CN112186822A - 一种基于低压隔离电池单元的储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于低压隔离电池单元的储能系统，所述系统包括至少两个低压隔离电池单元、一个双向DC/AC变换器、系统控制器、配电及保护单元；低压隔离电池单元由低压锂离子电池模块、高频隔离DC/DC变换器、熔断器、断路器、采集线束和功率继电器组成；每2个低压隔离电池单元串联形成一个升压单元接入直流母线；N个升压单元并联接入直流母线，独立运行，N为自然数；双向DC/AC变换器稳定直流母线电压并最终实现直流母线能量及交流电网间的双向能量流动。本发明的基于低压隔离电池单元的储能系统，将传统串联成组高压大容量储能系统划分为多个独立运行的低压小容量隔离单元，有利于提升电池模组容量可利用率，并提升了储能系统电气及电池安全性。
Description
技术领域
本申请涉及锂电池储能领域，特别是一种基于低压隔离电池单元的储能系统。
背景技术
锂电池储能行业目前已处于大范围市场化应用临界点，主要用于工商业电价削峰填谷、发电侧电力二次调频调峰、与新能源发电结合解决弃光弃风等场合。同时，伴随电动汽车退运电池大规模出现，退运电池梯次利用也是储能行业新的关注点。
传统锂电池储能系统采用的技术方案为若干锂电池模组串联，组成电压较高的电池组串比如600~700V，100kWh，然后再多个组串并联，形成高压大容量直流系统，接入储能变流器直流端口，由储能变流器完成交直流电能双向转换。该技术方案简单，具成本优势，但该方案不足也较为明显：高压系统对安全防护要求较高，电击风险增大，短路能量较大，易造成严重事故；由于模组间SOC或容量必然存在差异，多模组串联系统导致容量实际利用率较低，且随运行时间加长愈加明显，对锂电池系统全生命周期电能吞吐量影响较大；更换串联系统中某些电池单体或模组，需确保新更换单体或模组SOC及容量与被更换目标基本一致，运维较为复杂。
发明内容
为了解决上述技术问题，针对当前串联高压大容量储能系统安全系数较低、系统可利用率较低、维护不便的问题，本发明提出了一种基于低压隔离电池单元的储能系统，既可以让锂电池储能系统安全性能提升，又可提升储能系统容量实际利用率，还适用于退运电池模组级梯次利用，弥补了现有技术方案本身存在的缺点。本发明提供一种基于低压隔离电池单元的储能系统，所述系统包括至少两个低压隔离电池单元、一个双向DC/AC变换器、系统控制器、配电及保护单元；其中，
低压隔离电池单元由低压锂离子电池模块、高频隔离DC/DC变换器、熔断器、断路器、采集线束和功率继电器组成；
每两个低压隔离电池单元串联形成一个升压单元接入直流母线；N个升压单元并联接入直流母线，独立运行，N为自然数；
双向DC/AC变换器稳定直流母线电压并最终实现直流母线能量及交流电网间的双向能量流动。
进一步地，所述系统内设备可分离布置或集中布置。
进一步地，在同一个储能系统中允许多种类型锂电池混合应用。
进一步地，还可扩展大电流均衡装置，具备单元内部单体或模组间大电流主动均衡功能。
进一步地，其内部包含高频隔离变压器及DC/DC变换器并集成电池管理系统电路。
进一步地，一个升压单元内的2个低压隔离电池单元，运行于电流控制模式，具备直流母线自适应主动调节功能。
进一步地，具备与电池数据分析平台对接的功能，可通过有线或无线通讯方式上传储能系统运行数据并接受电池数据分析平台回传数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
基于低压隔离电池单元的储能系统通过高频隔离DC/DC变换器对锂电池模组进行独立功率控制及电气隔离，去除充放电过程中各锂电池模组电气耦合，将高电压大容量储能系统划分为若干低压隔离电池单元，适用于不同容量或SOC电池模组混合应用，提升了锂电池储能系统容量的利用率，并提升了储能系统安全性能，简化了日常运维工作量。
