CN113328501A - 一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流屏蓄电池备用电源和储能技术领域，尤其为一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构，包括常闭和常开触头互锁的继电器开关K1、K2、K3，二极管D1、D2，以及监测控制单元，其中，所述开关K1、K2、K3为机械或逻辑互锁，具有常开、常闭两种状态。本发明提供的能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构辅助于中央控制单元和电池检测单元，以有别于传统方法的方式，实现备用电池组及各电池模组的过电压、过电流保护、均衡充电控制、高效放电等，更重要的是能实现备用电池组中的各电池模组的自动智能检测，故障隔离，冗余电池模组自动补位。

Description

一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构

技术领域

本发明涉及直流屏蓄电池备用电源和储能技术领域，尤其是一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构。

背景技术

随着我国能源转型的持续推进，智能配网的引入，极大的提高了区域供电的可靠性。目前我国采用多种信息数据采集、通信传输，数据处理等技术，实现了对微网、分布式电源等配电网络在线监测与科学控制管理。由于电力、通信等行业的安全性和特殊性，需要24小时不间断供电，因此不间断电源供电(ups)、阀控铅酸蓄电池、锂离子电池组等技术得到快速发展。当前，作为能源站最基本形式的一种，变电站的配电终端设备中多采用铅酸蓄电池作为外部应急备用电源，而正常供电电源则采用220v自备内部电源供电，一旦配电网络发生故障停电，迅速启动备用外部电源，确保供电系统供电的安全性和可靠性。

蓄电池组是独立于交流电系统的电源供应系统，在变电站内交流电源发生故障导致停电的情况下，通过蓄电池组的供电，就可以保障电网系统可靠而连续地供电。在日常运行过程中，蓄电池组电源保持电源满格状态，而到了合闸时就可以释放出大电流。在目前的技术条件下，铅酸蓄电池是变电站的首选。

阀控式铅酸蓄电池因其维护量少而基本替代了传统的富液式蓄电池，在电力系统中得到广泛的应用。随着对其认识的加深，原先″免维护″的误区得以纠正，用户不再因其免维护而对其不闻不问，每月定期开展单体和蓄电池组浮充电压、浮充电流、电池的外壳和极柱温度、电池的外壳有无变形和渗液、极柱及安全阀周围是否渗液和有酸雾溢出、环境温度等巡检并做好运行记录，确保蓄电池处于良好使用状态。为核查蓄电池组容量，按反措施要求，运行了4年以后的蓄电池每年需做一次核对性放电试验。而依据电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程，阀控式蓄电池组若经过三次全核对性充放电，蓄电池组容量均达不到额定容量的80％以上，可认为此组蓄电池使用年限已到，应安排更换。

变电站内直流屏两路交流全部失电时，蓄电池故障率最高，占到故障总数的70.83％。蓄电池故障表现有三种形式：单体电压偏低、整组蓄电池不合格、蓄电池漏液。

为了确保直流屏蓄电池的健康状况，直流屏蓄电池放电试验每半年进行一次，放电负荷为变电站实际直流负荷，必要时可以加入事故照明及逆变负荷。考虑到变电站事故处理的紧迫性，每次放电时间不得低于2小时。

直流屏蓄电池放电试验相关操作步骤如下：

1)检查各个运行参数均在正常范围。

2)将直流屏的交流进线开关断开(两路，先断备用再断主用，避免不必要的交流电源自动切换)，高频开关电源整流器停止工作，蓄电池组即刻不间断地向直流母线供电。同时观察电池总电压、单只蓄电池电压、放电电流的变化。

3)放电试验期间应每隔20分钟对直流屏巡视记录一次，记录电池总电压、单只蓄电池电压、放电电流等的参数。放电开始第一次记录时用万用表或标准电压表核对一次单体电池电压与触摸屏显示的蓄电池电压是否相符，以避免传感器故障造成的监测电压与实际蓄电池电压不相符。

