CN112671016B - 一种基于模块化的移动储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模块化的移动储能系统，属于移动储能技术领域，该系统包括：依次连接的储能电池、直流矩阵开关模块和逆变模块，直流矩阵开关模块包括第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线；第一直流母线的直流输入支路连接储能电池，第二直流母线的直流输出支路连接逆变模块，第三直流母线的直流输入支路连接有整流模块；逆变模块的输出端连接有交流矩阵开关模块，该模块的输出端连接有整流模块，交流矩阵开关模块还连接有交流接口模块，用于连接交流电网或交流负载。本发明利用直流矩阵开关模块中的各开关切换控制，能够进行并网运行工况、离网运行工况、直流电源工况和移动充电站运行工况等的模式切换，能够满足多个应用场景需求。

Description

一种基于模块化的移动储能系统

技术领域

本发明属于移动储能技术领域，具体涉及一种基于模块化的移动储能系统。

背景技术

移动储能电源应用场景非常广泛，例如，在电力紧缺地区可用于电网临时增容；或者，在大型活动、会展中心可作为应急电源；或者，在抢险救灾、工程作业、建筑施工、影视拍摄等场景可作为临时供电电源。但是，目前移动储能系统的电路设计还比较简单，只能满足单个场景或两个场景的应用需求，在多个应用场景需求下，需要配置不同类型的移动储能电源，成本较高，无法实现多功能和通用化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模块化的移动储能系统，用于解决现有移动储能系统适用的场景功能单一，无法适用多场景需求的问题。

基于上述目的，一种基于模块化的移动储能系统技术方案如下：

包括依次连接的储能电池、直流矩阵开关模块和逆变模块，其中，直流矩阵开关模块包括第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线，每两条直流母线之间通过直流母线联络开关相连接；

第一直流母线上连接有第一直流输入支路，该支路中串设有开关和输入端口，该输入端口与所述储能电池连接；第二直流母线上连接有第二直流输出支路，该支路中串设有开关和输出端口，该输出端口与所述逆变模块连接；第三直流母线上连接有第三直流输入支路和第三直流输出支路，第三直流输入支路中串设有开关和输入端口，该输入端口连接有整流模块；第三直流输出支路中串设有开关和输出端口，该输出端口连接有直流接口模块，用于连接直流电网或直流负载；

所述逆变模块的输出端连接有交流矩阵开关模块，该交流矩阵开关模块的输出端连接所述的整流模块，所述的交流矩阵开关模块还连接有交流接口模块，用于连接交流电网或交流负载。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的移动储能系统，利用直流矩阵开关模块中的各开关切换控制，能够进行并网运行工况、离网运行工况、直流电源工况和移动充电站运行工况的模式切换，能够满足多个应用场景需求；并且，与现有技术中多个应用场景需配套多个储能系统相比，本发明的移动储能系统能够节省大量成本，产生的经济效益较明显，非常适合在市场上进行推广应用。

进一步的，当储能电池的输出电压和逆变模块的输入电压的范围不匹配时，为了实现电压变换，所述的第一直流母线上还连接有第一直流输出支路，第一直流输出支路上串设有开关和输出端口；所述的第二直流母线上还连接有第二直流输入支路，第二直流输入支路上串设有开关和输入端口；所述的移动储能系统还包括直流电压变换模块，直流电压变换模块的输入端与所述第一直流输出支路的输出端口连接，直流电压变换模块的输出端与所述第二直流输入支路的输入端口连接。

进一步的，为了实现储能系统的不间断电源工况，所述的交流矩阵开关模块包括第一交流母线和第二交流母线，第一交流母线通过交流母线联络开关连接第二交流母线，所述的第一交流母线上连接有第一交流输入支路，该支路串设有开关和输入端口，该端口连接有第一交流接口模块，第一交流接口模块用于连接交流电网；所述的第一交流母线上还连接有第一交流输出支路，该支路串设有开关和输出端口，该端口连接所述整流模块；

所述的第二交流母线上连接有第二交流输入支路，该支路串设有开关和输入端口，该端口连接所述逆变模块；所述的第二交流母线上还连接有第二交流输出支路，该支路串设有开关和输出端口，该端口连接有第二交流接口模块，第二交流接口模块用于连接交流负载。

