CN113725909B - 模块化电源站系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化电源站系统，包括电源站控制器，用于进行各个子系统及模块的协调控制，保持系统功能稳定，实现电源站的正常工作；操作模块，用于进行电源站操作控制和数据流通；最小支持子系统，用于实现低压供电、热管理和通信管理；电源转换子系统，对设备接口模块供电，用于实现多种发电来源融合、电能存储、电源转换；设备接口模块，用于实现信息设备或用电设备的连接。采用了本发明的模块化电源站系统，能够解决露天矿区新能源车辆和装备的移动充电问题，能够为临时用电场景提供独立、清洁的复合电源，能够为重要设施提供备用或应急电源，能够为新能源车辆支持设备提供支持，能够为应急场景提供模块化、小型化的快速部署电源。

Description

模块化电源站系统

技术领域

本发明涉及新能源能量补给技术领域，具体是指一种模块化电源站系统。

背景技术

随着新能源技术的不断进步和国家对鼓励新能源技术应用政策的不断推出，越来越多的行业或场景有了使用新能源产品的需求，比如新能源车辆、采用新能源的建筑和工厂、新能源特种技术装备和工程机械、绿色矿山建设、应急电源或备用电源设备，甚至包括抢险救灾或疫情防疫装备等。特别是绿色矿山/港口/交通/公共设施/特种装备等的环保与新能源政策的推进，越来越多的矿山或非道路场景开始使用电动车辆或设备进行作业和运营，甚至以绿色矿山为基础的周边拓展型运输场景和作业场景也开始大量使用新能源车辆和设备，这些新能源车辆和设备主要以电能作为能量来源，电能补充成为影响新能源技术设备普及最大障碍。同时，在新能源设备工作场景中，有人参与的工作场景所用的能源也与新能源设备的能源产生了交叉，这也产生了新的供电电源需求，急需解决。在这些场景下，对于方便、多功能、小型化的新能源属性的模块化电源站产生了需求：

1、野外作业场景不适合建设固定电源站，特别对于工作场所会发生变动的场景，比如露天矿区开采、野外勘探、抢险救援等。

2、复合用电需求场景增加，有多重电源输出需求。比如野外露营、办公、救援、维修、开采等，除了要给新能源车辆进行直流充电外，还需要给临时建筑提供其它特性的电能，比如生活用或设备用的交流电或低压直流电等。

3、生活中临时用电需求场景增多，比如夜市、疫情防疫点、临时救援、大型社会活动等，不仅需要普通应急电源，对新能源装备的支持需求也大大增加。

4、电能转换需要有多重保障，同时电能来源要方便，比如用新能源燃料发电、通过氢燃料发电、拉临时电网进行变电等。

5、对于小型重要建筑或设施需要有储能备电保障，特别是在现有环境下对于新能源类型的电源站有更多的需求。

6、符合环保需求的新能源车辆移动支援装备有快速需求，比如新能源补/换电车、新能源救援/维修车，这些都需要新能源类型的电源站组件。

7、电源站组件需要模块化，易于增减组件，同时系统要便于快速移动部署，这样能够满足更多的临时固定或经常移动的工作场景。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足功能丰富、操作简便、适用范围较为广泛的模块化电源站系统。

为了实现上述目的，本发明的模块化电源站系统如下：

该模块化电源站系统，其主要特点是，所述的系统包括：

电源站控制器，用于进行各个子系统及模块的协调控制，保持系统功能稳定，实现电源站的正常工作；

操作模块，与所述的电源站控制器通信连接，用于进行电源站操作控制和数据流通；

最小支持子系统，与所述的电源站控制器通信和操作模块连接，用于实现低压供电、热管理和通信管理；

电源转换子系统，与所述的电源站控制器和最小支持子系统通信连接，对设备接口模块供电，用于实现多种发电来源融合、电能存储、电源转换；

设备接口模块，与所述的操作模块、最小支持子系统和电源转换子系统通信连接，用于实现信息设备或用电设备的连接；

所述的最小支持子系统包括：

低压电路模块，与所述的操作模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于实现电源站各控制系统低压供电；

热管理模块，与所述的操作模块、低压电路模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于进行电源站大功率设备的热量管理，进行各系统工作温度的平衡控制；

通信模块，与所述的电源站控制器、操作模块、低压电路模块、热管理模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于实现电源站所有信号和通信的接入和处理；

