CN112510743A - 一种储能变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能变流器，包括控制模块、功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块；直流配电模块连接串联电池组；功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块依次连接，交流配电模块连接交流电网；控制模块包括依次连接的DSP单元、ARM单元和FPGA单元；ARM单元与DSP单元实时通信；ARM单元具有BMU通信端口；ARM单元与EMS通信；所述DSP单元与交流配电模块、直流配电模块连接，所述FPGA单元与功率变换模块连接。本发明提高了储能系统的功率密度、降低了系统的复杂程度和系统的硬件成本；内部/外部均采用百兆级高速通信，可实现微秒级故障告警、保护，满足了上位机数据实时性的要求，具备毫秒级功率调度响应的能力。

Description

一种储能变流器
技术领域
本发明涉及电化学储能技术领域，具体涉及一种储能变流器。
背景技术
随着电化学储能技术、工商业储能、电站级储能及相关通信技术的不断发展，一方面需要降低储能系统的成本，获得更高的投资回报率；另一方面需要提高数据的传输速率，进行大数据分析、快速响应上级调度指令。受制于企业规模和研发成本，目前应用于工商业、电站级的储能变流器(PCS)仅具备功率变换功能，电池管理系统(BMS)、高压交/直流配电设备均独立于PCS外置，很多包括断路器、接触器、电压/电流传感器等器件重复使用，增加了系统的硬件成本；为了保证不同厂家设备间通信的兼容性，能量管理系统(EMS)、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、电池管理单元(BMU)等储能系统设备间的通信大多采用传统CAN、RS-485等方式实现，使用J1939、Modbus-RTU等协议。这种数据交互方式严重制约了整个系统数据传输速率及控制速度的提高。
为了解决上述问题，有必要对EMS、PCS、BMS、BMU等储能系统设备进行优化，减少冗余器件/设备数量、提高设备通信速率。
发明内容
针对上述背景技术的阐述，本发明提供一种储能变流器，该储能变流器内置电池管理系统(BMS)和高压交/直流配电功能模块，构建了以储能变流器为核心的储能系统，提高了储能系统整体的功率密度、减少了系统的分立设备数量和硬件成本；采用百兆级高速通信，提高了故障告警/保护的响应速度，满足了后台数据实时性的要求，同时具备毫秒级调度响应的能力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种储能变流器，包括控制模块、功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块；所述直流配电模块连接串联电池组；功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块依次连接，交流配电模块连接交流电网；
所述控制模块包括依次连接的DSP单元、ARM单元和FPGA单元；
其中，所述ARM单元与DSP单元实时通信，用于获取直流电池侧电流数据，计算SOC/SOH；ARM单元具有BMU通信端口，用于获取各BMU的电芯数据并进行控制；ARM单元与EMS通信，用于向EMS上传PCS、BMU的数据，以及获取配置信息；
所述DSP单元与交流配电模块、直流配电模块连接，用于获取电池状态信息，实时调整充放电模式和电流及并网控制；
所述FPGA单元与功率变换模块连接，用于产生的PWM开关信号控制进行功率变换。
作为本发明的进一步改进，所述功率变换模块具有功率器件，FPGA单元产生的PWM开关信号控制功率器件的开通和关断，进行直流电池侧与交流电网侧的功率变换，控制串联储能锂电池组的充放电。
作为本发明的进一步改进，所述交流配电模块具有配电器件；所述直流配电模块具有配电器件。
直流配电模块、交流配电模块与DSP单元连接用于配电控制，并将电压、电流信号送至DSP单元进行并网控制。
作为本发明的进一步改进，所述ARM单元与消防设备通信，用于获取消防设备传感器信号并进行消防控制；通信采用RS-485总线。
作为本发明的进一步改进，所述FPGA单元具有光纤端口用于并机；FPGA单元具有硬件故障信号接收端口；DSP单元具有软件故障信号接收端口。
作为本发明的进一步改进，所述DSP单元、ARM单元和FPGA单元与MCU集成于一个芯片内，或DSP单元、ARM单元和FPGA单元分别采用独立芯片。
作为本发明的进一步改进，所述DSP与ARM单元为集成式芯片，通信采用IPC机构结合共享内存方式，数据交互速率为200Mbit/s。
作为本发明的进一步改进，所述储能变流器采用户外机柜或集装箱安装形式。
