代计算过程，具有高估算精度和实时状态误差修正能力。
本发明主控板所使用的SOC估算方法可以是基于无迹变换的SOC估算方法。该方法将一个状态估计点转换为多个估计点，根据权值的不同将状态估计点的值传递给后面的观测值，按照观测值以及真实测量值的误差，通过反馈不断对相应的权值做出修正，实现锂离子电池组SOC估算模型的建立和SOC值的数学迭代运算并最后得到精确SOC值。本发明可以实现SOC在线估算精度3.00%（即误差在3%以内）。
本发明再一方面提供了一种多类能源互补式家庭储能方法。
在本发明的多类能源互补式家庭储能方法的一个示例性实施例中，所述方法可包括采用上述的储能系统进行储能。
在本发明的多类能源互补式家庭储能方法的另一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：
根据环境情况，选择第一、第二和第三供电模式中的一种向储能模块供电。其中，第一供电模式包括接入市电并将市电转换为直流电。第二供电模式包括利用太阳能发电并将产生的电能进行电压转化。第三供电模式包括利用风力发电并将产生的电能进行电压转化。
在储能模块储存电能之后，将电压转化为额定电压并输出，以实现对用电器供电。
在本实施例中，储能模块可为多类能源互补式家庭储能系统示例性实施例中的储能模块。
在本实施例中，第一、第二和第三供电模式可分别通过多类能源互补式家庭储能系统示例性实施例中的电接入单元、太阳能发电单元和风力发电单元来实现。
在本实施例中，所述方法还可包括步骤：实时监控储能模块。
所述监控可包括：对储能模块进行检测。所述检测可包括电压检测、电流检测和温度检测中的至少一种。
所述监控还可包括：根据检测情况计算出储能模块的荷电状态，以防止电池发生过充或者过放电现象。
在本实施例中，所述监控还可包括充电过程的监控和/或放电过程的监控。
综上所述，本发明的多类能源互补式家庭储能系统和方法的优点可包括：
（1）本发明的储能系统采用储能式设计结构，符合国家实施的“削峰填谷”的基本用电措施，能够充分利用现有发电能力，多发电，有利于对电网的经济运行，有利于提高电网负荷率，使国家资源得到优化配置，适合家庭用户使用。
（2）本发明能够充分利用多种能源，环保可靠，成本低。
（3）本发明能够防止电池发生过充或者过放电现象，能够使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态，能够保障电池组在各种复杂工况下运行的安全性。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述系统包括：供电模块、储能模块、逆变模块和储能管理模块，其中，
供电模块能够输出电能并包括市电接入单元、太阳能发电单元和风力发电单元中的至少两个，其中，市电接入单元能够将市电转换为直流电，太阳能发电单元能够利用太阳能发电并将产生的电能进行电压转化，风力发电单元能够利用风力发电并将产生的电能进行电压转化；
储能模块能够利用供电模块输出的电能进行充电；
逆变模块能够将储能模块的电压转化为额定电压，以实现对用电器供电；
储能管理模块能够对储能模块进行实时监控。
2.根据权利要求1所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述市电接入单元包括市电接口、以及AC/DC变换器，其中，市电接口能够连接市电，AC/DC变换器能够将通过市电接口输送的市电转换为直流电。
3.根据权利要求1所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述太阳能发电单元包括太阳能电池板、以及DC/DC变换器，其中，太阳能电池板能够将太阳能转化为电能，DC/DC变换器能够将转化的电能进行电压转换。
4.根据权利要求1所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述风力发电单元包括风力发电机、以及DC/DC变换器，其中，风力发电机能够将风能转化为电能，DC/DC变换器能够将转化的电能进行电压转换。
5.根据权利要求1所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述储能管理模块包括检测单元和主控单元，其中，
检测单元能够对所述储能模块进行检测，所述检测包括电压检测、电流检测和温度检测中的至少一种；
主控单元能够根据检测单元检测的情况计算出储能模块的荷电状态。
6.根据权利要求5所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述主控单元还能够显示出储能模块的荷电状态。
7.根据权利要求6所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述主控单元还具有报警功能，所述报警包括过流、过压和过温报警中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述储能模块包括电池组，所述储能管理模块能够对电池组进行均衡处理。
9.根据权利要求1所述的多类能源互补式家庭储能系统，其特征在于，所述储能模块包括由梯次电池组成的电池组。
10.一种多类能源互补式家庭储能方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据环境情况，选择第一、第二和第三供电模式中的一种向储能模块充电，其中，第一供电模式包括接入市电并将市电转换为直流电，第二供电模式包括利用太阳能发电并将产生的电能进行电压转化，第三供电模式包括利用风力发电并将产生的电能进行电压转化；
在储能模块储存电能之后，将储能模块的电压转化为额定电压并输出，以实现对用电器供电；
在储能模块充电和/或放电过程中，对储能模块进行检测，并计算储能模块的荷电状态，所述检测包括电压检测、电流检测和温度检测中的至少一种。
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