CN112769244A - 一种利用退役电池组的混合型储能系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用退役电池组的混合型储能系统及其控制方法,其包括:最小储能系统、退役电池组和双向电源变换器;最小储能系统包括功率变换单元、能量管理单元和储能电池组;功率变换单元的直流侧分别与储能电池组的输出以及双向电源变换器的高压侧相连,功率变换单元的交流侧作为混合型储能系统的输出端并入用户侧电网;双向电源变换器的低压侧与退役电池组的输出相连,用于在混合型储能系统的不同工作模式中对退役电池组进行充电或放电管理;能量管理单元用于根据用户侧电网负载功率需求以及退役电池组和储能电池组的电量状态,决定混合型储能系统的工作模式为“放电模式”或“充电模式”。本发明可以广泛应用于储能系统设计领域。

Description

一种利用退役电池组的混合型储能系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种利用退役电池组的混合型储能系统及其控制方法,属于储能系统技术领域。
背景技术
近年来,动力电池退役潮的到来,使得退役动力电池梯次利用越来越被相关行业重视。
然而,由于动力电池的生产企业、生产批次不同,退役前的电池使用工况不同,退役电池组的性能差别较大。一方面,通常而言,退役电池只能拆解到模组层面,而以模组为基本单元的退役电池分选重组不能解决电池单体的性能一致性;另一方面,单纯以退役电池组成的大容量储能电池组难以保证储能系统的可靠性与耐久性。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种利用退役电池组的混合型储能系统及其控制方法,有效提高了储能系统的可靠性与耐久性。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:
本发明的第一个方面,是提供一种利用退役电池组的混合型储能系统,其包括:最小储能系统、退役电池组和双向电源变换器;
所述最小储能系统包括功率变换单元、能量管理单元和储能电池组;
所述功率变换单元的直流侧分别与所述储能电池组的输出以及所述双向电源变换器的高压侧相连,所述功率变换单元的交流侧作为混合型储能系统的输出端,用于将所述双向电源变换器和储能电池组输出的电能转换为AC380V的电压后经变电站输出到用户侧电网;
所述双向电源变换器的低压侧与所述退役电池组的输出相连,用于在混合型储能系统的不同工作模式中对退役电池组进行充电或放电管理;
所述能量管理单元用于根据用户侧电网负载功率需求以及所述退役电池组和储能电池组的电量状态,决定混合型储能系统的工作模式为“放电模式”或“充电模式”。
进一步,所述能量管理单元通过CAN网络与所述功率变换单元、储能电池组、退役电池组和双向电源变换器实现通讯。
进一步,所述退役电池组和双向电源变换器的数量为一个以上,各所述退役电池组的输出分别与各所述双向电源变换器的低压侧相连,各所述双向电源变换器的高压侧均与所述功率变换单元的直流侧相连,且各所述退役电池组和双向电源变换器均由所述能量管理单元通过CAN网络控制。
本发明的第二个方面,是提供一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其包括以下步骤:
1)能量管理单元通过CAN通讯网络对电网负载功率需求以及退役电池组、储能电池组的电量状态进行采集;
2)能量管理单元根据采集数据,确定混合型储能系统的工作模式,当工作模式为“放电模式”时,进入步骤3),当工作模式为“充电模式”时,进入步骤4);
3)在“放电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器高压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行放电;
4)在“充电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器低压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行充电。
进一步,所述步骤3)中,在“放电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器高压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行放电时,包括三个阶段:
第一阶段:能量管理单元控制储能电池组开始放电,此时退役电池组不放电;
第二阶段:当储能电池组放电至其输出电压低于第一预设电压值后,双向电源变换器工作在“恒压-限流”模式,控制退役电池组开始放电,使得双向电源变换器的输出电压为第一预设电压,输出电流不大于第一预设最大放电电流;
第三阶段:当退役电池组的荷电状态下降到10%时,能量管理单元关闭双向电源变换器,同时使得退役电池组不再放电,并根据实际需求控制储能电池组继续放电或关闭。
进一步,所述第一预设电压值为储能电池组荷电状态为80%的端电压。
进一步,所述第一预设最大放电电流为退役电池组的0.3C放电倍率对应的电流。
进一步,所述步骤4)中,在“充电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器低压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行充电的过程为:
用户侧电网AC380V经功率变换单元整流后,直接给储能电池组充电;同时,经双向电源变换器降压后对退役电池组进行受控充电,此时双向电源变换器低压侧工作在“恒压-限流”模式,且双向电源变换器的输出电压为第二预设电压,输出电流不大于第二预设最大放电电流。
进一步,所述第二预设电压设定为退役电池组荷电状态为100%时的端电压。