该交流矩阵开关模块，能够使储能系统同时连接交流电源和交流负载，实现储能系统的不间断电源工况，并且，通过切换相应开关，也能实现储能系统的离网运行工况。

进一步的，为了实现储能系统的离网运行工况，所述的交流矩阵开关模块包括交流母线，该母线上分别连接有第一交流输入支路、第一交流输出支路和接口支路，其中，第一交流输入支路用于连接所述逆变模块，第一交流输出支路用于连接所述整流模块，接口支路用于连接交流电源或交流负载。

附图说明

图1是本发明实施例中基于模块化的移动储能系统电路结构示意图；

图2是本发明实施例中的直流矩阵开关模块的电路原理图；

图3是本发明实施例中的交流矩阵开关模块的电路原理图；

图4是本发明实施例中的交、直流矩阵开关模块和系统中各模块的连接图；

图5是本发明实施例中实现的储能系统并网运行工况的系统结构图；

图6是本发明实施例中实现的储能系统离网运行工况的系统结构图；

图7是本发明实施例中实现的不间断电源运行工况的系统结构图；

图8是本发明实施例中实现的直流电源工况的系统结构图；

图9是本发明实施例中实现的移动充电站工况的系统结构图；

图10为本发明实施例中的另一种移动储能系统的结构示意图；

图1中的标号说明如下：

1，储能电池；2，直流矩阵开关模块；3，逆变模块；4，交流矩阵开关模块；5，直流电压变换模块；6，交流接口模块；7，整流模块；8，直流接口模块；

图2中的标号说明如下：

21，第一直流母线；22，第二直流母线；23，第三直流母线；241、242、243，直流母线联络开关；

图3中的标号说明如下：

41第一交流母线，；42，第二交流母线；43，交流母线联络开关；

图4中的标号说明如下：

211、212、221、222、231、232，直流接口模块中的开关；241、242、243，直流母线联络开关；411、、412、421、422，交流接口模块中的开关；43，交流母线联络开关；

图10中的标号说明如下：

211、212、221、222、231、232，直流接口模块中的开关；241、242、243，直流母线联络开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本实施例提出一种基于模块化的移动储能系统，如图1所示，该系统包括：储能电池1、直流矩阵开关模块2、交流矩阵开关模块4、逆变模块3、整流模块7、直流电压变换模块5、直流接口模块8和交流接口模块6。

其中，直流矩阵开关模块2具有多个电气一次输入输出连接端口。储能电池1、整流模块7、直流电压变换模块5的电气输出端口分别连接至直流矩阵开关模块2的多个输入端口，直流矩阵开关模块2的多个输出端口则分别连接至直流接口模块8、逆变模块3、直流电压变换模块5的输入端口。

类似的，交流矩阵开关模块4具有多个电气一次输入输出连接端口。逆变模块3的输出端口连接交流矩阵开关模块4的输入端口，交流矩阵4的多个输入端口分别连接至直流模块7和交流接口模块6的输入端口。

具体的，直流矩阵开关模块2的电路如图2所示，该电路包括：第一直流母线21、第二直流母线22、第三直流母线23，每两个直流母线之间连接有直流母线联络开关，即第一直流母线21通过直流母线联络开关241与第二直流母线22连接，第二直流母线22通过直流母线联络开关242与第三直流母线23连接，第三直流母线23通过直流母线联络开关243与第一直流母线21连接。各直流母线的连接关系如下：

第一直流母线21，用于向储能电池1提供电气一次输入端口，并且向直流电压变换模块5提供电气一次输出端口。具体的，第一直流母线21上连接有第一直流输入支路，该支路上设有开关21和输入端口In1，第一直流母线21上还连接有第一直流输出支路，该支路上设有开关21和输出端口01。

第二直流母线22，用于向直流电压变换模块5提供电气一次输入端口，并且向逆变模块3提供电气一次输出端口。具体的，第二直流母线上22连接有第二直流输入支路，该支路上串设有开关22和输入端口In2，第二直流母线22上还连接有第二直流输出支路，该支路上串设有开关22和输出端口02。

第三直流母线23，用于向整流模块7提供电气一次输入端口，并且向直流接口模块8提供电气一次输出端口。具体的，第三直流母线23上连接有第三直流输入支路，该支路中串设有开关23和输入端口In3，第三直流母线23上还连接有第三直流输出支路，该支路中串设有开关23和输出端口03。

