CN112787357A - 一种双储能工作系统及其工作方法和应用 - Google Patents

一种双储能工作系统及其工作方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双储能工作系统，包括两个电池包，其由单电池以先串后并的电连接方式构成；电池控制管理单元，其用于管理单电池串联后的电池组；控制开关单元，其用于集中管理电池组并联后的电池包；电池储能控制单元，其用于对电池控制管理单元和控制开关单元的开关信号进行管理；储能变流器，其用于进行电池包侧和交流测的交直流的电能转换以及充放电和功率控制实现；及本地控制器，其用于与外部通信，并将接受的信号传输给储能变流器和电池储能控制单元，控制电池包的充放电过程及其功率。本发明的双储能工作系统，采用充放电分离方式工作，使得电池工作在最优循环深度区域，减缓电池性能衰减，延长了电池的使用寿命。

Description

一种双储能工作系统及其工作方法和应用
技术领域
本发明涉及电池储能技术领域，尤其涉及一种双储能工作系统及其工作方法和应用。
背景技术
在以风能和太阳能为代表的新能源发电技术应用领域中，由于此类能源具有随机波动性、周期性和不可调度性等特征，因此为提高新能源发电系统惯性，优化新能源发电效率，需要配置储能系统。微电网中蓄电池储能系统主要对微电源与负荷之间的功率进行匹配，以及进行并网功率平滑输出。由于分布式可再生能源以及负荷具有随机波动性，蓄电池储能系统将运行于频繁交替的不规则充放电状态下，会缩短其使用寿命，增大微电网及其储能建设的投资，降低了微电网系统的经济性。
专利文献CN111431190A公开了一种平抑风功率波动的多种混合储能系统，包括全钒液流电池与磷酸铁锂电池储能系统、超级电容储能系统、超级电容控制系统和电池控制系统。该专利文献中，超级电容控制系统对外输出经过一次平抑后的风功率；电池控制系统实时采集全钒液流电池与磷酸铁锂电池储能系统的全钒液流电池电量状态、磷酸铁锂电池电量状态、超级电容控制系统输出的风功率等，试图解决现有储能系统使用寿命短的问题。
专利文献CN106451604A公开了一种双电池储能系统，包括：两个电池包、控制器及双刀钥匙开关；所述电池包包括电池组及电池管理系统；所述电池管理系统与其对应的所述电池组连接，同时与所述控制器连接；所述双刀钥匙开关分别与两个电池组的总正端及两电池管理系统连接，同时控制两个电池管理系统；两个所述电池管理系统分别与所述控制器信号连接。该专利文献，其中一个电池出现故障或者充电充满的时候，可以使用另一个电池进行充放电，提高储能系统的稳定性及可靠性，储能系统的单个电池包可以进行工作，每个电池包都可以单独更换以及拆卸且单个电池包的重量比较轻，运输也比较方便。
现有技术的缺点主要体现在：风电或者风光互补等新能源系统中，单电池储能系统频繁充放电切换，使得电池寿命衰减速度大大增加；现有混合储能系统(例如蓄电池与超级电容混合使用)，超级电容可对高频波动的能量进行平衡，蓄电池对相对低频波动进行平衡。但是超级电容储能密度低，时常出现容量不足不可正常工作的状态；现有部分双储能系统，并未采用充放电分离使用的策略，相当于一个储能一分为二，只是增加了可靠性和稳定性，对电池寿命延长并无实质提升。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明一方面提供了一种双储能工作系统，以解决现有双储能系统无法使电池包保持在最佳充放电状态，未能实质性提升储能电池包使用寿命的问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种双储能工作系统，所述系统包括：
两个电池包，所述电池包由单电池以先串后并的电连接方式构成；
电池控制管理单元，所述电池控制管理单元与单电池串联后得到的电池组连接，用于管理串联电池组；
控制开关单元，所述控制开关单元与电池组并联后的电池包连接，用于集中管理电池包；
电池储能控制单元，所述电池储能控制单元与电池控制管理单元和控制开关单元连接，用于对电池控制管理单元和控制开关单元的开关信号进行管理；
储能变流器，所述储能变流器与控制开关单元连接，用于进行电池包侧和交流测的交直流的电能转换以及充放电和功率控制实现；
及本地控制器，所述本地控制器与储能变流器和电池储能控制单元进行信号连接，用于与外部通信，并将接受的信号传输给储能变流器和电池储能控制单元，控制电池包的充放电过程及其功率。