附图说明
附图中：
图1为基于低压隔离电池单元的储能系统拓扑图。
图2为储能系统集中式布置方案示意图。
图3为储能系统分离式布置方案示意图。
图4为低压隔离电池单元电气拓扑图。
图5为高频隔离DC/DC变换器内部构成示意图。
图6为直流母线自适应主动调节功能△I/U曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
实施例：
如附图所示
目前通常采用若干电池模组串并联成高压大容量电池系统后接入接入储能变流器直流端口，由储能变流器完成交直流电能双向转换。该技术方案简单，具成本优势，但该方案不足也较为明显，主要体现为高压系统电击风险增大，短路能量较大，易造成严重事故；由于模组间SOC或容量差异导致储能系统容量实际可利用率较低；后期运维较为复杂。本发明提出的储能系统基于低压隔离电池单元构成，将高电压大容量储能系统划分为若干低压隔离电池单元，不同电池单元功率单独控制，适用于不同容量或SOC电池模组混合应用，提升了锂电池储能系统容量的利用率，并提升了储能系统安全性能，简化了日常运维工作量。
首先，图1示出了基于低压隔离电池单元的储能系统拓扑图，储能系统包含低压隔离电池单元、双向DC/AC变换器、系统控制器、配电及保护单元，通过有线通讯线路、无线通讯线路、硬件连线中的一种或几种组成为一个整体；每两个低压隔离电池单元串联构成一个升压单元，若干个升压单元并联接入直流母线，直流母线由双向DC/AC变换器建立并稳定，DC/AC变换器使用常规储能变流器即可满足应用条件；一个升压单元内的2个低压隔离电池单元运行于充电或放电工况，按照系统控制器下发电流（功率）指令输出电流（功率）；系统控制器采集系统内全部运行数据，并可下发控制参数或指令；配电及保护单元包含断路器、熔断器、主动分断装置、绝缘监测、采集模块、消防装置、硬件逻辑控制链路中的一种或几种，实现系统控制及线路保护。
图2示出了储能系统的不同布置方案，由于储能系统中各设备相对独立，可根据实际情况，采用集中式布置或分离式布置方案，适应不同的场地需求。
图3示出了一个低压隔离电池单元内部电气拓扑图，以一个16节单体组成的单元为例，其采用磷酸铁锂电池，额定电压51.2V，由2个电池模组组成；2个电池模组经熔断器、功率继电器、断路器后形成总正、总负输出，接入高频隔离DC/DC变换器低压输入端（BAT+、BAT-）；电池模组引出2组线束，其中一组为电池电压及温度采集线束，接入高频隔离DC/DC变换器电池管理系统接口（BMU）；另一组为预留的大电流主动均衡线束，如需要，配合外部均衡装置，可实现单元内16节单体之间的主动均衡；功率继电器由高频隔离DC/DC变换器控制，实现主动分断；低压隔离电池单元内部电池模组经高频隔离DC/DC变换器内的变压器对外隔离，与单元外部电路无电气通路，故可实现不同容量、不同SOC或不同类型的锂电池模组在一个系统中混用。
图4示出了高频隔离DC/DC变换器内部构成示意图，其由高频隔离变压器、DC/DC变换电路、控制系统组成。控制系统分为ARM及DSP两套子系统，DSP及外围电路控制DC/DC变换电路工作，DC/DC电路低压侧（INPUT）额定电压48V，连接低压电池模块，高压侧（OUTPUT）电路额定输出电压375V，与另一台DC/DC变换器串联，接入750V直流母线；ARM及外围电路负责高频隔离DC/DC变换器对外通讯并集成电池管理系统功能，可从BMU口采集最多24个单体电池电压、6个电池温度、电池模组总电压和电流功能，并具备单体电池电压过欠压保护、电池温度高低温保护、电池总电压过欠压保护、电池电流过流保护、单体电池电压压差过大保护、模组温差过大保护、通讯失败等保护功能；ARM经内部通讯线路将电池管理信息传至DSP，供DSP控制算法调用；系统控制器指令经外部通讯线缆送至ARM，ARM再经内部通讯线路将指令传至DSP，供DSP控制算法调用。