交流矩阵开关模块4的电路如图3所示，该电路包括：第一交流母线41、第二交流母线42，两个交流母线之间通过交流母线联络开关43相连接。其中，第一交流母线用于向整流模块7提供交流电气一次输出端口01，并且向交流接口模块6提供电气一次输入端口In1；第二交流母线用于向逆变模块3提供交流电气一次输入端口In2，并且向交流接口模块6提供电气一次输出端口02。

直流矩阵开关模块2、交流矩阵开关模块4的各端口与其他各模块之间的具体连接关系如图4所示，图中的交流矩阵开关模块4配置有两个交流接口模块，分别为“交流接口1”和“交流接口2”，设置两个交流接口模块的目的在于，用于连接移交流电网，也可用于连接交流负载，使储能系统与电网连接的同时，还可以为负载提供交流电源，电网故障时，不影响储能系统继续为负载供电。

本实施例中，直流接口模块8用于连接直流电网，也可用于连接直流负载，还可用于连接电动车辆，由移动储能系统为电动车辆充电。并且，图4中的移动储能系统配置了一个直流接口模块8，作为其他实施方式，也可配置多个直流接口模块8，若要实现多个接口模块的独立电压输出，则相应地应配置多个第三直流母线和多个整流模块，通过直流母线联络开关分别与第一直流母线和第二直流母线相连。

本实施例中，储能电池1作为储能系统的能量载体，可以选用锂离子电池、铅碳电池或铅酸电池，电池串并联成组后的直流母线电压范围与整流模块7的输出电压范围一致。

本实施例中，逆变模块3用于将直流电变换成交流电，逆变模块3的输入直流电压范围与直流电压变换模块5的输出电压一致，输出交流电压幅值、频率与电网电压或交流负载需求电压一致。

本实施例中，直流电压变换模块5用于连接直流矩阵开关模块2的第一直流母线和第二直流母线，当两端母线电压不一致时，该模块用于在两个母线段之间变换电压传递能量。当两段母线电压一致时，则该模块可以取消，通过闭合直流母线联络开关241，两段母线直接相连。

对于图4中的移动储能系统，只需要根据应用需求和模块特性，对交直流矩阵开关模块进行开闭控制，即可实现不同的系统功能。下面举例说明储能系统中各功能的控制实现过程：

(1)并网运行工况

闭合直流矩阵开关模块2中的开关211、212、221、222，和交流矩阵开关模块4中的开关421、43、411，矩阵开关模块中的剩余其他开关断开，可实现并网运行工况，该工况对应为图5所示的系统连接方式，储能电池1的直流输出的电压，经过直流电压变换模块5进行变换，使其电压与逆变模块3的输入电压匹配，经逆变模块3后，将直流电变换成交流电，经交流接口模块6(指的是图4中的“交流接口1”)与电网连接，实现移动储能系统与电网的并网运行，用于供电紧张时为电网临时增容，缓解电网供电压力。

本步骤中，实现该并网运行工况的直流变换模块不是必须的，当储能电池1的输出电压与逆变模块3的输入电压范围一致时，可以断开开关212和221，直接闭合直流母线联络开关241，将电池直流输出与逆变模块直流输入直接相连。

(2)离网运行工况

闭合直流矩阵开关模块2中的开关211、212、221、222，和交流矩阵开关模块4中的开关421、422，矩阵开关模块中的剩余其他开关断开，可实现离网运行工况，该工况对应为图6所示的系统连接方式，储能电池的直流输出电压经直流变换模块变换到与逆变模块的输入电压匹配，经逆变模块将直流电变换成交流电，经交流接口模块与负载相连，实现移动储能系统的离网运行，对负载直接供电，用于抢险救灾、野外勘探、工程作业等不具备电网接入条件的临时供电场合。实现该功能其中直流变换模块不是必须的，电池输出电压与逆变输入电压范围一致时，可以断开开关212和221，直接闭合开关241，将电池直流输出与逆变模块直流输入直接相连。