4)放电试验期间应同时检查各蓄电池本体有无异常(电池温度有无异常、有无鼓包、有无放电声响)。

5)放电试验过程中如有单只蓄电池的电压低于设定值，应立即停止放电试验，将交流进线恢复送电，记录各项数据及放电时间(开始放电到终止放电的时间)。如果有单只蓄电池低于设定值的应该考虑尽早更换整套全部电池，以确保万无一失。

6)直流屏蓄电池总电压放电如果在2小时之内减少到厂家规定值时，应立即停止放电试验，将交流进线恢复送电，即对蓄电池组进行充电，以免蓄电池过放电而损坏，如果不能立即恢复交流进线供电，必须蓄电池组的放电总开关争取在24小时内对蓄电池组进行充电。记录放电时间(开始放电到结束放电的时间)、初始和终止放电时的放电电流。如果出现上述情况应该考虑尽早更换整套全部电池，以确保万无一失。

当前，变电站蓄电池在线监测装置大多仅能实时采集部分数据信息，如蓄电池组、蓄电池单体电压过欠压、系统接地故障、监控单元故障等，而对于蓄电池温度、内阻等重要信息都无法采集，且因规约转换的限制，系统无法采集到全面信息上送到调度端，这给运行维护人员的操作维护带来难度。

综上所述，直流屏蓄电池的运行维护工作量大，耗时长，效率低。在线监测装置大多仅能实时采集部分数据信息，考虑成本因素基本上无均衡控制充放电功能。因此，亟需一种低成本、电路结构简单，能够同时实现过电压和过电流保护、均衡控制、价格低廉的柔性连接与保护装置建立的电池成组架构，来实现直流屏蓄电池的智能监测、蓄电池单体状况自动检测和全面信息上送到调度，以减少运行维护人员的工作量，提高效率。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构，以解决上述背景技术中描述的缺陷。

本发明采用的技术方案如下：

一方面提供一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置，包括常闭和常开触头互锁的继电器开关K1、K2、K3，二极管D1、D2，以及监测控制单元，其中，所述开关K1、K2、K3为机械或逻辑互锁，具有常开、常闭两种状态。

作为本发明的一种优选技术方案：所述开关K1的公共端连接充放电接口的正极，常闭端与电池模组的正极以及开关K2的常开端相连，常开端与充放电接口的负极以及开关K3的常闭端相连，实现电池模组的充放电。

作为本发明的一种优选技术方案：所述开关K2的公共端与检测接口的正极相连，常闭端与检测接口的负极以及开关K3的常开端相连，实现对电池检测回路的连通。

作为本发明的一种优选技术方案：所述开关K3的公共端与电池模组的负极相连。

作为本发明的一种优选技术方案：所述二极管D1的阳极与开关K1的常闭端相连，阴极与开关K1的公共端相连，实现开关K1的常闭触头打开时过渡过程的续流和旁路电池模组时的放电阻断。

作为本发明的一种优选技术方案：所述二极管D2的阴极与开关K1的常开端相连，阳极与开关K1的公共端相连，实现开关K1的常开触头打开时过渡过程的整串电池放电续流。

作为本发明的一种优选技术方案：所述监测控制单元有5个接口，接口①控制开关K1的动作，接口②控制开关K2的动作，接口③控制开关K3的动作，接口④采集电池模组的信息，接口⑤为通信口，与中央控制单元的相应通信口连接。

另一方面提供一种电池成组架构，包括与能源站直流屏电池模组柔性连接装置串联的n+k+1串电池模组，其中，n串电池模组串联处于充放电状态，产生要求的工作电压，k串电池模组为冗余，处于隔离状态，1串电池模组用于检测，处于检测状态。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电池成组架构还包括充放电接口、中央控制单元和电池检测单元。

作为本发明的一种优选技术方案：所述充放电接口连接直流母线或充放电设备，电池模组电源通过该接口提供电池能量，或接收充电能量；

所述中央控制单元检测充放电接口处的电压和充放电电流，通过通信网络采集各电池模组的信息以及电池检测单元的信息，所有数据和信息经过处理后，由中央控制单元通过通信网络发出控制信号，控制各柔性连接保护装置的电池模组状态转换和电池检测单元的检测操作，中央控制单元还负责与上位机的通信；