作为本发明的进一步改进，所述ARM单元与BMU采用CAN总线形式，CAN-FD通信速率为8Mbit/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的储能变流器，ARM单元实现BMS功能，DSP+FPGA芯片实现储能变流器+交/直流配电功能，优化了能量管理系统(EMS)、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、电池管理单元(BMU)、高压交流/直流配电系统组成的传统工商业/电站储能系统设备组织架构，将PCS、BMS和高压交/直流配电系统合为一体，简化了储能系统结构，减少了交流/直流配电设备的重复配置，降低了系统的复杂程度和硬件成本。改进了储能系统设备间的通信方式，PCS与EMS间的数据通信、调度通信采用百兆级速率独立总线，PCS与BMU之间的通信采用兆级速率工业现场总线。提高了故障告警/保护、设备间数据传输、数据上传的速率以及电站级系统调度指令快速响应的能力，提高了电池充放电/寿命管理的精度，对延长电池寿命、提高电池利用率有明显优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统工商业/电站级储能系统拓扑图；
图2是本发明储能系统拓扑图；
图3是储能变流器详细架构图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2和3所示，本发明一种储能变流器，包括控制模块、功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块；所述直流配电模块连接串联电池组；功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块依次连接，交流配电模块连接交流电网；
所述控制模块包括依次连接的DSP单元、ARM单元和FPGA单元；
其中，所述ARM单元与DSP单元实时通信，用于获取直流电池侧电流数据，计算SOC/SOH；ARM单元具有BMU通信端口，用于获取各BMU的电芯数据并进行控制；ARM单元与EMS通信，用于向EMS上传PCS、BMU的数据，以及获取配置信息；
所述DSP单元与交流配电模块、直流配电模块连接，获取电池状态信息，实时调整充放电模式和电流及并网控制；
所述FPGA单元与功率变换模块连接，用于产生的PWM开关信号控制进行功率变换。
储能变流器(PCS)具备电池管理(BMS)功能、高压交/直流配电功能；采用百兆级数据交互总线实现高速通信。主要由控制模块、功率变换模块、交流配电模块、直流配电模块组成。
控制模块由若干处理器芯片及相应外围器件组成，包含传统PCS控制器的所有功能，并网功率变换控制算法、PWM波功率器件控制、故障处理和保护、并机控制等；还包含有BMS的全部功能，包括电池充放电/寿命管理、SOC/SOH/电池内阻计算、BMU通信、消防设备通信、EMS数据通信/调度通信等。
功率变换模块由IGBT功率器件、电容、电感等功率器件组成，通过控制模块产生的PWM开关信号控制IGBT功率器件的开通和关断，进行直流电池侧与交流电网侧的功率变换，即控制串联储能锂电池组的充放电。
交流配电模块由断路器、接触器、电压/电流传感器、防雷器等配电器件组成，DSP单元负责交流配电控制，替代外置的高压交流配电系统。
直流配电模块由断路器、接触器、电压/电流传感器、熔断器、漏电流传感器等器件组成，DSP单元负责直流配电控制，替代外置的高压直流配电系统。
该储能变流器主要的通信功能包括控制模块内部芯片级通信、多台储能变流器并机通信、与EMS通信、BMU通信、消防/传感器设备通信。
其中，电池管理BMS模块具备锂电池组充放电/寿命管理、SOC/SOH/电池内阻计算、能量管理系统(EMS)数据通信/调度通信、电池管理单元(BMU)通信、机柜消防设备通信的功能；高压交/直流配电功能通过PCS内置的接触器、断路器、熔断器等器件配合软件逻辑实现。
PCS内置的BMS模块，其功能包括但不限于锂电池组充放电/寿命管理、SOC/SOH/电池内阻计算、BMU通信、消防设备通信、EMS数据通信/调度通信等电池管理系统应具备的基本功能。
BMS与EMS间的数据通信、调度通信，根据应用场景的差异，包括但不限于分别采用两条总线以提高通信速率或共用一条总线以降低产品成本。
PCS内置的高压交/直流配电功能，接触器、断路器、熔断器等配电设备亦可通过PCS引出接触器控制节点，配电设备外置的方式实现。
控制系统采用DSP+ARM+FPGA的三核心架构，包括但不限于MCU、DSP、ARM、FPGA若干核心集成于一个芯片内，或DSP、ARM、FPGA采用独立芯片的方式。
储能变流器包括但不限于户外机柜以及集装箱安装形式，直流电池侧采用锂电池电芯串联的形式，典型直流总电压为DC950V～1500V，应用场景为工商业储能及电站级储能。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
根据图1所示，传统工商业/电站级储能系统中，PCS与BMS采用两套独立设备，分别受EMS管理和调度；高压交流配电装置/直流配电装置独立配置于PCS外；考虑不同厂家设备间通信的兼容性，采用传统低速通信方式。
根据图2所示，本发明的储能变流器，将BMS、交流配电装置、直流配电装置功能模块化内置于PCS中，同时优化了与EMS、BMU的通信方式和通信速率。
根据图3所示，本发明提出的一种储能变流器，控制模块采用ARM+DSP+FPGA三核心芯片的架构，ARM芯片实现BMS功能，DSP+FPGA芯片实现储能变流器+交/直流配电功能，一个典型的实施例为采用DSP与ARM单元集成式芯片，通信采用IPC机构结合共享内存的方式，数据交互速率为200Mbit/s。DSP与FPGA芯片的通信采用高速串行接口(FSI)通信方式，通信速率同样可达200Mbit/s。
通过ARM单元与DSP单元的高速实时通信，获取直流电池侧电流数据，极大地提高了SOC/SOH计算的精度；DSP单元通过高速通信获取电池电量、温度等状态信息，实时调整充放电模式和电流，高效地利用电池电量，延长了电池的使用寿命。