储能系统总体运行方式为：系统控制器首先启动DC/AC变换器，其运行目标为控制直流母线电压稳定在系统控制器下发值所允许偏差范围内；直流母线建立后，系统控制器分别向各个低压隔离电池单元中的高频隔离DC/DC变换器下发启动指令，高频隔离DC/DC变换器得到启动指令后，闭合功率继电器，投入电池模组，自检高低压测电压无误后，转入运行状态；一个升压单元内的2台高频隔离DC/DC变换器为串联关系，其各自根据直流母线侧电压变化和既有内部设置的主动调节△I/U曲线在一定范围内主动调节输出电流或功率，实现对高压侧直流母线电压的支撑；图5示出了高频隔离DC/DC变换器直流母线自适应主动调节功能△I/U曲线示意图；DC/DC变换器内置△I/U曲线涉及Umax、Uhth、Ulth、Umin、△Imax及△Imin参数，系统控制器根据各个低压隔离电池单元SOC及允许充放电功率独立设置低压隔离电池单元上述参数，实现不同低压隔离电池单元的独立功率控制；系统停止工作时，系统控制器首先停止全部高频隔离DC/DC变换器，再停止DC/AC变换器；1个高频隔离DC/DC变换器故障退出，其所在升压单元退出工作，其余升压单元正常运行；DC/AC变换器故障退出，所有高频隔离DC/DC变换器自保护停机。
当系统内配电及保护单元监测到绝缘异常、消防系统动作、紧急停止信号等故障时，依靠硬件逻辑控制链路或系统控制器控制指令主动分断系统主电路，储能系统与外部电气网络脱离连接，系统内各设备自保护停机。
系统控制器通过通讯方式采集全部电池数据，经内部算法处理后，经有线或无线通讯方式将电池数据上传云端电池数据分析平台；电池数据分析平台根据自身内部模型分析后，得到电池状态评估结果，实现电池状态预警；同时，也可根据数据分析平台自身模型分析结果修正电池运行关键数据（如SOC、DOD等）并返回关键电池状态参数至系统控制器，实现储能系统优化运行。
综上所述，本发明提出的一种基于低压隔离电池单元的储能系统，将高电压大容量储能系统划分为若干低压隔离电池单元，实现不同电池单元单独功率控制，适用于不同容量或SOC电池模组混合应用，提升了锂电池储能系统容量的利用率，且低压系统安全性能更优，并可简化储能系统日常运维工作量。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于低压隔离电池单元的储能系统，其特征在于，所述系统包括至少两个低压隔离电池单元、一个双向DC/AC变换器、系统控制器、配电及保护单元；其中，
低压隔离电池单元由低压锂离子电池模块、高频隔离DC/DC变换器、熔断器、断路器、采集线束和功率继电器组成；
每两个低压隔离电池单元串联形成一个升压单元接入直流母线；N个升压单元并联接入直流母线，独立运行，N为自然数；
双向DC/AC变换器稳定直流母线电压并最终实现直流母线能量及交流电网间的双向能量流动。
2.根据权利要求1所述的基于低压隔离电池单元的储能系统，其特征在于，所述系统内设备可分离布置或集中布置。
3.根据权利要求1所述的基于低压隔离电池单元的储能系统，其特征在于，在同一个储能系统中允许多种类型锂电池混合应用。
4.根据权利要求1所述的低压隔离电池单元，其特征在于，还可扩展大电流均衡装置，具备单元内部单体或模组间大电流主动均衡功能。
5.根据权利要求1所述的高频隔离DC/DC变换器，其特征在于，其内部包含高频隔离变压器及DC/DC变换器并集成电池管理系统电路。
6.根据权利要求1所述的升压单元，其特征在于，一个升压单元内的2个低压隔离电池单元，运行于电流控制模式，具备直流母线自适应主动调节功能。
7.根据权利要求1所述的系统控制器，其特征在于，具备与电池数据分析平台对接的功能，可通过有线或无线通讯方式上传储能系统运行数据并接受电池数据分析平台回传数据。
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