所述电池检测单元用于自动检测电池模组的剩余容量SOC、内阻、端电压，然后把检测结果上报中央控制单元。

本发明提供的能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构，辅助于中央控制单元和电池检测单元，以有别于传统方法的方式，实现备用电池组及各电池模组的过电压、过电流保护、均衡充电控制、高效放电等，更重要的是能实现备用电池组中的各电池模组的自动智能检测，故障隔离，冗余电池模组自动补位。电池模组的接入与退出均以柔性方式实现，避免了硬性接入与退出时产生的过流过压及拉弧问题。尤其重要的是，从串联中隔离出来用于检测的电池模组，完全与主电路无电连接，由中央控制单元控制能方便地进行内阻测量、充放电、在线活化再生等操作，替代人工电池放电试验，减少费时复杂的人工运维成本。

附图说明

图1为本发明优选实施例的能源站直流屏电池模组柔性连接装置框图；

图2为本发明优选实施例中电池成组架构框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。

参照图1，本发明优选实施例提供了一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构，包括具有常闭和常开触头互锁的继电器开关K1、K2、K3，二极管D1、D2，以及监测控制单元，其中，所述开关K1、K2、K3为机械或逻辑互锁，具有常开、常闭两种状态。

所述开关K1的公共端连接充放电接口的正极，常闭端与电池模组的正极以及开关K2的常开端相连，常开端与充放电接口的负极以及开关K3的常闭端相连，实现电池模组的充放电。当开关K1的常开触头闭合时，旁路电池模组和装置；

所述开关K2的公共端与检测接口的正极相连，常闭端与检测接口的负极以及开关K3的常开端相连，实现对电池检测回路的连通；

所述开关K3的公共端与电池模组的负极相连；

所述二极管D1的阳极与开关K1的常闭端相连，阴极与开关K1的公共端相连，实现开关K1的常闭触头打开时过渡过程的续流和旁路电池模组时的放电阻断；

所述二极管D2的阴极与开关K1的常开端相连，阳极与开关K1的公共端相连，实现开关K1的常开触头打开时过渡过程的整串电池放电续流；

所述监测控制单元有5个接口，接口①控制开关K1的动作，接口②控制开关K2的动作，接口③控制开关K3的动作，接口④采集电池模组的信息(电压、温度)，接口⑤为通信口，可采用CAN或RS485，与中央控制单元的相应通信口连接。

电池模组柔性连接与保护装置的工作原理：电池模组有3种工作状态，即正常充放电(包括涓流充电)状态、隔离状态和检测状态。3种工作状态对应开关K1、K2、K3的触头所处位置不同，如下表所示。

A、正常充电、涓流充电或放电状态：监测控制单元控制开关K1触头处于常闭闭合位置、开关K2触头处于常开闭合位置、开关K3触头处于常闭闭合位置，监测控制单元同时监测电池模组的电压、温度信号，并上传到中央控制单元。当电池模组的电压或温度超出正常范围时，中央控制单元控制开关K1、K2、K3，使电池模组处于隔离或检测状态，保护电池和整个装置免于损坏。

B、隔离状态：监测控制单元控制开关K1处于常闭触头打开位置、开关K2处于常闭触头闭合位置、开关K3处于常闭触头闭合位置。处于隔离状态的电池模组，虽然与二极管D1、K1、K3形成闭合回路，但由于二极管的单向导通性，该环路不产生电流。

C、检测状态：监测控制单元控制开关K1处于常闭触头打开位置、开关K2处于常闭触头打开位置、开关K3处于常闭触头打开位置。处于检测状态的电池模组仅有二极管单点连接于充放电接口，不构成回路，可认为是准隔离。

D、状态转换：隔离状态是冗余电池模组的常态，充放电状态与检测状态之间的相互转换均需经历隔离状态过渡，即先转换到隔离状态，然后再转换到目标状态。状态转换过程对继电器的动作时序有严格要求，见下表：

第二方面，本实施例还提供了备用电池电源的架构型式，如图2所示，即通过柔性连接与保护装置串联的n+k+1串电池模组，其中，n串电池模组串联处于充放电状态，产生要求的工作电压，k串电池模组为冗余，处于隔离状态，1串电池模组用于检测，处于检测状态。