所述的电源转换子系统包括：

高压电源模块，与所述的通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电源的产生和存储；

高压配电模块，与所述的高压电源模块、通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现电源站高压设备供电连接；

电源逆变模块，与所述的高压配电模块、高压电源模块、通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现电源站高压设备电源转换。

较佳地，所述的操作模块包括：

远程数据单元，与所述的通信模块和低压电路模块相连接，用于通过通信手段与远程平台实现对外数据互通；

数据显示单元，与所述的通信模块相连接，用于显示直接参数或意图参数；

输入/输出控制单元，与所述的通信模块和热管理模块相连接，用于控制操作按钮、按键、触摸屏、语音识别及图像识别的输入/输出操作；

系统工作指示与应急单元，与所述的通信模块相连接，用于显示设备的状态，在异常状态快速进入应急处理流程；

系统数据记录与诊断单元，与所述的通信模块相连接，用于记录系统数据，并通过数据进行信息诊断。

较佳地，所述的低压电路模块包括：

低压电路管理单元，与远程数据单元和通信模块相连接，用于负责低压电路及其各支路连接设备的供电管理，并提供管理和状态信息；

低压电路配电盒，与远程数据单元、低压电路管理单元和高压电源模块相连接，用于管理低压电路管理系统，提供信息采集点；

系统内部低压电源，与所述的低压电路配电盒相连接，用于保证低压电源的稳定供电。

较佳地，所述的热管理模块包括：

热管理控制单元，与输入/输出控制单元和通信模块相连接，用于根据温度控制需求，为各模块提供热量平衡进出服务，同时利用不同模块的热属性差异进行热管理节能；

热管理功能组件，与所述的热管理控制单元、通信模块和电源转换子系统相连接，用于执行热管理模块的控制策略。

较佳地，所述的通信模块包括：

信号与网络集线盒，与所述的电源站控制器、操作模块和电源转换子系统相连接，用于通过通信连接各模块；

通信网络管理单元，与信号与网络集线盒相连接，用于将通信信息进行整理和归类，根据不同系统的需要进行精确发送，并对通信故障进行识别和处理。

较佳地，所述的高压电源模块包括：

内燃机发电单元，用于通过逆变器实现直流高压电输出；

氢燃料电池单元，用于通过高压逆变处理实现直流高压电输出；

高压电池单元，用于存储及输出电能，稳定电压，管理内部高压电路；

超级电容单元，用于对功率突变稳压，应对负载功率的大斜率变化；

所述的内燃机发电单元、氢燃料电池单元、高压电池单元和超级电容单元均为独立结构，所述的高压电池单元和超级电容单元并联连接，共同负责电能的存储和输出；所述的内燃机发电单元和氢燃料电池单元单独发电或并联共同发电；所述的内燃机发电单元和氢燃料电池单元均与直流高压电路配电柜连接，输出高压直流电；高压电池单元和超级电容单元均与所述的直流高压电路配电柜连接，输出或输入高压直流电。

较佳地，所述的高压配电模块包括：

高压配电管理单元，与所述的通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于负责高压电路及其各支路连接设备的连接管理，并提供管理和状态信息；

绝缘监测单元，与所述的高压配电管理单元相连接，用于负责高压电路的漏电检测，发出警告信息；

直流高压电路配电柜，与所述的高压配电管理单元和电源逆变模块相连接，用于提供信息采集点，执行电路的主动或被动保护。

较佳地，所述的电源逆变模块包括：

低压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电转变为低压直流电；

双向高压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现双向高压直流电的转换，给不同直流电压平台的设备供电，并给外界直流设备或电源给电源站补充电能；

高压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于将交流电转变为直流电；

交流并网逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电转变为交流电。

较佳地，所述的设备接口模块包括：

设备接口管理单元，用于管理接口连接状态监测、接口电路的通断和切换管理、接口电路的保护、接口信息的处理和传达；

系统诊断/调试接口，与所述的设备接口管理单元相连接，用于进行电源站系统的调试、检测、诊断；

设备通信接口，与所述的设备接口管理单元和系统诊断/调试接口相连接，用于建立与设备之间的通信互联；

低压直流设备接口，与所述的低压直流逆变器相连接；

高压直流设备接口，与所述的双向高压直流逆变器和高压直流逆变器相连接；

交流设备接口，与所述的高压直流逆变器和交流并网逆变器相连接；

交流电网接口，与所述的高压直流逆变器和交流并网逆变器相连接。

采用了本发明的模块化电源站系统，能够解决露天矿区新能源车辆和装备的移动充电问题，能够为临时用电场景提供独立、清洁的复合电源，能够为重要设施提供备用或应急电源，能够为新能源车辆支持设备提供支持，能够为应急场景提供模块化、小型化的快速部署电源。