进一步,所述第二预设最大放电电流设定为所述退役电池组0.3C充电电流。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明采用退役电池组构成混合型储能系统,并利用双向电源变换器对退役电池组进行“受控小电流”的方式充电放电,增大了整个储能系统的总容量,降低了单位容量的系统成本。2、本发明中设置的退役电池组处于受控的持续小电流充放电状态、不直接响应外部电网负载的剧烈波动,提高了退役电池组和储能电池组的耐久性。因此,本发明可以广泛应用于储能系统技术领域。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的利用退役电池组的混合型储能系统结构图;
图2是本发明实施例中混合型储能系统的输出特性图,其中,图2(a)为DCDC/升压输出特性;图2(b)为DCDC/降压输出特性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种利用退役电池组的混合型储能系统,该系统中,退役电池的梯次利用以小容量为主,“受控小电流”方式充电放电,对于混合型储能系统而言,退役电池组做为一个“能量补充”单元。因此,在增大了整个储能系统的总容量的同时,降低了单位容量的系统成本。
如图1所示,本发明提供的一种利用退役电池组的混合型储能系统,其包括最小储能系统、退役电池组和双向DC/DC(双向电源变换器)。其中,最小储能系统包括PCS(功率变换单元)、EMS(能量管理单元)和储能电池组;PCS的直流侧分别与储能电池组的输出以及双向DC/DC的高压侧相连,PCS的交流侧作为混合型储能系统的输出端,用于将双向DC/DC和储能电池组输出的电能转换为AC380V的电压后经变电站输出到用户侧电网;双向DC/DC的低压侧与退役电池组的输出相连,用于在混合型储能系统的不同工作模式中对退役电池组进行充电或放电管理;EMS用于根据用户侧电网的负载功率需求以及退役电池组、储能电池组的电量状态,决定混合型储能系统的工作模式为“放电模式”或“充电模式”。
进一步,EMS通过CAN网络与PCS、储能电池组、各退役电池组和各双向DC/DC实现通讯。
进一步,退役电池组和双向DC/DC的数量为一个以上,其中,各退役电池组的输出分别与各双向DC/DC的低压侧相连,各双向DC/DC的高压侧均与PCS的直流侧相连,且各退役电池组和双向DC/DC均由EMS通过CAN网络控制。
基于上述利用退役电池组的混合型储能系统,本发明还提供一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,包括以下步骤:
1)EMS通过CAN通讯网络对用户侧电网的负载功率需求以及退役电池组、储能电池组的电量状态进行采集。
2)EMS根据采集数据,确定混合型储能系统的工作模式,当工作模式为“放电模式”时,进入步骤3),当工作模式为“充电模式”时,进入步骤4)。
本发明提出的混合型储能系统主要用于商业/生活社区、工矿企业等,可以称为用户负载,AC380V。使用时,将本发明提出的混合型储能系统与用户负载并联,经变电站接到用户侧电网。在整个过程中,“混合型储能系统+用户负载”也即用户侧电网是外部电网的“净负载”。由于采用了混合型储能系统,减小了对外部电网的功率需求波动,同时降低了对外部电网的峰电价电能需求和用户用电成本。
工作时,本发明提出的混合型储能系统不经过变电站向电网输送电能。它根据变电站功率容量Pb、“用户负载”消耗电功率大小Py以及峰谷电价时间段,决定自身的工作模式。典型情况如下:
(1)处于谷电价格时间段Tg(包括夜间或白天的某些时间段),且用户负载小于预设值时,混合型储能系统为充电模式,功率为Pc
具体控制算法为:t∈Tg,Py<kgPb,Pc=kc(Pb-Py)整定到恒定功率,其中,kg和kc均为预设比例系数。
例如:变电站容量Pb为1MW,在谷电价格时间段,用户负载低于100kw时,混合型储能系统以400kW功率充电。
(2)处于白天的峰电价格时间段Tf,用户负载大于预设值时,混合型储能系统采用放电模式。
具体控制算法为:t∈Tf,Py>kfPb,Pc=kcPy整定到恒定功率。
举例:在峰电价时间段,用户负载高于500kw时,储能系统以200kW功率放电。
严格地,应该根据应用系统的负载特征、储能系统的参数匹配,决定控制算法。这是具体的工程应用问题,本发明在此不再赘述。
3)在“放电模式”下,EMS对双向DC/DC高压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行放电。
具体地,在“放电模式”下,EMS控制双向DC/DC高压侧输出“恒压-限流”特性,此时,双向DC/DC的输出电压为第一预设电压U1,且输出电流小于第一预设最大放电电流Im1。优选地,第一预设电压U1设定为储能电池组荷电状态(SOC)为80%的端电压;第一预设最大放电电流Im1设定为退役电池组预设放电倍率。其中,预设放电倍率根据应用系统的负载特征、储能系统的参数匹配,放电电流太大或太小都不好,本发明将预设放电倍率设定为0.3C,有利于退役电池的高效利用(及时放完电)、降低放电过程发热量、提高耐久性。
此时的放电过程分为三个阶段:
第一阶段:EMS控制储能电池组开始放电,此时退役电池组不放电;
第二阶段:当储能电池组放电至SOC低于80%以后,退役电池组开始放电,EMS控制双向DC/DC工作在“恒压-限流”模式,并使得双向DC/DC的输出电压为U1,输出电流不大于最大放电电流Im1
第三阶段:当退役电池组SOC下降到10%时,EMS关闭双向DC/DC,使得退役电池组不再放电,此时储能电池组根据EMS控制继续放电或关闭。
4)在“充电模式”下,EMS对双向电源变换器低压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行充电。