进一步地，所述电池包为梯次利用磷酸铁锂电池堆。
进一步地，所述储能变流器与控制开关单元的连接电路中间还设置有熔断器和接触开关，用于人工控制电池包直流线路的开合状态。
进一步地，所述储能变流器与外接线路之间还设置有交流接触器和断路器，用于对异常电路的保护。
进一步地，所述本地控制器还与控制开关单元信号连接，用于接收本地控制器的控制信号，实现对电池包的整体控制。
本发明另外一方面，还提供了一种如上述的双储能工作系统的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：
S1：当电池包A用作充电使用，电池包B用作放电使用时，即在0～t1时刻，电池包A处于充电状态，电池包B处于放电状态，此时：
Figure BDA0002856513060000031
Figure BDA0002856513060000032
其中，SOCA(k)和SOCB(k)表示当前时刻电池包A和电池包B的剩余容量百分比，SOC(k-1)表示上一采样时刻电池包A和电池包B的剩余容量百分比，pA(k)和pB(k)表示当前时刻的充放电功率值，δA和δB表示电池包A和电池包B充放电的效率参数，EA和EB表示电池包A和电池包B可储存的总能量；
当
Figure BDA0002856513060000033
或
Figure BDA0002856513060000034
时，其中，SOCA-start和SOCB-start分别表示电池包A和电池包B初始时的容量百分比，此时电池包A和电池包B处于t1时刻；
S2：当t1时刻达到转换条件，此时电池包A电量较多，电池包B电量较少；将电池包A和电池包B切换使用，即t1～t2时刻，电池包A处于放电状态，电池包B处于充电状态，此时：
Figure BDA0002856513060000035
Figure BDA0002856513060000036
当
Figure BDA0002856513060000037
或者
Figure BDA0002856513060000038
时，此时电池包A和电池包B处于t2时刻；
S3：当t2达到转换条件时，电池包A切换为充电状态，电池包B切换为放电状态；交替循环进行步骤S1和S2的充放电过程。
为了使电池运行在最佳充放电深度内，采用充电和放电分离的双储能系统结构，并采用充放电分离方式工作。本发明的双储能工作系统及其工作方式，可使得电池工作在最佳的充放电深度或者附近。本发明中考虑充放电深度对蓄电池寿命的影响，并利用双储能结构延长电池的使用寿命。
进一步地，所述电池包A和电池包B的容量百分比处于最小容量百分比SOCmin和最大容量百分比SOCmax之间，且最小容量百分比为10％，最大容量百分比为100％。
进一步地，所述电池包A和电池包B的充放电功率值p(k)处于零和最大充放电功率值之间。
本发明另一方面，还提供了一种如上述的双储能工作系统的应用，其将双储能工作系统与可再生能源供给侧、负荷需求侧进行组网，用于微电网中保障电网故障下的稳定用电；也可用于电力系统中发电侧提升可再生能源的可调度性，平抑并网波动；可用于电网侧为电网实现调频和调峰服务。优选地，所述微电网系统还配备有电动汽车用的充换电站。所述可再生能源供给侧包括风能、太阳能等可再生能源。所述负荷需求侧包括工业用电负荷、民用用电负荷等终端用电需求，例如消防系统、空调系统和照明系统等。所述充换电站，例如电动汽车用的充电桩、充电站等。
本发明提出的基于双储能工作系统的智能微电网系统应用，以在能源管理系统的调控下，辅助进行电网削峰填谷、平抑并网功率波动，以及节省微电网内消费者用电成本等功能。所提出的双储能工作系统应用在微电网系统中主要有以下的优点：(1)可在可再生能源供负荷或者并网功率波动较频繁时，使得电池尽量工作在最优充放电深度内，延长电池寿命；(2)可利用电动汽车的不满足换电站电池，进行梯次利用，降低投资成本，并且增加电池后期处理的经济环保性；(3)双储能工作系统在同一时间，可实现边充边放，便于进行能量管理。
本发明的有益效果：
本发明的双储能工作系统，可使得电池工作在最优循环深度区域，减缓电池性能衰减，延长了电池的使用寿命。
本发明的双储能工作系统，采用充放电分离方式工作，克服了现有的单储能工作系统在新能源发电系统协同工作中频繁进行充放电，导致电池寿命大大缩短的问题。