(3)不间断电源运行工况

闭合直流矩阵开关模块2中的开关211、231、242、243、222，和交流矩阵开关模块4中的开关411、412、421、422，交、直流矩阵开关模块中的剩余其他开关断开，可实现不间断电源运行工况，该工况对应为图7所示的系统连接方式。其中，整流模块7从电网取电，变换成直流电，并给储能电池1充电，逆变模块3从整流模块7和储能电池1取电，并变换成交流电，通过交流接口模块6(指的是图4中的“交流接口2”)向重要负荷供电。但电网出现故障时，整流模块退出运行，逆变模块从电池取电，继续向负荷供电，实现对负荷的不间断供电。

(4)直流电源工况

闭合直流矩阵开关模块2中的开关211、212、221、242和232，断开直流矩阵开关模块2和交流矩阵开关模块4的其他开关，可实现直流电源工况，该工况对应为图8所示的系统连接方式。储能电池1经直流电压变换模块5和直流接口模块8直接向直流负载或电网供电。

(5)移动充电站工况

闭合直流矩阵开关模块2中的开关211、241、222、231、232，和交流矩阵开关模块4中的开关421、43、412，断开直流矩阵开关模块2和交流矩阵开关模块4的其他开关，配合充电枪线，可实现图9所示的移动充电站工况。储能电池1中的直流电能经逆变和整流后，为电动车辆充电。

本发明的移动储能系统，具有的优点如下：

1)多功能和通用化，即利用直流矩阵开关模块和交流矩阵开关模块中的各开关切换控制，能够进行并网运行工况、离网运行工况、不间断电源运行工况、直流电源工况和移动充电站运行工况的模式切换；

2)在移动充电站运行工况下，移动储能系统与充电桩技术结合，还可以为电动车辆提供紧急充电救援服务或在土地、电力配电条件不足的地方建设充电站；

3)经济效益高，与现有技术中多个应用场景需配套多个储能系统相比，本发明只需要一个移动储能系统，就能够适用于多个应用场景的需求，能够节省大量成本，产生的经济效益较明显，非常适合在市场上进行推广应用。

本实施例中，交流矩阵开关模块4配置有两个交流接口模块，作为其他实施方式，交流接口模块可以配置一个，如图10所示，根据应用需求，将交流接口模块连接至电网或负载，实现并网运行工况或离网运行工况，向电网或负载提供交流电源。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于模块化的移动储能系统，其特征在于，包括依次连接的储能电池、直流矩阵开关模块和逆变模块，其中，直流矩阵开关模块包括第一直流母线、第二直流母线和第三直流母线，每两条直流母线之间通过直流母线联络开关相连接；

第一直流母线上连接有第一直流输入支路，该支路中串设有开关和输入端口，该输入端口与所述储能电池连接；第二直流母线上连接有第二直流输出支路，该支路中串设有开关和输出端口，该输出端口与所述逆变模块连接；第三直流母线上连接有第三直流输入支路和第三直流输出支路，第三直流输入支路中串设有开关和输入端口，该输入端口连接有整流模块；第三直流输出支路中串设有开关和输出端口，该输出端口连接有直流接口模块，用于连接直流电网或直流负载；

所述逆变模块的输出端连接有交流矩阵开关模块，该交流矩阵开关模块的输出端连接所述的整流模块，所述的交流矩阵开关模块还连接有交流接口模块，用于连接交流电网或交流负载；

所述的交流矩阵开关模块包括第一交流母线和第二交流母线，第一交流母线通过交流母线联络开关连接第二交流母线，所述的第一交流母线上连接有第一交流输入支路，该支路串设有开关和输入端口，该端口连接有第一交流接口模块，第一交流接口模块用于连接交流电网；所述的第一交流母线上还连接有第一交流输出支路，该支路串设有开关和输出端口，该端口连接所述整流模块；

所述的第二交流母线上连接有第二交流输入支路，该支路串设有开关和输入端口，该端口连接所述逆变模块；所述的第二交流母线上还连接有第二交流输出支路，该支路串设有开关和输出端口，该端口连接有第二交流接口模块，第二交流接口模块用于连接交流负载。

2.根据权利要求1所述的基于模块化的移动储能系统，其特征在于，所述的第一直流母线上还连接有第一直流输出支路，第一直流输出支路上串设有开关和输出端口；所述的第二直流母线上还连接有第二直流输入支路，第二直流输入支路上串设有开关和输入端口；所述的移动储能系统还包括直流电压变换模块，直流电压变换模块的输入端与所述第一直流输出支路的输出端口连接，直流电压变换模块的输出端与所述第二直流输入支路的输入端口连接。