具体地,在“充电模式”下,EMS控制双向DC/DC低压侧输出“恒压-限流”特性,此时,退役电池组的输出电压为第二预设电压U2,且输出电流小于第二预设最大放电电流Im2。优选地,第二预设电压U2设定为退役电池组SOC为100%时的端电压;第二预设最大放电电流Im2设定为退役电池组的预设放电倍率,本发明中优选为0.3C。
此时的充电过程为:用户侧电网AC380V经PCS整流后,直接给储能电池组充电;同时,经双向DC/DC降压后对退役电池组进行受控充电,此时双向DC/DC低压侧工作在“恒压-限流”模式,使得双向DC/DC的输出电压为U2,输出电流不大于Im2
上述各实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种利用退役电池组的混合型储能系统,其特征在于,包括:最小储能系统、退役电池组和双向电源变换器;
所述最小储能系统包括功率变换单元、能量管理单元和储能电池组;
所述功率变换单元的直流侧分别与所述储能电池组的输出以及所述双向电源变换器的高压侧相连,所述功率变换单元的交流侧作为混合型储能系统的输出端,用于将所述双向电源变换器和储能电池组输出的电能转换为AC380V的电压后经变电站输出到用户侧电网;
所述双向电源变换器的低压侧与所述退役电池组的输出相连,用于在混合型储能系统的不同工作模式中对退役电池组进行充电或放电管理;
所述能量管理单元用于根据用户侧电网负载功率需求以及所述退役电池组和储能电池组的电量状态,决定混合型储能系统的工作模式为“放电模式”或“充电模式”。
2.如权利要求1所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统,其特征在于:所述能量管理单元通过CAN网络与所述功率变换单元、储能电池组、退役电池组和双向电源变换器实现通讯。
3.如权利要求1所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统,其特征在于:所述退役电池组和双向电源变换器的数量为一个以上,各所述退役电池组的输出分别与各所述双向电源变换器的低压侧相连,各所述双向电源变换器的高压侧均与所述功率变换单元的直流侧相连,且各所述退役电池组和双向电源变换器均由所述能量管理单元通过CAN网络控制。
4.一种如权利要求1~3任一项所述利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)能量管理单元通过CAN通讯网络对电网负载功率需求以及退役电池组、储能电池组的电量状态进行采集;
2)能量管理单元根据采集数据,确定混合型储能系统的工作模式,当工作模式为“放电模式”时,进入步骤3),当工作模式为“充电模式”时,进入步骤4);
3)在“放电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器高压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行放电;
4)在“充电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器低压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行充电。
5.如权利要求4所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,所述步骤3)中,在“放电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器高压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行放电时,包括三个阶段:
第一阶段:能量管理单元控制储能电池组开始放电,此时退役电池组不放电;
第二阶段:当储能电池组放电至其输出电压低于第一预设电压值后,双向电源变换器工作在“恒压-限流”模式,控制退役电池组开始放电,使得双向电源变换器的输出电压为第一预设电压,输出电流不大于第一预设最大放电电流;
第三阶段:当退役电池组荷电状态下降到10%时,能量管理单元关闭双向电源变换器,同时使得退役电池组不再放电,并根据实际需求控制储能电池组继续放电或关闭。
6.如权利要求5所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,所述第一预设电压值为储能电池组荷电状态为80%的端电压。
7.如权利要求5所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,所述第一预设最大放电电流为退役电池组的0.3C放电倍率对应的电流。
8.如权利要求4所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,所述步骤4)中,在“充电模式”下,能量管理单元对双向电源变换器低压侧的输出特性进行设置,使得储能电池组和退役电池组在受控状态下进行充电的过程为:
用户侧电网AC380V经功率变换单元整流后,直接给储能电池组充电;同时,经双向电源变换器降压后对退役电池组进行受控充电,此时双向电源变换器低压侧工作在“恒压-限流”模式,且双向电源变换器的输出电压为第二预设电压,输出电流不大于第二预设最大放电电流。
9.如权利要求8所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,所述第二预设电压设定为退役电池组荷电状态为100%时的端电压。
10.如权利要求8所述的一种利用退役电池组的混合型储能系统的控制方法,其特征在于,所述第二预设最大放电电流设定为所述退役电池组0.3C充电电流。
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