CN113036902A - 一种无间断可在线投切的锂电池储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池储能系统技术领域，公开了一种无间断可在线投切的锂电池储能系统，主要应用于电力储能领域功率转换系统(PCS)直流侧，通过在储能系统主回路电气拓扑图中增加了两个电力二极管VD1、VD2，同时减少了一个高压继电器，从而实现电池储能装置在线无间断地投入到储能系统直流母线上，彻底解决了因高压继电器的控制延时而导致负载端发生停机和断电事故的问题，提高了PCS供电的稳定性和安全性，同时，本发明提出的电气拓扑结构支持通过并联方式实现储能系统容量扩展，也可以与其它发电设备组成微型电网系统，并能根据负载需求，协调及匹配各发电设备的输出功率，具有较大的实用价值。

Description

一种无间断可在线投切的锂电池储能系统

技术领域

本发明涉及锂电池储能系统技术领域，特别涉及一种无间断可在线投切 的锂电池储能系统。

背景技术

据国网能源研究院初步测算，电力负荷峰谷差持续加大，冬季采暖范围扩大导致冬季用电峰值上升较快，夏季日负荷双峰特征更加明显，电网运营压力正随着人们生活水平的日益提升而不断加剧。大容量储能系统作为未来新能源系统与智能电网的重要组成部分，除了能平滑电力负荷、提高设备运行的效率和可靠性，还能降低电网冲击，调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性，在电网削峰平谷和调峰调频方面发挥了重要作用。而储能电池是大容量储能系统应用的关键，锂电池因具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等优点，已成为储能电池的主流选择，在电力储能领域被广泛使用。

目前，在新能源电力储能领域，PCS(功率转换系统)的直流侧通常由锂 电池的储能系统构成，它主要包括电池单元和高压附件，电池单元包含电池 族、电池模组、电池采集模块(BMU)以及电池箱体和低压线束；高压附件 包含塑壳断路器、高压继电器、保险丝、分流器、预充电阻以及高压箱体和 高压线束等。电池管理系统(BMS)通过实时采样电池的电压、电流、温度、 绝缘电阻等外特性参数，采用适当的算法以实现电池内部状态的估算与监控， 在正确获取电池的状态后进行有效的热管理、均衡管理、充放电管理、漏电 监测和故障报警等操作。图1为现阶段锂电池储能系统主回路广泛采用的电气 拓扑图，BMS通过控制高压继电器K1、K2、K3的开合来进行电池储能装置投 入和退出PCS直流母线的动作。

现阶段，锂电池储能系统主回路多采用图1所示的电气拓扑结构，其高压 上电流程为：BMS自检通过后会先合上主负继电器K3，然后进入预充流程， 闭合预充继电器K2，当负载端预充电压升高到设定阈值时闭合主正继电器K1， 同时断开预充继电器K2，完成预充流程并将电池储能装置投入到PCS直流母 线端。但这种电气拓扑因为高压继电器的控制延时可能会导致电池储能装置 在投切的过程中发生短时断电而使负载端产生停机和重启事故，一般来说， 目前市场上常用的高压继电器品牌：泰科(TYCO)动作时间约35ms，宏发电声(HF)动作时间约30ms，比亚迪(BYD)动作时间约30ms，加上预充时间， 电池储能装置投入总时间最少需要100ms,而根据美国国家标准对数据处理 等精密型负载设备最大准许断电时间为半个周波，即10ms(工频50Hz，每周 波为20ms)。因此，常规的电池储能装置100ms的投入时间对包括电力工业的 自动化系统、石化工业的电源系统、计算机和远程通讯中心、大楼的自动化 和安全系统以及其它对电源中断敏感的设备可能会带来停机和断电等安全事 故。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种无间断可在线投切的锂电池储能系统，旨 在应用于电力储能领域功率转换系统(PCS)的直流侧，能够实现在线无间断 地投入到储能系统直流母线上，克服因电池储能装置的投切动作而导致负载 端发生停机和断电事故的弊端，提高PCS供电稳定性和安全性。

