CN113675952A - 一种多元储能融合控制终端及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元储能融合控制终端及其控制系统，多元融合储能控制终端通过与温度均衡控制或设备通讯，与电池管理系统单元检测电池数据，与温度控制系统和设备通讯，与电池舱的安防系统通讯，实现现场多个系统的融合，将系统参数统一管理，实现数据的统一存储、清洗、检索等；该系统可以有效避免由于系统不同导致的参数不一致，由于系统不统一造成的控制模式冲突等问题，有效提高了储能系统效率和检修效率，降低故障率和由于通讯故障误报等问题，将消防系统纳入到统一的电站管理，有效提高系统的火灾预警能力和消防设备的可用性，提高了储能系统的安全性。

Description

一种多元储能融合控制终端及其控制系统

技术领域

本发明属于储能电池控制技术领域，尤其针对电化学储能系统的电池、环境和消防控制技术，具体涉及一种多元储能融合控制终端及其控制系统。

背景技术

全球对清洁能源续期急剧增加，特别是以风电、光伏为主的能源装机量飞速增加，由此也增加了对储能系统的需求。储能在主体功能方面，新能源配置储能主体功能是降低新能源出力波动、有效跟踪计划出力、提升新能源电站可调度性、降低弃风弃光率、有助于提升新能源消纳能力；我国新能源配置储能市场增长主要发生在2018-2020年，三年累计装机915.7MW，占比89.2％。主要分布在青海、安徽、新疆、广东、西藏，系统以1-2h配置为主，以500kWPCS并联的传统系统架构为主。鉴于PCS设备和电池PACK集成技术的发展，未来将逐步实施1500V高压PCS设备和液冷储能系统方案。以发电集团投资或发电集团与省电网公司采取融资租赁模式为主。在储能参与调峰方面，电源侧调峰主体功能参与区域新能源消纳、为电网提供尖峰负荷需求、参与电网削峰填谷，近两年累计装机185.0MW，分布在辽宁、安徽、福建、河北、广东。储能系统以2-4小时配置为主，以500kWPCS并联的传统系统架构为主。一般采用第三方投资，接受电网调度，但是现阶段调峰补偿收益较小，两部制电价政策不完善。在储能电站参与调频方面，调频储能主体功能是联合常规电源调频，有效提升常规机组的调频性能指标，减少AGC及调频考核费用，系统以0.5h配置居多，多采用500kWPCS并联和高压级联方案，以1h锂电池配置为主，有可能采取超级电容或混合系统方案系统。电网储能系统主体功能是应用于输电网和配电网中，在输电网中主要发挥调峰调频、事故备用、黑启动等辅助服务的功能，在配电网中主要发挥提升供电可靠性、延缓配网改造等功能；市场增长方面，系统以1-2h配置居多，多采用500kWPCS并联和移动储能方舱方案。分布式及微网主体功能是解决并网及离网供电及其可靠性问题；我国分布式及微网储能市场增长主要发生在2018年以前，受分布式电源平价上网影响，配置储能收益并不乐观，多数以解决区域供电可靠性为主；分布式及微网储能市场TOP5省份依次是青海、西藏、山西、江苏、浙江；产品特征方面，系统以2-4h配置为主。用户侧削峰填谷主体功能是为用户节约电量电费和容量电费，未来也是用户用能方式升级的重要依托。用户侧削峰填谷储能市场TOP5省份依次是江苏、广东、深圳、北京、浙江；产品特征方面，系统以3-8h配置为主，多采用500kWPCS并联和组串分布式方案，以第三方或系统集成商投资为主，合同能源管理方式与业主利益分成；市场风险方面，系统效率和寿命不如预期，业主经营影响储能电站放电收益。

电化学储能技术特性方面，受产业规模、系统成本、能量及功率特性、服役特性、可回收性等综合影响，锂离子电池（磷酸铁锂和三元锂电池）优势突出，铅炭电池、全钒液流电池及梯次利用锂电池特定场景下具备竞争力。铅酸电池服役寿命过短、钠硫电池安全问题突出且技术进步缓慢、超级电容器能量成本过高。总体而言，锂离子电池在电化学储能技术当中的竞争优势逐步扩大，日本和韩国主推三元锂离子电池技术路线，中国和美国等国家主推磷酸铁锂电池技术路线。