本发明的双储能工作系统，可采用梯次使用的磷酸铁锂电池，大大降低投资成本，相比较需要频繁切换充放电的系统，此双储能工作系统具有更快的反应速度。
附图说明
图1为本发明双储能工作系统结构示意图。
图2为本发明双储能工作系统工作模式示意图。
图3为本发明基于双储能工作系统的微电网连接示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。
实施例
如图1所示，本实施例的双储能工作系统，所述系统包括：电池包A3、电池包B4、电池控制管理单元2(BCMU)、第一控制开关单元31(BCP)、第二控制开关单元41(BCP)、第一电池储能控制单元32(BSCU)、第二电池储能控制单元42(BSCU)、第一储能变流器34(PCS)、第二储能变流器44(PCS)及本地控制器5。所述第一控制开关单元31(BCP)、第一电池储能控制单元32(BSCU)和多个并联连接的电池控制管理单元2(BCMU)构成了第一电池管理单元(BMS)；所述第二控制开关单元41(BCP)、第二电池储能控制单元42(BSCU)和多个并联连接的电池控制管理单元2(BCMU)构成了第二电池管理单元(BMS)。所述电池包A3和电池包B4均由单电池以先串后并的电连接方式构成；所述电池控制管理单元2与单电池串联后得到的电池组1连接，用于管理串联电池组1；所述第一控制开关单元31和第二控制开关单元41分别与电池组1并联后的电池包A3和电池包B4连接，分别用于集中管理电池包A3和电池包B4；所述第一电池储能控制单元32与电池包A3相连接的电池控制管理单元2和第一控制开关单元31连接，用于对电池包A3对应的电池控制管理单元2和第一控制开关单元31的开关信号进行管理；所述第二电池储能控制单元42则与电池包B4相连接的电池控制管理单元2和第二控制开关单元41连接，用于对电池包B4对应的电池控制管理单元2和第二控制开关单元41的开关信号进行管理；所述第一储能变流器34和第二储能变流器44分别与第一控制开关单元31和第二控制开关单元41连接，用于进行电池包侧和交流测的交直流的电能转换以及充放电和功率控制实现；所述本地控制器5与第一储能变流器34、第二储能变流器44、第一电池储能控制单元32和第二电池储能控制单元42进行信号连接，用于与外部通信，并将接受的信号传输给第一储能变流器34、第二储能变流器44、第一电池储能控制单元32和第二电池储能控制单元42中的一个或多个，以控制电池包A3和电池包B4的充放电过程及其功率。本实施例的双储能工作系统对外与消防系统6、空调系统7和照明系统8连接。
在至少的一个实施例中，所述电池包A3和电池包B4均采用梯次利用磷酸铁锂电池堆。电动车换电站中的磷酸铁锂电池经过一段时间的运行后，无法满足电动车继续使用要求，此时将其继续用于本实施例的双储能工作系统中，继续发挥磷酸铁锂电池剩余的能量，从而实现电池的梯次利用，有效节省投资成本，回收电池，减少对环境的破坏。
本实施例的双储能工作系统由梯次利用-LFP电池堆、电池管理单元BMS、储能变流器PCS和本地控制器组成。电池堆是由各个单体电池利用电池成组技术集合而成，设计采用先串后并的方式。采用此方式，可有效保证各个电池之间不存在容量偏差，并且使得电池管理系统可对支路进行检测和有效保护控制。BMS电池管理单元，为实现智能化管理和维护电池单元提供了可能性，可有效延长电池的使用寿命，监控电池的安全状态。BMS可实现对电池的端电压、电流和温度状态进行检测，防止过充、过放的发生，并通过一定算法估计电池组的荷电状态SOC。同时采用主动或者被动均衡技术，使得电池之间接近均衡一致的状态。BMS配备有通信接口，可与上行控制器进行通信，双向传输有效信息。PCS可以实现电池储能系统与交流电网之间的双向能量传递，通过上行控制器发布的控制策略实现充放电管理，充放电功率的控制，并配备有通用通讯接口，下行可与电池管理系统通讯，上行与监控系统进行通信。智能电表实现双向计量，记录储能耗电量和电能输出量。本地控制器系统，通过对PCS、电池系统主要信息采集，并对空调、消防、照明状态进行采集。本地控制器可作为整个储能系统的对外节点，或者与其它节点进行通信，并接收网络调度。
