CN112234639A - 一种基于储能系统充放电的控制装置 - Google Patents

一种基于储能系统充放电的控制装置 Download PDF

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杨帆
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Abstract

本发明公开了一种基于储能系统充放电的控制装置，包括能量管理系统EMS、电池管理系统BMS、储能变流器PCS，所述电池管理系统BMS用于实时采集每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据并上传给能量管理系统EMS，同时根据每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度查找预先存储的计算得出的多维空间曲线得出最佳充电/放电功率系数ϴ，进而得到的最佳充电或放电功率值并向储能变流器PCS下发最佳充电或放电功率值P i并把数值上传给能量管理系统EMS；本发明把储能系统的EMS计算和控制功能融合到最上层的BMS系统中，减少储能系统3S之间控制的冗余，垂直直接控制命。

Description

一种基于储能系统充放电的控制装置
技术领域
本发明涉及一种储能系统充放电的控制，属于储能系统技术领域。
背景技术
目前的用户侧削峰填谷储能系统基本上都是储能到规定的充电/放电时间就开始以设定的功率值恒功率放电，到充电/放电末端时会个别电芯温度急剧上升，电芯温度太高将会影响电芯的寿命，目前BMS采取的方式是直接把当前电池簇允许电流减半继续充电/放电来降低电芯温度。电流减半电芯温度立马下降。
目前市面上的储能系统，基本上采用的是EMS来控制PCS功率，BMS监测到电芯温度快速急剧升高就反馈电流减半信息给EMS，由EMS经过电压采样和减半电流信号计算当前允许功率值并对PCS充放电功率下发命令调整。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于储能系统充放电的控制装置，把储能系统的EMS计算和控制功能融合到最上层的BMS系统中，减少储能系统3S之间控制的冗余，垂直直接控制，设置有削峰填谷控制模块，在目前削峰填谷用户侧储能系统中，在规定的充放电时间段内最大限度的充电，最大限度的放电，实现削峰填谷利益最大化，并且实现削峰填谷利益最大化的同时还能让电池簇始终充放电运行在最佳工况和温度，保证电池簇的循环寿命不受影响。在储能系统充放电的控制中带来突破性的进展，具有重大的意义。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于储能系统充放电的控制装置，包括能量管理系统EMS、电池管理系统BMS、储能变流器PCS，其中：
所述电池管理系统BMS用于实时采集每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度，同时根据每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度查找预先存储的计算得出的多维空间曲线得出电池簇最佳充电/放电功率系数ϴ，进而根据P i =ϴP计算出当前实时应下发的最佳充电/放电功率，P是储能系统最大工作功率，总充/总放电电量Q= Ʃt△i*P i ，t△i表示充电或放电的第i个时间段内总小时数，P i表示第i个时间段内的最佳充电或放电功率值，然后在充电或放电时间段内实时向储能变流器PCS下发最佳充电或放电功率值P i。所述电池管理系统BMS将检测到的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度以及发最佳充电或放电功率值P i上传给能量管理系统EMS。
所述储能变流器PCS收到电池管理系统BMS发送过来的当前最佳充电或放电功率值P i，按照最佳功率值P i来充电或放电。
所述能量管理系统EMS接收每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度以及最佳充电或放电功率值P i。
优选的：所述电池管理系统BMS包括三级BMS单元，分别为第一级BMS单元、第二级BMS单元、第三级BMS单元，第一级BMS单元有N个，记为第一级第i个BMS单元，i=1，2，…，N，第一级第i个BMS单元包括n个BMS模块，记为第一级第i个BMS单元第j个BMS模块，j=1，2，…，n，所述第二级BMS单元有N个，记为第二级第i个BMS单元，i=1，2，…，N，其中：
第一级第i个BMS单元第j个BMS模块直接采集第j个电池插箱每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，同时上传给第二级第i个BMS单元。
第一级第i个BMS单元内的所有插箱组成一个电池簇，记为第i个电池簇。
第二级第i个BMS单元获取第一级第i个BMS单元的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，进而得到第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，根据第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等计算得到第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i，第二级第i个BMS单元将第一级第i个BMS单元集到的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据、第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据、第一级第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i上传给第三级BMS单元。第三级BMS单元将得到第一级第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i下发给储能变流器PCS。
优选的：所述电池管理系统BMS设置有削峰填谷控制模块，所述削峰填谷控制模块用于控制电池管理系统BMS充放电操作。所述削峰填谷控制模块设置有 谷时段、平时段、峰时段和尖峰时段，根据电池管理系统BMS检测的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据计算最大充电量或最大放电量，比如在谷时段t△i时间段内的最大充电功率P i，根据Q= Ʃt△i*P i从而得到最大充电量Q充。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1、3S 垂直架构，即云化了的能源路由器，可以管理其下层所有能源设备，使储能系统控制更简单化，安全化，打造一个系统核心，系统集成化，效率最大化，成本最优化。