近些年一些学者和技术人员关注了大型储能的需求，有针对性的提出解决方案。如：针对大大型储能系统中电池一致性问题，关注了由于热不均衡导致的电池衰减的不一致，以及由此引起对衰减过快的电池的过充和过放问题。由此提出了一系列针对大功率动力电池组的热力学建模与热管理技术、高压绝缘自诊断技术、预充电电路及管理技术等等。针对电池的失效原理进行了深入研究，如对电池运行行为的建模、仿真等。对电池劣化的研究，特别是近两年对磷酸铁锂电池的衰减规律的研究，提出了有力的理论依据和研究结论。从电站的技经角度进行的电池寿命及经济性分析等等。也有研究从电池的均衡控制入手，研究电池的均衡控制方法和控制策略。

对于一个大型储能系统，一般由直流侧、升压部分和能源管理系统构成。直流侧指的是由电芯、BMS、温度控制系统、消防系统和安防系统构成。升压部分包括PCS和变压器及相应的监控系统，主要负责将交流和直流之间的能量变换，充放电模式的执行，一般情况下还包括升压变压器及变压器监控系统。能量管理系统是一套负责整体电站监控的系统平台，包括电芯、温度控制、消防、变压器和配电设备的监控，PCS的控制，一般情况下还要进行高级模式计算。电池管理系统是保证电芯可以正常工作的关键，电池管理系统租主要负责对电芯的参数进行实时监控、故障诊断、剩余容量估算、保护、漏电诊断和充放电模式的选择等等，一般情况下对于大型储能系统，BMS由三级构成。

随着技术的发展，储能系统的体量越来越大、对控制和监控系统的要去也就越来越高。一方面要求监控系统既能检测电芯的状态，也就是完成BMS的功能。另一方面也要完成与其他控制系统的对接和通讯，如能源管理系统EMS、消防控制系统、温度控制系统、安全监控系统等等。特别是随着储能项目容量的增加，电池芯的数量不断增加，现阶段单体储能项目以几百个MW的项目成为常态，对于这么大的储能项目电芯数量为几百万计算，对于电池管理系统的管理压力也呈指数级增加。同时，为了保证电站系统的正常工作，需要辅助的温度控制系统、消防控制系统、安全监控系统等系统也越来越辅助，涉及多个厂家、多种协议、多种参数，很难从底层参数和控制策略上进行统一，因此储能整体系统也很难发挥性能最佳。对于每个系统，都留有一定裕量，导致系统的裕量较大。多种系统的协议不同，对于EMS的管理压力也很大，很难进行有效的监控，因此大多系统EMS承担的角色只是进行状态监测，无法进行有效协调控制。

发明内容

发明目的：本发明提供一种可实现储能电站多种系统的融合和统一监控，安全性高、可用性强和运行效率好的多元储能融合控制终端及其控制系统。

技术方案：一种多元储能融合控制终端，包括计算控制模块、信息交互总线管理模块、双电源管理模块和通讯协议管理模块；

所述计算控制模块用于对外部设备监控，采集和控制监控数据，并进行边缘计算；包括控制器和存储器，所述存储器用于存储外部设备的各种参数和计算机程序；所述控制器用于执行存储器中存储的计算机程序实现对外部设备的控制；

所述信息交互总线管理模块用于获取外部设备的状态频率，并产生信号发送至计算控制模块；

所述双电源管理模块在其中一个电源模块停止工作时，另一个备用电源模块启动提供电能；

所述通讯协议管理模块用于接收外部设备发送的指令，根据指令调用相应的功能。

具体地，还包括参数管理系统，该系统设有信息安全管理模块，具有登录权限管理功能；对于不同外部设备的设置参数，采用统一的地址和命名方式，对参数进行管理；通过储能融合控制终端对各个系统进行参数设置。

具体地，所述计算控制模块可管理外部设备的参数、进程，并对信息进行存储和传输，采用本地存储和EMS存储的互相备份；实现对环境、视频、加热除湿、照明、防盗报警、门禁等监控量的采集和控制；还包括对不超过300个电池管理单元的控制。

具体地，所述储能融合控制终端可实现不大于512个储能单元的数据通讯管理，当管理的储能单元数量大于512个，采用扩展通讯管理模块的方式实现。

具体地，所述储能融合控制终端的系统协议包括现IEC101、IEC103、IEC104、DLT645-1997/2007、modbus、IECcdt、IEC61850，可定制适应设备的定制协议。