在至少的一个实施例中，所述第一储能变流器34与第一控制开关单元31的连接电路中间还设置有第一接触开关33和相应设置的熔断器，用于人工控制电池包A3直流线路的开合状态；所述第二储能变流器44与第二控制开关单元41的连接电路中间还设置有第二接触开关43和相应设置的熔断器，用于人工控制电池包B4直流线路的开合状态。通过人工控制储能变流器和电池包的通断，便于更换维护电池包，提高了系统的工作效率。
在至少的一个实施例中，所述第一储能变流器34与外接线路之间还设置有第一交流接触器35和第一断路器36，所述第二储能变流器44与外接线路之间还设置有第二交流接触器45和第二断路器46，用于对异常电路的保护。通过对异常电路的保护设置，延长了本实施例储能系统的工作寿命。
在更进一步的一个实施例中，所述本地控制器5还与第一控制开关单元31和第二控制开关单元41信号连接，用于接收本地控制器5的控制信号，实现对电池包A3和电池包B4的整体控制。
本发明另外一方面，还提供了一种如上述的双储能工作系统的工作方法，如图2所示，示出了电池包A3和电池包B4作为储能单元，其工作过程中SOC值随时间的变化关系，具体地，所述工作方法包括以下步骤：
S1：当电池包A3用作充电使用，电池包B4用作放电使用时，即在0～t1时刻，电池包A3处于充电状态，电池包B4处于放电状态，此时：
Figure BDA0002856513060000061
Figure BDA0002856513060000071
其中，SOCA(k)和SOCB(k)表示当前时刻电池包A3和电池包B4的剩余容量百分比，SOC(k-1)表示上一采样时刻电池包A3和电池包B4的剩余容量百分比，pA(k)和pB(k)表示当前时刻的充放电功率值，δA和δB表示电池包A3和电池包B4充放电的效率参数，EA和EB表示电池包A3和电池包B4可储存的总能量；
当
Figure BDA0002856513060000072
或
Figure BDA0002856513060000073
时，其中，SOCA-start和SOCB-start分别表示电池包A3和电池包B4初始时的容量百分比，此时电池包A3和电池包B4处于t1时刻；
S2：当t1时刻达到转换条件，此时电池包A3电量较多，电池包B4电量较少；将电池包A3和电池包B4切换使用，即t1～t2时刻，电池包A3处于放电状态，电池包B4处于充电状态，此时：
Figure BDA0002856513060000074
Figure BDA0002856513060000075
当
Figure BDA0002856513060000076
或者
Figure BDA0002856513060000077
时，此时电池包A3和电池包B4处于t2时刻；
S3：当t2达到转换条件时，电池包A3切换为充电状态，电池包B4切换为放电状态；交替循环进行步骤S1和S2的充放电过程。
所述电池包A3和电池包B4的容量百分比处于最小容量百分比SOCmin和最大容量百分比SOCmax之间，且最小容量百分比SOCmin为10％，最大容量百分比SOCmax为100％。
所述电池包A3和电池包B4的充放电功率值p(k)处于零和最大充放电功率值之间，所述最大充放电功率值可根据实际需要进行调整和设定。
本发明的双储能工作系统，采用充放电分离方式工作，不会存在两个电池包电量互充的情况，同时通过对两个电池包最优循环深度区域进行充放电管理，减缓电池性能衰减，有效延长了电池的使用寿命。
本发明另一方面，还提供了其中一种如上述的双储能工作系统的应用，如图3所示，将双储能工作系统与可再生能源供给侧、负荷需求侧进行组网，形成智能微电网系统；优选地，所述微电网系统还配备有电动汽车用的充换电站。所述双储能工作系统包括储能系统A111和储能系统B112，所述储能系统A111由电池包A3和第一电池管理单元9组成，所述储能系统B112由电池包B4和第二电池管理单元10组成；所述可再生能源供给侧包括风力发电机113和光伏发电机114，所述风力发电机113通过1#MPPT控制器113a和AC/DC/AC逆变器113b将风力发电机113输出的直流电转换成交流电通过AC母线与外部电网进行并网连接，所述光伏发电机114通过2#MPPT控制器114a和DC/AC逆变器114b将光伏发电机114输出的直流电转换成交流电通过交流AC母线与外部电网进行并网连接。并网连接后的电量可供负荷需求侧包括工业用电负荷、民用用电负荷等终端用电需求的使用。本发明的储能系统A和储能系统B分别独自进行工作，并各自通过储能变流器115a，115b与交流母线进行连接，与风力发电机113和光伏发电机114组成一个智能微电网，对外持续输出清洁电能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种双储能工作系统，其特征在于，所述系统包括：