2、以电池数据为核心，安全控制，准确实时下发功率命令，实时调整优化功率命令。
3、在有限的谷/峰充电时间段内，管理好电池电压和温度保证电芯循环寿命，充/放电电量最大化，实现最大程度的削峰填谷，减轻电网峰时段压力。
附图说明
图1为本发明基于储能系统充放电的控制装置的架构。
图2为电池管理系统BMS的架构。
图3为充电/放电功率的多维坐标曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于储能系统充放电的控制装置，如图1所示，包括能量管理系统EMS、电池管理系统BMS、储能变流器PCS，其中：
所述电池管理系统BMS用于实时采集每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度，同时根据每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度查找预先存储的计算得出的多维空间曲线得出电池簇的最佳充电/放电功率系数ϴ，进而根据P i =ϴP计算出当前实时应下发的最佳充电/放电功率，P是储能系统最大工作功率，总充/总放电电量Q= Ʃt△i*P i ，t△i表示充电或放电的第i个时间段内总小时数，P i表示第i个时间段内的最佳充电或放电功率值，然后在充电或放电时间段内实时向储能变流器PCS下发最佳充电或放电功率值P i。所述电池管理系统BMS将检测到的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度以及发最佳充电或放电功率值P i上传给能量管理系统EMS。
所述储能变流器PCS收到电池管理系统BMS发送过来的当前最佳充电或放电功率值P i，按照最佳功率值P i来充电或放电。
所述能量管理系统EMS接收每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度以及最佳充电或放电功率值P i。
3S 垂直架构，把传统EMS的控制计算功能融合到BMS中，BMS直接监控电池每颗电芯的电压和温度等状态，通过实时采集每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等参数，查找预先存储的计算得出的多维空间曲线得出最佳充电/放电功率系数，然后在充电时间段内实时调整下发最佳充电功率，放电时间段内实时调整下发最佳放电功率。电压和温度在充电/放电过程中是一个变化值，可以通过电压采样芯片以及温度传感器采集得到，采集完后通过采样线束送给BMS，通过前期已实施项目运行的温度、电压、电流、温升、健康度SOH和环境温度等数据统计计算，BMS中计算存储了各种状态下最优的充电/放电功率系数多维坐标曲线。
BMS根据当前采集的电压、温度、健康度SOH和环境温度等查找曲线得出最佳充电/放电功率系数ϴ，进而根据P i =ϴP计算出当前实时应下发的充电/放电功率，P是储能系统最大工作功率，总充/总放电电量Q= Ʃt△i*P i ，t△i表示充电或放电的第i个时间段内总小时数(h)，P i表示第i个时间段内的充电或放电功率值（KW）。
如图3所示，如果当前在放电时间段内，采集到的电芯电压在3.2V以上，温度都在35℃以下，电芯健康度100%，温升不超过规定的0.1℃/10min，以及采集到的其他数据都理想，那么通过查找BMS中的多维坐标曲线，在该时刻下发的最佳放电功率系数ϴ就是1，对应该时刻下发的放电功率就是最大功率P。PCS收到BMS发送过来的当前放电功率值P，就按照功率值P来放电，执行命令，直到下一时刻BMS给PCS发来其他功率值命令，PCS再执行下一时刻的命令。其他的时间段内，根据采样值查找BMS中存储的多维坐标曲线对应功率系数，计算得到当前最佳下发功率值P i并由BMS把P i下发给PCS执行，实现储能系统充放电的控制。
如图2所示：所述电池管理系统BMS包括三级BMS单元，分别为第一级BMS单元、第二级BMS单元、第三级BMS单元，第一级BMS单元有N个，记为第一级第i个BMS单元，i=1，2，…，N，第一级第i个BMS单元包括n个BMS模块，记为第一级第i个BMS单元第j个BMS模块，j=1，2，…，n，所述第二级BMS单元有N个，记为第二级第i个BMS单元，i=1，2，…，N，其中：
第一级第i个BMS单元第j个BMS模块直接采集第j个电池插箱每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，同时上传给第二级第i个BMS单元。
第一级第i个BMS单元内的所有插箱组成一个电池簇，记为第i个电池簇。
第二级第i个BMS单元获取第一级第i个BMS单元的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，进而得到第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，根据第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等计算得到第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i，第二级第i个BMS单元将第一级第i个BMS单元集到的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据、第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据、第一级第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i上传给第三级BMS单元。第三级BMS单元将得到第一级第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i下发给储能变流器PCS。
所述电池管理系统BMS设置有削峰填谷控制模块，所述削峰填谷控制模块用于控制电池管理系统BMS充放电操作。所述削峰填谷控制模块设置有谷时段和峰时段，根据电池管理系统BMS检测的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度计算在谷时段时得最大充电量Q充，根据电池管理系统BMS检测的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度计算在峰时段时的最大可放电功率从而得到最大放电量Q放。