为实现上述目的，本发明提出的无间断可在线投切的锂电池储能系统， 包括PCS直流母线、直流断路器QF、锂电池单元、充电继电器K1、放电继 电器K2、放电过渡二极管VD1、充电过渡二极管VD2、预充电阻R以及分 流器，所述直流断路器QF的两端分别与所述PCS直流母线电连接，所述锂 电池单元的一端与所述直流断路器QF的一端电连接，所述锂电池单元的另一 端依次与所述分流器、放电继电器K2、充电继电器K1以及所述直流断路器QF的另一端串联电连接，所述充电过渡二极管VD2的两端分别与所述放电 继电器K2并联电连接，所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R串联电连接， 且所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R均与所述充电继电器K1并联电连 接，所述锂电池内设有电池管理系统BMS，所述电池管理系统BMS与PCS 数据连接。

可选地，所述锂电池单元设置有多个，两相邻所述锂电池单元均与所述PCS直流母线并联电连接，所述锂电池单元的一端均通过所述直流断路器QF 与所述PCS直流母线电连接，所述锂电池单元的另一端均依次与所述分流器、 放电继电器K2、充电继电器K1、直流断路器QF以及所述PCS直流母线串 联电连接，所述充电过渡二极管VD2的两端分别与所述放电继电器K2并联 电连接，所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R串联电连接，且所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R均与所述充电继电器K1并联电连接，所述锂电 池内均设有电池管理系统BMS，且所述电池管理系统BMS均分别与PCS数 据连接。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明的技术方案与现有 技术相比，本发明通过在储能系统主回路电气拓扑图中增加了两个电力二极 管VD1、VD2，同时减少了一个高压继电器，从而实现在线无间断地投入到 储能系统直流母线上，彻底解决了因高压继电器的控制延时而导致负载端发 生停机和断电事故的问题，提高了PCS供电的稳定性和安全性。同时，本发 明提出的电气拓扑结构支持通过并联方式实现储能系统容量扩展，也可以与 其它发电设备组成微型电网系统，并能根据负载需求，协调及匹配各发电设备的输出功率，具有较大的实用价值。

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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的 附图。

图1为本发明展现的现有技术中锂电池储能系统主回路典型电气拓扑图；

图2为本发明一实施例的一种无间断可在线投切的锂电池储能系统的主 回路电气拓扑图；

图3为本发明一实施例的一种无间断可在线投切的锂电池储能系统的电 池储能装置系统框图；

图4为本发明一实施例的一种无间断可在线投切的锂电池储能系统的1# 和2#电池控制柜电气原理图；

图5为本发明一实施例的一种无间断可在线投切的锂电池储能系统的3# 电池控制柜电气原理图；

图6为本发明一实施例的一种无间断可在线投切的锂电池储能系统的电 池单元并机运行电气原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 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 作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、 后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位 置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应 地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域 普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现 时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种无间断可在线投切的锂电池储能系统。

如图2至图6所示，在本发明一实施例中，该无间断可在线投切的锂电 池储能系统，包括PCS直流母线、直流断路器QF、锂电池单元、充电继电器 K1、放电继电器K2、放电过渡二极管VD1、充电过渡二极管VD2、预充电 阻R以及分流器，所述直流断路器QF的两端分别与所述PCS直流母线电连 接，所述锂电池单元的一端与所述直流断路器QF的一端电连接，所述锂电池 单元的另一端依次与所述分流器、放电继电器K2、充电继电器K1以及所述 直流断路器QF的另一端串联电连接，所述充电过渡二极管VD2的两端分别 与所述放电继电器K2并联电连接，所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R 串联电连接，且所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R均与所述充电继电器 K1并联电连接，所述锂电池内设有电池管理系统BMS，所述电池管理系统BMS与PCS数据连接。

可选地，所述锂电池单元设置有多个，两相邻所述锂电池单元均与所述 PCS直流母线并联电连接，所述锂电池单元的一端均通过所述直流断路器QF 与所述PCS直流母线电连接，所述锂电池单元的另一端均依次与所述分流器、 放电继电器K2、充电继电器K1、直流断路器QF以及所述PCS直流母线串 联电连接，所述充电过渡二极管VD2的两端分别与所述放电继电器K2并联 电连接，所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R串联电连接，且所述放电过 渡二极管VD1和预充电阻R均与所述充电继电器K1并联电连接，所述锂电 池内均设有电池管理系统BMS，且所述电池管理系统BMS均分别与PCS数 据连接。