一种多元储能融合控制系统，包括储能融合控制系统以及多个储能融合控制终端；所述储能融合控制终端通过数据环网实现与储能融合控制系统的数据互通和上传。

更具体地，所述储能融合控制系统包括系统参数数据库、系统运行参数数据库和运行管理模块；所述系统参数数据库是将多个储能融合控制终端的参数数据进行统一管理和存储的数据库；所述系统运行参数数据库是将现场运行数据采集并存储；所述运行管理模块可实现多个系统运行模式的管理，对运行模式进行统一管理。

更具体地，所述运行管理模块包括电池运行管理、直流侧运行管理和升压仓运行管理。

更具体地，所述通过储能融合控制终端实现储能融合控制系统直流侧电池管理系统、环境控制系统、消防控制系统、安防控制系统的数据采集和控制；实现升压舱的数据采集。

更具体地，所述数据环网采用主电源和备用电源的方式与多元融合储能控制系统进行数据交互，系统可以实现无缝切换。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、储能融合控制终端通过数据环网实现数据的互通和上传，数据环网有效的避免由于数据链路故障造成的通讯问题；

2、储能融合控制终端在处理外部设备获取的数据时，采用本地运行而非后台服务器，因此运行数据更快；当数据量庞大时，采用本地边缘计算，解决了数据量庞大的传输问题和集中运算对运算能力的要求，降低投资需求；

3、储能单元的参数多，采用本地存储和EMS存储的互相备份，保证运行数据的安全性；如发现参数设置的不同，系统会将上报参数冲突故障；可以通过储能融合控制终端对各个系统进行参数设置。

4、储能融合控制终端可以实现各种协议的解析，实现多种设备的连接和管理。储能融合控制终端具有灵活的扩展能力，方便后期进行设备的扩展。

附图说明

图1是多元融合储能控制系统架构图；

图2是储能融合控制终端的结构框图；

图3是多元融合储能控制系统功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图2所示，一种多元储能融合控制终端，包括计算控制模块、信息交互总线管理模块、双电源管理模块和通讯协议管理模块；

计算控制模块用于对外部设备监控，采集和控制监控数据，并进行边缘计算；包括控制器和存储器，所述存储器用于存储外部设备的各种参数和计算机程序；所述控制器用于执行存储器中存储的计算机程序实现对外部设备的控制；信息交互总线管理模块用于获取外部设备的状态频率，并产生信号发送至计算控制模块；双电源管理模块在其中一个电源模块停止工作时，另一个备用电源模块启动提供电能；通讯协议管理模块用于接收外部设备发送的指令，根据指令调用相应的功能。

储能融合控制终端（以下简称“融合终端”）负责现场的数据采集和边缘计算，放在直流侧的电池舱里；可以实现对电池舱里电池管理单位BMU的数据采集、电池舱里空调和风扇运行状态的采集和控制、电池舱里消防系统的数据采集和控制，同时如果直流电池舱里有安防系统，该融合终端也可以实现对环境、视频、加热除湿、照明、防盗报警、门禁等监控量的采集和控制；一个融合终端可以实现一个直流电池舱里多个电池管理单元的数据采集和控制，具体连接数量可以无限扩展。

储能融合控制终端的系统协议包括现IEC101、IEC103、IEC104、DLT645-1997/2007、modbus、IECcdt、IEC61850，可定制适应设备的定制协议。

融合终端主要负责实现储能系统直流侧电池管理系统、环境控制系统、消防控制系统、安防控制系统的数据采集和控制，该融合终端可以实现多个电池管理单元的管理，具体不超过300个电池管理单元；每个融合终端可以实现不大于512个储能单元的数据通讯管理，上述512是9位ID定位决定；2的9次方是512，一方面是可以满足实际需求，另一方面对硬件的需求也不会很高。当管理的储能单元数量大于512个，可采用扩展通讯管理模块的方式实现；通过对于环境控制系统、消防控制系统可以实现多个数据互联和监控，例如对于环境监控系统，融合终端可以实现对多个工业空调的监控，采用融合终端，可以控制多个空调，具体是将空调的控制接口接到融合终端上，设定温度由融合终端实现；同时也可以通过扩展风扇扩展模块实现对舱体内风扇地控制；用融合终端，给风机调节器发送控制信号，由风机调节器控制风扇风速；当系统设置了一个环境控制系统，融合终端也可以直接与环境控制系统互通信息。同样，对于水冷系统，也是一样。融合终端与消防控制系统进行数据交互，为了保证消防控制系统的稳定可靠，一般情况下，融合终端只是采集消防控制系统的状态和设置参数，当有消防系统动作时，融合终端可以及时将信息传输给控制系统，并且控制相应通风设施进行动作；融合终端可以实现安防系统的信息交互，如系统没有设置专门的安防系统，则融合终端可以实现对环境、视频、加热除湿、照明、防盗报警、门禁等监控量的采集和控制。融合终端设置了双电源管理系统，可以同时接入不间断电源和站用电，提高了供电的可靠性。同时系统设置了内部的电池，可以保证系统故障时的数据存储和部分数据的传输，便于进行故障的追溯。系统设置了专用的通讯协议管理模块，可以实现不同厂家、不同型号、不同通讯协议的对接通讯。并且通讯协议管理模块可以进行扩展，提高了系统的灵活性。