所述电池管理系统BMS设置有削峰填谷控制模块，所述削峰填谷控制模块用于控制电池管理系统BMS充放电操作。所述削峰填谷控制模块设置有 谷时段、平时段、峰时段和尖峰时段，根据电池管理系统BMS检测的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据计算最大充电量或最大放电量，比如在谷时段t△i时间段内的最大充电功率P i，根据Q=Ʃt△i*P i从而得到最大充电量Q充，在峰时段各△t时间段内的最大放电功率P i，根据Q= Ʃt△i*P i从而得到最大放电量Q放。
削峰填谷控制模块经济收益模式为谷时段电价低时储能充电，峰时段电价搞时候储能放电，以江苏省10KV大工业用电电价为例，谷时段电价0.3139元/KWh，峰时段电价1.0697元/KWh，完成一次完整的充放电带来的经济收益为（1.0697*Q放-0.3139* Q充），Q充最大才能保证Q放最大，即充满才能保证有最大的放电量，在不考虑储能充放电效率的情况下，Q充和Q放都最大时经济效益最大。以江苏省用户侧储能系统每天一充一放为例，在江苏省有限的谷时段0：00-8：00，峰时段8：00-12：00以及17：00-21：00之内，通过BMS精确计算出的Q充和Q放，可以更合理的配置电池系统容量，不超配不冗余不浪费。
电池管理系统BMS实时跟踪每颗电芯的电压和温度，根据电芯的实时电压和温度等参数计算来决定当前充电或放电的最大电流，从而决定了当前充电或放的电最大功率，带来的直接经济效益是用户侧削峰填谷储能项目可以在规定的峰谷充放电时间段内（比如江苏峰8：00-12：00），最大限度的充电/放电。间接价值是可控制电芯不过电流过温度充放电，保证电芯的循环寿命，同时，根据最大限度的充放电电量，还能更合理更经济的配置储能系统容量。
储能的PCS、EMS、BMS，3S之间通讯采用垂直架构，把传统EMS的控制计算功能融合到BMS中，通过BMS来采集电池簇内所有电芯的温度和电压等数据，同时通过BMS来下发执行功率给PCS，实现充电/放电。通过前期已实施项目运行的温度、电压、电流、温升、健康度SOH和环境温度等数据统计，把各种状态下电池簇的最优的充电/放电功率系数曲线存储到BMS中。BMS根据当前采集的电压、温度、健康度SOH和环境温度等查找曲线得出最佳充电/放电功率系数ϴ，进而根据P i =ϴP实时下发对应的充电/放电功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于储能系统充放电的控制装置，其特征在于：包括能量管理系统EMS、电池管理系统BMS、储能变流器PCS，其中：
所述电池管理系统BMS用于实时采集每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据，同时根据每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度查找预先存储的计算得出的多维空间曲线得出最佳充电/放电功率系数ϴ，进而根据P i =ϴP计算出当前实时应下发的最佳充电/放电功率，P是储能系统最大工作功率，总充/总放电电量Q= Ʃt△i*P i ，t△i表示充电或放电的第i个时间段内总小时数，P i表示第i个时间段内的最佳充电或放电功率值，然后在充电或放电第i个时间段内向储能变流器PCS下发最佳充电或放电功率值P i；所述电池管理系统BMS将检测到的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度以及所发最佳充电或放电功率值P i上传给能量管理系统EMS；
所述储能变流器PCS收到电池管理系统BMS发送过来的当前最佳充电或放电功率值P i，按照最佳功率值P i来充电或放电；
所述能量管理系统EMS接收每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度以及最佳充电或放电功率值P i等数据。
2.根据权利要求1所述基于储能系统充放电的控制装置，其特征在于：所述电池管理系统BMS包括三级BMS单元，分别为第一级BMS单元、第二级BMS单元、第三级BMS单元，第一级BMS单元有N个，记为第一级第i个BMS单元，i=1，2，…，N，第一级第i个BMS单元包括n个BMS模块，记为第一级第i个BMS单元第j个BMS模块，j=1，2，…，n，所述第二级BMS单元有N个，记为第二级第i个BMS单元，i=1，2，…，N，其中：
第一级第i个BMS单元第j个BMS模块直接采集第j个电池插箱每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，同时上传给第二级第i个BMS单元；
第一级第i个BMS单元内的所有插箱组成一个电池簇，记为第i个电池簇；
第二级第i个BMS单元获取第一级第i个BMS单元的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，进而得到第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等，根据第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等计算得到第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i，第二级第i个BMS单元将第一级第i个BMS单元集到的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据、第一级第i个电池簇的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据、第一级第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i上传给第三级BMS单元；第三级BMS单元将得到第一级第i个电池簇的最佳充电或放电功率值P i下发给储能变流器PCS。
3.根据权利要求2所述基于储能系统充放电的控制装置，其特征在于：所述电池管理系统BMS设置有削峰填谷控制模块，所述削峰填谷控制模块用于控制电池管理系统BMS充放电操作；所述削峰填谷控制模块设置有谷时段、平时段、峰时段和尖峰时段，根据电池管理系统BMS检测的每颗电芯的电压、温度、健康度SOH和环境温度等数据计算最大充电量或最大放电量，比如在谷时段t△i时间段内的最大充电功率P i，根据Q= Ʃt△i*P i从而得到最大充电量Q充。
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