如图2所示，与现有技术相比，本发明通过在储能系统主回路电气拓扑 图中增加了两个电力二极管VD1、VD2，同时减少了一个高压继电器，这种 电气拓扑结构能够实现电池储能装置在线无间断地投入到储能系统直流母线 上，克服了因高压继电器的控制延时而导致负载端发生停机和断电事故的弊 端，提高了PCS供电的稳定性和安全性。同时，本发明提出的电气拓扑结构 支持通过并联方式实现储能系统容量扩展，也可以与其它发电设备组成微型 电网系统，并能根据负载需求，协调及匹配各发电设备的输出功率。

结合本发明提出的储能系统主回路电气拓扑结构，以总功率200kW的 PCS逆变系统为例来描述其工作原理及过程，示例中电池单元以电池控制柜 的形式展现，其容量及规格配置如下：

额定容量100Ah的磷酸铁锂单体电芯共660只，PACK总容量211.2kWh， 配套BMS，构成1056Vdc的直流母线并接入PCS逆变系统上，电池储能装置 系统框图如图3所示。

电池储能装置由2个电池单元并联，1个电池单元由22个电池族串联，1 个电池族由1个电池模组和1个BMU以及3.5U铁材质箱体组成，1个电池 模组由15串3.2Vdc/100Ah磷酸铁锂单体电芯串联成组，规格为48Vdc/100Ah。 每个电池单元额定电压为1056Vdc，额定容量为105.6kWh，分为3个电池控 制柜，1#和2#电池控制柜均放置8个电池族，电气原理如图4所示；3#电池 控制柜放置6个电池族和1个高压箱以及必要的附件，电气原理如图5所示。

每个电池单元由3个电池控制柜串联，电池控制柜热管理采用4个风扇 侧边风冷，风扇由二级主控模块(BCU)根据箱体温度值进行控制。1#和2# 电池控制柜对外接口位于后面板上，有动力正负输出高压插座、电源通信低 压插座和维修开关(MSD)。BCU、一级主控模块(BSU)安装于3#电池控 制柜中，另有高压附件如高压继电器、保险丝、电力二级管、预充电组、分 流器等安装于高压箱中或者直接开放式的安装在柜体托板上。电池单元对PCS 的接口位于3#电池控制柜后面板上，包括以太网口和24Vdc电源端子。

电池单元有充电、放电、运行和故障指示功能，指示灯位于3#电池控制 柜前面板上。低压上电后，高压继电器吸合，则运行指示灯闪烁；充电状态 下，充电指示灯常亮；放电状态下，放电指示灯常亮；发生故障时，例如出 现高压互锁信号开路、过压、过流、过温、短路、绝缘等故障时，故障指示 灯点亮。另外，每个电池控制柜配置行程开关和LED灯，采用24Vdc供电， 柜门打开灯点亮，柜门关闭灯熄灭。

一、单机运行工作原理及过程

单个电池单元投入到PCS逆变系统运行时，电气原理如图2所示，工作 过程描述如下：

(1)先合直流断路器QF，再合上低压24V电源空开(PCS提供)后， BMS上电并自检，BMU将采集到的电芯电压和温度等数据通过内CAN总线 上传给BCU；BCU进行数据处理，计算SOC/SOH、绝缘电阻以及逻辑保护 判断，并通过外CAN总线与BSU进行数据交互；BSU汇总2个电池单元数 据后，采用Modbus TCP/IP通信规约与PCS逆变系统数据交互；

(2)BMS自检完成后先吸合放电继电器K2，电池能量通过预充电阻R、 放电过渡二极管VD1和放电继电器K2对直流母线充电，此时BMS会检测预 充电电压，当预充电电压达到92％电池总压时吸合充电继电器K1，此后电池 能量将通过充电继电器K1和放电继电器K2流向PCS逆变系统，预充回路自 动被屏蔽；若在5s内，预充失败，必须无条件断开高压继电器K1和K2，同 时点亮电池控制柜面板上故障指示灯；

(3)若有市电，PCS逆变系统直流母线会对电池单元进行充电，此时电 池控制柜面板上充电指示灯点亮；若无市电，电池单元能量将通过充电继电 器K1和放电继电器K2向PCS逆变系统放电，此时电池控制柜面板上放电指 示灯点亮；