此外，本架构还包括充放电接口、中央控制单元和电池检测单元。

充放电接口连接直流母线或充放电设备，电池模组电源通过该接口提供电池能量，或接收充电能量。

中央控制单元检测充放电接口处的电压和充放电电流，通过CAN或RS485通信网络采集各电池模组的信息(电压、温度、状态等)以及电池检测单元的信息。所有数据和信息经过处理后，由中央控制单元通过CAN或RS485通信网络发出控制信号，控制各柔性连接与保护装置的电池模组状态转换和电池检测单元的检测操作。中央控制单元还负责与上位机的通信。

电池检测单元的主要功能是自动检测电池模组的剩余容量SOC、内阻、端电压等，然后把检测结果上报中央控制单元。电池检测单元可根据需要来设置功能，在不增加其他测试设备的情况下，可连续检测电池模组的端电压。根据开路电压测试法(OCV)，独立的电池模组，静置2小时以上，端电压能够反映电池的剩余容量SOC。如果要对电池模组单独做充放电测试，则需要增加相应的设备。由于检测状态的电池模组与其他电池模组是准隔离(仅有二极管单点连接)关系，具备对铅酸蓄电池进行在线活化再生操作的基础条件。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种能源站直流屏电池模组柔性连接装置，其特征在于：包括常闭和常开触头互锁的继电器开关K1、K2、K3，二极管D1、D2，以及监测控制单元，其中，所述开关K1、K2、K3为机械或逻辑互锁，具有常开、常闭两种状态。

2.根据权利要求1所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置，其特征在于：所述开关K1的公共端连接充放电接口的正极，常闭端与电池模组的正极以及开关K2的常开端相连，常开端与充放电接口的负极以及开关K3的常闭端相连，实现电池模组的充放电。

3.根据权利要求1所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置，其特征在于：所述开关K2的公共端与检测接口的正极相连，常闭端与检测接口的负极以及开关K3的常开端相连，实现对电池检测回路的连通。

4.根据权利要求1所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置与架构，其特征在于：所述开关K3的公共端与电池模组的负极相连。

5.根据权利要求1所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置，其特征在于：所述二极管D1的阳极与开关K1的常闭端相连，阴极与开关K1的公共端相连，实现开关K1的常闭触头打开时过渡过程的续流和旁路电池模组时的放电阻断。

6.根据权利要求1所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置，其特征在于：所述二极管D2的阴极与开关K1的常开端相连，阳极与开关K1的公共端相连，实现开关K1的常开触头打开时过渡过程的整串电池放电续流。

7.根据权利要求1所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置，其特征在于：所述监测控制单元有5个接口，接口①控制开关K1的动作，接口②控制开关K2的动作，接口③控制开关K3的动作，接口④采集电池模组的信息，接口⑤为通信口，与中央控制单元的相应通信口连接。

8.一种电池成组架构，其特征在于：包括与权利要求1-7任一项所述的能源站直流屏电池模组柔性连接装置串联的n+k+1串电池模组，其中，n串电池模组串联处于充放电状态，产生要求的工作电压，k串电池模组为冗余，处于隔离状态，1串电池模组用于检测，处于检测状态。

9.根据权利要求8所述的电池成组架构，其特征在于：所述电池成组架构还包括充放电接口、中央控制单元和电池检测单元。

10.根据权利要求8所述的电池成组架构，其特征在于：所述充放电接口连接直流母线或充放电设备，电池模组电源通过该接口提供电池能量，或接收充电能量；

所述中央控制单元检测充放电接口处的电压和充放电电流，通过通信网络采集各电池模组的信息以及电池检测单元的信息，所有数据和信息经过处理后，由中央控制单元通过通信网络发出控制信号，控制各柔性连接保护装置的电池模组状态转换和电池检测单元的检测操作，中央控制单元还负责与上位机的通信；

所述电池检测单元用于自动检测电池模组的剩余容量SOC、内阻、端电压，然后把检测结果上报中央控制单元。

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