ARM单元与BMU的通信，主要功能为获取各BMU的数百节电芯电压、温度、内阻等大量数据，以及实现主动均衡、风机调速等控制功能。考虑到可靠性和实际应用情况，使用基于CAN总线的升级形式，CAN-FD通信，数据通信速率为8Mbit/s。
ARM单元与消防设备通信，用于获取消防设备传感器信号，实现消防控制。考虑到兼容性和可靠性，采用RS-485总线，兼容不同厂家的消防设备。
ARM单元与EMS的数据通信，用于向EMS上传PCS、BMU的数据，以及获取配置信息等功能。考虑到高速率、可靠性的要求，采用工业以太网进行数据传输，通信速率为100Mbit/s。
ARM单元与EMS的调度通信，主要功能为快速响应上级的功率调度指令，以实现毫秒级电站调度需求。为满足该特性，可采用以太网控制自动化技术(EtherCAT)或光纤技术(FPC)进行调度通信，通信速率为100Mbit/s。
直流配电模块、交流配电模块的配电控制由DSP单元实现，同时模块中的电压、电流传感器将电压、电流信号送至DSP单元，以实现储能变流器并网控制。
功率变换模块中的IGBT开关器件，受FPGA单元产生的PWM开关信号控制，实现功率变换。
FPGA单元使用光纤作为传输介质，实现PCS高速并机功能。
FPGA单元接收硬件故障信号，实现硬件故障快速保护；DSP单元接收软件故障信号，实现软件故障的分析和保护。
直流配电模块连接串联锂电池组，电压范围DC950V～1500V。
交流配电模块连接交流电网，电压等级为AC800V。
综上所述，本发明储能变流器内置电池管理系统功能，具备数百节串联锂电池电芯充放电/寿命管理、SOC/SOH/电池内阻计算、电池管理单元(BMU)通信、机柜消防设备通信、能量管理系统(EMS)数据通信/调度通信等功能；该储能变流器内置高压交/直流配电功能，无需在储能变流器外部额外配置高压交直流断路器/接触器及电压、电流传感器；该储能变流器控制器核心芯片间数据交互达到百兆级通信速率，储能变流器与能量管理系统数据通信、调度通信采用两条独立的通信总线，通信速率均达到百兆级。
本发明相较于传统储能系统各设备独立运作成本高、效率低，通过将电池管理系统、高压交/直流配电功能内置于储能变流器中，提高了储能系统的功率密度、降低了系统的复杂程度和系统的硬件成本；内部/外部均采用百兆级高速通信，可实现微秒级故障告警、保护，满足了上位机数据实时性的要求，具备毫秒级功率调度响应的能力。
以上披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种储能变流器，其特征在于，包括控制模块、功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块；所述直流配电模块连接串联电池组；功率变换模块、交流配电模块和直流配电模块依次连接，交流配电模块连接交流电网；
所述控制模块包括依次连接的DSP单元、ARM单元和FPGA单元；
其中，所述ARM单元与DSP单元实时通信，用于获取直流电池侧电流数据，计算SOC/SOH；ARM单元具有BMU通信端口，用于获取各BMU的电芯数据并进行控制；ARM单元与EMS通信，用于向EMS上传PCS、BMU的数据，以及获取配置信息；
所述DSP单元与交流配电模块、直流配电模块连接，用于获取电池状态信息，实时调整充放电模式和电流及并网控制；
所述FPGA单元与功率变换模块连接，用于产生的PWM开关信号控制进行功率变换。
2.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述功率变换模块具有功率器件，FPGA单元产生的PWM开关信号控制功率器件的开通和关断，进行直流电池侧与交流电网侧的功率变换，控制串联储能锂电池组的充放电。
3.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述交流配电模块具有配电器件；所述直流配电模块具有配电器件；
直流配电模块、交流配电模块与DSP单元连接用于配电控制，并将电压、电流信号送至DSP单元进行并网控制。
4.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述ARM单元与消防设备通信，用于获取消防设备传感器信号并进行消防控制；通信采用RS-485总线。
5.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述FPGA单元具有光纤端口用于并机；FPGA单元具有硬件故障信号接收端口；DSP单元具有软件故障信号接收端口。
6.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述DSP单元、ARM单元和FPGA单元与MCU集成于一个芯片内，或DSP单元、ARM单元和FPGA单元分别采用独立芯片。
7.根据权利要求6所述的一种储能变流器，其特征在于，所述DSP与ARM单元为集成式芯片，通信采用IPC机构结合共享内存方式，数据交互速率为200Mbit/s。
8.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述储能变流器采用户外机柜或集装箱安装形式。
9.根据权利要求1所述的一种储能变流器，其特征在于，所述ARM单元与BMU采用CAN总线形式，CAN-FD通信速率为8Mbit/s。
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