还设置了参数管理系统，对于不同系统的设置参数，采用统一的地址和命名方式，对参数进行管理。对于系统数据设备采用本地存储和EMS存储的互相备份，保证运行数据的安全性。如发现参数设置的不同，系统会将上报参数冲突故障。可以通过融合终端对各个系统进行参数设置。同时，该系统为每个设备都建立固定的存储地址和档案，当系统状态发生变化时，相应的状态数据也会进行更新。该系统具有登录权限管理功能，对于检修员工只能进行系统状态查看，无法修改参数。对于技术管理权限，则可以进行参数设置。该系统具有信息安全管理模块，对于异常的读取、参数设置，系统会通过与EMS的校验系统进行验证。发现异常时，会上报异常通讯信息。

如图1所示，一种多元融合储能控制系统，实现对多个融合终端进行管理，按照系统运行特点控制多个系统的协调工作；包括储能融合控制系统以及多个融合终端；所述融合终端通过数据环网实现与储能融合控制系统的数据互通和上传；所述储能融合控制系统包括系统参数数据库、系统运行参数数据库和运行管理模块；所述系统参数数据库是将多个融合终端的参数数据进行统一管理和存储的数据库；所述系统运行参数数据库是将现场运行数据采集并存储；所述运行管理模块可实现多个系统运行模式的管理，对运行模式进行统一管理。

该系统可以实现多个融合终端的互联互通，并且每个融合终端可以实现对不同系统组合的数据采集和控制；融合终端通过数据环网实现数据的互通和上传，数据环网有效的避免由于数据链路故障造成的通讯问题；同时数据环网采用主电源和备用电源的方式与融合储能控制系统进行数据交互；在一主一备的通讯管理模式下，如果工作的线路有问题，就启用备用线路，系统可以实现无缝切换。

如图3所示，该控制系统包括几个模块：系统参数数据库、系统运行参数数据库、运行管理模块、能源管理系统高级应用。

系统参数数据库，是将多个融合终端的参数数据进行统一管理和存储的数据库，分为：电池管理系统参数，如充电截止电压、放电截止电压、单体电压高、单体电压低、总体电压高、总体电压低、绝缘电阻低、放电电流限制、充电电流限制等等数据。环境设置参数包括：包括高温限制、低温限制、湿度限制、温升限制等参数。消防设置参数包括：消防启动温度、微量气体上限值、盐雾传感器限制等参数。安防设置参数、配电设置参数等。同时系统也会通过采集升压舱参数获得升压舱的参数，包括最大充电电流、最大放电电流、最高电压、最低电压、最高温度等数据。能源管理系统参数包括：最大充电功率、最大放电功率、最高频率、最低频率、最高电压、最低电压等等参数。

系统运行参数数据库是将现场运行数据采集并存储；同样包括：电池系统运行数据、环境数据、消防监控系统数据、安防监控系统数据、配电监控系统数据、升压舱的运行数据、运行模式的数据等。运行数据的采集可以根据不同项目需求，进行配置。运行数据可以根据项目需求设置存储市场，一般情况下是1个月到1年，更长时间的运行数据可以通过数据备份实现。运行数据可以在出融合终端和云平台上同时存储，互为备份。

运行管理模块包括三个部分：电池运行管理、直流侧运行管理和升压仓运行管理；

电池运行管理包括：充电管理、放电管理、上电管理、推出管理、状态转换管理、电池电流管理、电池均衡管理；电池维护管理；电池性能管理；电池故障管理：温度异常、电压异常、通讯异常、温升异常、继电器异常、应力异常、内阻异常；通讯系统状态。