两个电池包，所述电池包由单电池以先串后并的电连接方式构成；
电池控制管理单元，所述电池控制管理单元与单电池串联后得到的电池组连接，用于管理串联电池组；
控制开关单元，所述控制开关单元与电池组并联后的电池包连接，用于集中管理电池包；
电池储能控制单元，所述电池储能控制单元与电池控制管理单元和控制开关单元连接，用于对电池控制管理单元和控制开关单元的开关信号进行管理；
储能变流器，所述储能变流器与控制开关单元连接，用于进行电池包侧和交流测的交直流的电能转换以及充放电和功率控制实现；
及本地控制器，所述本地控制器与储能变流器和电池储能控制单元进行信号连接，用于与外部通信，并将接受的信号传输给储能变流器和电池储能控制单元，控制电池包的充放电过程及其功率。
2.如权利要求1所述的双储能工作系统，其特征在于，所述电池包为梯次利用磷酸铁锂电池堆。
3.如权利要求1所述的双储能工作系统，其特征在于，所述储能变流器与控制开关单元的连接电路中间还设置有熔断器和接触开关，用于人工控制电池包直流线路的开合状态。
4.如权利要求1所述的双储能工作系统，其特征在于，所述储能变流器与外接线路之间还设置有交流接触器和断路器，用于对异常电路的保护。
5.如权利要求1所述的双储能工作系统，其特征在于，所述本地控制器还与控制开关单元信号连接，用于接收本地控制器的控制信号，实现对电池包的整体控制。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的双储能工作系统的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
S1：当电池包A用作充电使用，电池包B用作放电使用时，即在0～t1时刻，电池包A处于充电状态，电池包B处于放电状态，此时：
Figure FDA0002856513050000011
Figure FDA0002856513050000012
其中，SOCA(k)和SOCB(k)表示当前时刻电池包A和电池包B的剩余容量百分比，SOC(k-1)表示上一采样时刻电池包A和电池包B的剩余容量百分比，pA(k)和pB(k)表示当前时刻的充放电功率值，δA和δB表示电池包A和电池包B充放电的效率参数，EA和EB表示电池包A和电池包B可储存的总能量；
当
Figure FDA0002856513050000021
或
Figure FDA0002856513050000022
时，其中，SOCA-start和SOCB-start分别表示电池包A和电池包B初始时的容量百分比，此时电池包A和电池包B处于t1时刻；
S2：当t1时刻达到转换条件，此时电池包A电量较多，电池包B电量较少；将电池包A和电池包B切换使用，即t1～t2时刻，电池包A处于放电状态，电池包B处于充电状态，此时：
Figure FDA0002856513050000023
Figure FDA0002856513050000024
当
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或者
Figure FDA0002856513050000026
时，此时电池包A和电池包B处于t2时刻；
S3：当t2达到转换条件时，电池包A切换为充电状态，电池包B切换为放电状态；交替循环进行步骤S1和S2的充放电过程。
7.如权利要求6所述的双储能工作系统，其特征在于，所述电池包A和电池包B的容量百分比处于最小容量百分比SOCmin和最大容量百分比SOCmax之间，且最小容量百分比为10％，最大容量百分比为100％。
8.如权利要求6所述的双储能工作系统，其特征在于，所述电池包A和电池包B的充放电功率值p(k)处于零和最大充放电功率值之间。
9.一种如权利要求1～5任一项所述的双储能工作系统的应用，其特征在于，将双储能工作系统与可再生能源供给侧、负荷需求侧进行组网，用于微电网中保障电网故障下的稳定用电；也可用于电力系统中发电侧提升可再生能源的可调度性，平抑并网波动；可用于电网侧为电网实现调频和调峰服务。
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