附图说明

图1为本发明的模块化电源站系统的结构示意图。

图2为本发明的模块化电源站系统的系统架构。

图3为本发明的模块化电源站系统的通信网络架构。

图4为本发明的模块化电源站系统的高压电源系统构成原理。

图5为本发明的模块化电源站系统的逆变与接口系统构成和工作原理。

附图标记：

1 操作模块

2 低压电路模块

3 高压电源模块

4 热管理模块

5 高压配电模块

6 通信模块

7 电源逆变模块

8 电源站控制器

9 设备接口模块

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该模块化电源站系统，其中包括：

电源站控制器，用于进行各个子系统及模块的协调控制，保持系统功能稳定，实现电源站的正常工作；

操作模块，与所述的电源站控制器通信连接，用于进行电源站操作控制和数据流通；

最小支持子系统，与所述的电源站控制器通信和操作模块连接，用于实现低压供电、热管理和通信管理；

电源转换子系统，与所述的电源站控制器和最小支持子系统通信连接，对设备接口模块供电，用于实现多种发电来源融合、电能存储、电源转换；

设备接口模块，与所述的操作模块、最小支持子系统和电源转换子系统通信连接，用于实现信息设备或用电设备的连接；

所述的最小支持子系统包括：

低压电路模块，与所述的操作模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于实现电源站各控制系统低压供电；

热管理模块，与所述的操作模块、低压电路模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于进行电源站大功率设备的热量管理，进行各系统工作温度的平衡控制；

通信模块，与所述的电源站控制器、操作模块、低压电路模块、热管理模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于实现电源站所有信号和通信的接入和处理；

所述的电源转换子系统包括：

高压电源模块，与所述的通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电源的产生和存储；

高压配电模块，与所述的高压电源模块、通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现电源站高压设备供电连接；

电源逆变模块，与所述的高压配电模块、高压电源模块、通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现电源站高压设备电源转换。