(4)在没有市电情况下，电池单元对PCS逆变系统放电，放电过程中， 当达到电池放电保护阈值电压后，BMS断开放电继电器K2，电池单元停止对 PCS放电；此时若市电恢复，PCS将通过充电过渡二极管VD2和充电继电器 K1对电池单元进行充电，当BMS检测到充电电流(通过电流方向判断)，必 须立即闭合放电继电器K2，自动屏蔽充电过渡二极管VD2，避免电力二极管 长时间过电流而发热，此时，PCS充电能量将通过充电继电器K1和放电继电 器K2流向电池单元，不需要人为干预，可实现电池放电保护动作后能充电自 动激活；

(5)在有市电情况下，PCS对电池单元进行充电，当达到电池充电保护 阈值电压后，BMS断开充电继电器K1，PCS停止对电池单元充电；此时若市 电掉电，电池单元将通过预充电阻R和放电过渡二极管VD1无缝切换到PCS 逆变系统，当BMS检测到放电电流(通过电流方向判断)，必须立即闭合充 电继电器K1，自动屏蔽预充回路，电池能量将通过充电继电器K1和放电继 电器K2流向PCS逆变系统，不需要人为干预，无任何掉电时间，实现在线 无间断投入，同时保证预充电阻不会长时间过电而损坏。

二、并机运行工作原理及过程

当多个电池单元投入到PCS逆变系统并机运行时，电气原理如图6所示， 工作过程描述如下：

(1)静置时，各个电池单元是并接于PCS直流母线上的，因为BMS上 电后先闭合放电继电器K2进行预充，当预充电压达到92％电池总压时才会闭 合充电继电器K1。这样，所有电池单元只有单向预充放电回路接入了PCS直 流母线上，因此电池总压低的电池单元放电过渡二极管VD1将处于反向截止 状态，电池总压高的电池单元先完成预充，其他电池单元检测到母线电压达 到预充电压门槛值后会依次闭合充电继电器K1，此时电池总压高的电池单元 会对电池总压低的电池单元进行充电，直至所有电池单元总压趋于一致；

(2)充电时，因为PCS直流母线充电输出电压均高于各个电池单元电池 总压，PCS将对各个电池单元中电池进行充电，电池总压低的充电电流越大， 电池总压高的充电电流越小，各个电池单元充电电流跟随电池总压而变化， 直至各个电池柜单元过压保护而结束充电；

(3)放电时，电池总压最高的电池单元由BMS软件控制会先通过预充 电阻和放电过渡二极管向PCS直流母线预充电，预充过程结束后，所有电池 单元会先后闭合放电高压回路，电池总压最高的电池单元先向PCS直流母线 放电，同时对电池总压较低的电池单元进行充电，当其总压下降到与次高电 池单元电池总压一致时，次高电池单元投入PCS直流母线进行放电，以此类 推，直至所有电池单元全部投入到PCS直流母线并开始正常工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构 变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范 围内。

Claims (2)

1.一种无间断可在线投切的锂电池储能系统，其特征在于，包括PCS直流母线、直流断路器QF、锂电池单元、充电继电器K1、放电继电器K2、放电过渡二极管VD1、充电过渡二极管VD2、预充电阻R以及分流器，所述直流断路器QF的两端分别与所述PCS直流母线电连接，所述锂电池单元的一端与所述直流断路器QF的一端电连接，所述锂电池单元的另一端依次与所述分流器、放电继电器K2、充电继电器K1以及所述直流断路器QF的另一端串联电连接，所述充电过渡二极管VD2的两端分别与所述放电继电器K2并联电连接，所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R串联电连接，且所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R均与所述充电继电器K1并联电连接，所述锂电池内设有电池管理系统BMS，所述电池管理系统BMS与PCS数据连接。

2.根据权利要求1所述的无间断可在线投切的锂电池储能系统，其特征在于，所述锂电池单元设置有多个，两相邻所述锂电池单元均与所述PCS直流母线并联电连接，所述锂电池单元的一端均通过所述直流断路器QF与所述PCS直流母线电连接，所述锂电池单元的另一端均依次与所述分流器、放电继电器K2、充电继电器K1、直流断路器QF以及所述PCS直流母线串联电连接，所述充电过渡二极管VD2的两端分别与所述放电继电器K2并联电连接，所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R串联电连接，且所述放电过渡二极管VD1和预充电阻R均与所述充电继电器K1并联电连接，所述锂电池内均设有电池管理系统BMS，且所述电池管理系统BMS均分别与PCS数据连接。

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