直流侧运行环境管理包括：电池温度、舱体温度、电池舱温升；温控设备监控：空调运行模式、空调运行状态、风扇运行状态；泄压口状态；消防系统管理：设备状态、控制模式；

升压舱运行管理：PCS工作模式、充放电电流、充放电电压、交流侧电流、交流侧电压、交流侧电流谐波、交流侧电压谐波、孤岛判断等；升压仓运行环境：变流器温度、变压器温度等；交流线路状态：开关状态、控制模式转换控制、线路检测状态。

运行管理管理模块如果接受到储能融合控制系统的运行模式转换命令后，电池运行管理模块会判断电池的剩余功率和剩余容量。判断是否满足命令要求，如果满足就开始执行，如果不满足反馈信息。对于电池运行管理模块中的不同功能，有不同对应的管理策略。如充电管理，管理模块会判断现在系统设定的参数是否是电池性能最优，在电池性能最优的情况下，充电管理会尽量降低充电功率，并保证电池按照电池厂家给出的最优充电曲线充电。

该系统还包括能源管理系统的高级应用，可根据场景选择，功能有系统消防健康状况的预测、数字孪生模型、设备状态监测和设备故障处理；高级应用的参数可以由系统参数数据库给出。针对储能电站运营维护的应用场景，电站的运营者需要对电站设备的运行参数、运行状态、运行模式等数据实时分析，并知道电站的运行模式切换。特别对于电站的安全监控，如消防系统的健康状况检测。

Claims (10)

1.一种多元储能融合控制终端，其特征在于：包括计算控制模块、信息交互总线管理模块、双电源管理模块和通讯协议管理模块；

所述计算控制模块用于对外部设备监控，采集和控制监控数据，并进行边缘计算；包括控制器和存储器，所述存储器用于存储外部设备的各种参数和计算机程序；所述控制器用于执行存储器中存储的计算机程序实现对外部设备的控制；

所述信息交互总线管理模块用于获取外部设备的状态频率，并产生信号发送至计算控制模块；

所述双电源管理模块在其中一个电源模块停止工作时，另一个备用电源模块启动提供电能；

所述通讯协议管理模块用于接收外部设备发送的指令，根据指令调用相应的功能。

2.根据权利要求1所述的一种多元储能融合控制终端，其特征在于：还包括参数管理系统，该系统设有信息安全管理模块，具有登录权限管理功能；对于不同外部设备的设置参数，采用统一的地址和命名方式，对参数进行管理；通过储能融合控制终端对各个系统进行参数设置。

3.根据权利要求1所述的一种多元储能融合控制终端，其特征在于：所述计算控制模块可管理外部设备的参数、进程，并对信息进行存储和传输，采用本地存储和EMS存储的互相备份；实现对环境、视频、加热除湿、照明、防盗报警、门禁等监控量的采集和控制；还包括对不超过300个电池管理单元的控制。

4.根据权利要求1所述的一种多元储能融合控制终端，其特征在于：所述储能融合控制终端可实现不大于512个储能单元的数据通讯管理，当管理的储能单元数量大于512个，采用扩展通讯管理模块的方式实现。

5.根据权利要求1所述的一种多元储能融合控制终端，其特征在于：所述储能融合控制终端的系统协议包括现IEC101、IEC103、IEC104、DLT645-1997/2007、modbus、IECcdt、IEC61850，可定制适应设备的定制协议。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种多元储能融合控制系统，其特征在于：包括储能融合控制系统以及多个储能融合控制终端；所述储能融合控制终端通过数据环网实现与储能融合控制系统的数据互通和上传。

7.根据权利要求6所述的一种多元储能融合控制系统，其特征在于：所述储能融合控制系统包括系统参数数据库、系统运行参数数据库和运行管理模块；所述系统参数数据库是将多个储能融合控制终端的参数数据进行统一管理和存储的数据库；所述系统运行参数数据库是将现场运行数据采集并存储；所述运行管理模块可实现多个系统运行模式的管理，对运行模式进行统一管理。

8.根据权利要求7所述的一种多元储能融合控制系统，其特征在于：所述运行管理模块包括电池运行管理、直流侧运行管理和升压仓运行管理。

9.根据权利要求8所述的一种多元储能融合控制系统，其特征在于：所述通过储能融合控制终端实现储能融合控制系统直流侧电池管理系统、环境控制系统、消防控制系统、安防控制系统的数据采集和控制；实现升压舱的数据采集。

10.根据权利要求6所述的一种多元储能融合控制系统，其特征在于：所述数据环网采用主电源和备用电源的方式与多元融合储能控制系统进行数据交互，系统可以实现无缝切换。

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