作为本发明的优选实施方式，所述的操作模块包括：

远程数据单元，与所述的通信模块和低压电路模块相连接，用于通过通信手段与远程平台实现对外数据互通；

数据显示单元，与所述的通信模块相连接，用于显示直接参数或意图参数；

输入/输出控制单元，与所述的通信模块和热管理模块相连接，用于控制操作按钮、按键、触摸屏、语音识别及图像识别的输入/输出操作；

系统工作指示与应急单元，与所述的通信模块相连接，用于显示设备的状态，在异常状态快速进入应急处理流程；

系统数据记录与诊断单元，与所述的通信模块相连接，用于记录系统数据，并通过数据进行信息诊断。

作为本发明的优选实施方式，所述的低压电路模块包括：

低压电路管理单元，与远程数据单元和通信模块相连接，用于负责低压电路及其各支路连接设备的供电管理，并提供管理和状态信息；

低压电路配电盒，与远程数据单元、低压电路管理单元和高压电源模块相连接，用于管理低压电路管理系统，提供信息采集点；

系统内部低压电源，与所述的低压电路配电盒相连接，用于保证低压电源的稳定供电。

作为本发明的优选实施方式，所述的热管理模块包括：

热管理控制单元，与输入/输出控制单元和通信模块相连接，用于根据温度控制需求，为各模块提供热量平衡进出服务，同时利用不同模块的热属性差异进行热管理节能；

热管理功能组件，与所述的热管理控制单元、通信模块和电源转换子系统相连接，用于执行热管理模块的控制策略。

作为本发明的优选实施方式，所述的通信模块包括：

信号与网络集线盒，与所述的电源站控制器、操作模块和电源转换子系统相连接，用于通过通信连接各模块；

通信网络管理单元，与信号与网络集线盒相连接，用于将通信信息进行整理和归类，根据不同系统的需要进行精确发送，并对通信故障进行识别和处理。

作为本发明的优选实施方式，所述的高压电源模块包括：

内燃机发电单元，用于通过逆变器实现直流高压电输出；

氢燃料电池单元，用于通过高压逆变处理实现直流高压电输出；

高压电池单元，用于存储及输出电能，稳定电压，管理内部高压电路；

超级电容单元，用于对功率突变稳压，应对负载功率的大斜率变化；

所述的内燃机发电单元、氢燃料电池单元、高压电池单元和超级电容单元均为独立结构，所述的高压电池单元和超级电容单元并联连接，共同负责电能的存储和输出；所述的内燃机发电单元和氢燃料电池单元单独发电或并联共同发电；所述的内燃机发电单元和氢燃料电池单元均与直流高压电路配电柜连接，输出高压直流电；高压电池单元和超级电容单元均与所述的直流高压电路配电柜连接，输出或输入高压直流电。

作为本发明的优选实施方式，所述的高压配电模块包括：

高压配电管理单元，与所述的通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于负责高压电路及其各支路连接设备的连接管理，并提供管理和状态信息；

绝缘监测单元，与所述的高压配电管理单元相连接，用于负责高压电路的漏电检测，发出警告信息；

直流高压电路配电柜，与所述的高压配电管理单元和电源逆变模块相连接，用于提供信息采集点，执行电路的主动或被动保护。

作为本发明的优选实施方式，所述的电源逆变模块包括：

低压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电转变为低压直流电；

双向高压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现双向高压直流电的转换，给不同直流电压平台的设备供电，并给外界直流设备或电源给电源站补充电能；

高压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于将交流电转变为直流电；

交流并网逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电转变为交流电。

作为本发明的优选实施方式，所述的设备接口模块包括：

设备接口管理单元，用于管理接口连接状态监测、接口电路的通断和切换管理、接口电路的保护、接口信息的处理和传达；

系统诊断/调试接口，与所述的设备接口管理单元相连接，用于进行电源站系统的调试、检测、诊断；

设备通信接口，与所述的设备接口管理单元和系统诊断/调试接口相连接，用于建立与设备之间的通信互联；

低压直流设备接口，与所述的低压直流逆变器相连接；

高压直流设备接口，与所述的双向高压直流逆变器和高压直流逆变器相连接；

交流设备接口，与所述的高压直流逆变器和交流并网逆变器相连接；

交流电网接口，与所述的高压直流逆变器和交流并网逆变器相连接。

本发明的具体实施方式中，电源站系统，由9个子系统构成，包括操作模块、低压电路模块、高压电源模块、热管理模块、高压配电模块、通信模块、电源逆变模块、电源站控制器、设备接口模块。以氢燃料电池系统作为主要的电能来源，辅助以备用电源、能量存储设备，通过逆变器组件实现电能转换。为了实现系统的正常工作，以电源站控制系统为核心，配备操作模块和其它的辅助系统(低压供电/热管理/通信网络)，最终通过接口系统实现电能输出。

其中操作模块包括远程数据单元、数据显示单元、输入/输出控制单元、单元工作指示与应急单元、单元数据记录与诊断单元。

低压电路模块包括低压电路管理单元、低压电路配电盒、单元内部低压电源。

高压电源模块包括内燃机发电单元、氢燃料电池单元、高压电池单元、超级电容单元。

热管理模块包括热管理控制单元、热管理功能组件。

高压配电模块包括高压配电管理单元、绝缘监测单元、直流高压电路配电柜。

通信模块包括通信网络管理单元、信号与网络集线盒。

电源逆变模块包括低压直流逆变器、双向高压直流逆变器、高压直流逆变器、交流并网逆变器。

设备接口模块包括设备接口管理单元、系统诊断/调试接口、设备通信接口、低压直流设备接口、高压直流设备接口、交流设备接口、交流电网接口。

最小支持子系统包括低压电路模块、热管理模块、通信模块，电源转换子系统包括高压电源模块、高压配电模块电源逆变模块。这两个局部子系统与电源站控制器、操作模块、设备接口模块的功能定义和系统架构关系如图2所示。

各通信子部件的通信网络连接关系如图3所示。

高压电源模块包括内燃机发电单元、氢燃料电池单元、高压电池单元、超级电容单元。各系统均为独立的功能模块，其中内燃机发电单元和氢燃料电池单元与直流高压电路配电柜连接，输出高压直流电；高压电池单元和超级电容单元与直流高压电路配电柜连接，既可以输出高压直流电，也可以输入高压直流电；内燃机发电单元与氢燃料电池单元可以各自单独发电，也可以并联共同发电；高压电池单元和超级电容单元属于并联关系，共同负责电能的存储和输出。

高压直流逆变器输出有两个连接接口，一路接口与直流高压电路配电柜连接，向电源站系统提供电能；另一路接口与高压直流设备接口连接，可向直流充电设备提供电能；输入口与交流电网接口连接。

交流并网逆变器的输出口、交流转直流的高压直流逆变器的输入口、交流设备接口和交流电网接口并联。能够实现交流并网能力，即储能、并网发电、并网供电、离网供电等功能。

采用双向高压直流逆变器，可实现对车充电；可实现用充电桩对电源站控制器进行补电；可实现从车辆抽取电能可用于储能、车电转换为交流等其它用途。

本发明是一种电源站系统，满足市场对新能源电源站的需要，实现电源站面对新场景的技术需求，比如新能源化、多功能化、小型化、模块化、使用范围广、可靠性高、系统集成度高、方便快速运输和布置。

本发明为新能源车辆进行充电，为临时建筑点提供生活和设备用电，能够兼容电网并联需求，可保障供电稳定性，以新能源为主要发电来源，配备备用发电系统，辅助发电或防止主发电系统异常，具备电能转化功能的同时，具有一定的电能存储能力，能够实不间断供电，防止出现输出中断，模块化，易于根据需要进行组件增减，形成多样化组合，小型化，易于集成和运输，方便快速部署或移动作业。

以氢燃料电池系统作为主要的电能来源，辅助以备用电源、能量存储设备，通过逆变器组件实现电能转换。为了实现系统的正常工作，以电源站控制系统为核心，配备操作模块和其它的辅助系统(低压供电/热管理/通信网络)，最终通过接口系统实现电能输出。

本发明的模块化电源站的系统构成如图1所示，其中包括以下模块：

1、操作模块。实现电源站操作控制和数据流通的功能，主要负责电源站的输入/输出能量控制、控制参数和效果参数的可视化、数据下载与上传、工作状态指示和应急操作、数据记录与故障诊断等，子系统构成：

1-1远程数据单元。通过4G、蓝牙、WiFi、GPS定位等通信手段，与远程平台实现对外数据互通。

1-2数据显示单元。数据显示装置，用于直接参数或意图参数的表达显示。

1-3输入/输出控制单元。操作按钮、按键、触摸屏、语音识别、图像识别等用于人的输入/输出意图实现。

1-4系统工作指示与应急单元。声、光、电等可直观表达设备的状态，发现异常可快速进入应急处理流程。

1-5系统数据记录与诊断单元。数据存储、备份、回放、处理等，通过数据展示或发现功能信息、工作信息、故障信息、日志信息等。

2、低压电路模块。实现电源站各控制系统低压供电的功能，主要负责供电分配管理、电位稳定、电路保护、电路故障诊断等，子系统构成：

2-1低压电路管理单元。全面负责低压电路及其各支路连接设备的供电管理，并提供管理和状态信息。

2-2低压电路配电盒。负责执行低压电路管理系统的管理意图，提供信息采集点，执行电路的主动或被动保护。

2-3系统内部低压电源。主体为低压蓄电池，也可以为之配套独立低压变电设备，目的是保证低压电源的稳定供电。

3、高压电源模块。实现高压直流电源的产生和存储功能，主要负责发电、存储、稳压、功率突变处理、多电源优化和平衡管理、故障处理、系统状态信息反馈、发电控制策略实现等，子系统构成：

3-1内燃机发电系统。采用汽油、柴油、天然气、甲醇等燃料的内燃机发电机，通过逆变器实现直流高压电输出。发电系统的冷却由电源站的热管理模块统一处理，本系统配套其它设施完备。

3-1-1发电系统控制器。统一管理内燃机发电系统的运行。

3-1-2燃料箱。

3-1-3内燃机发电机。

3-2氢燃料电池系统。消耗氢气，采用氢燃料发动机发电，通过高压逆变处理实现直流高压电输出。发电系统的冷却由电源站的热管理模块统一处理，本系统配套其它设施完备。

3-2-1氢燃料电池控制器。统一管理氢燃料发电系统的运行。

3-2-2氢气储存系统。

3-2-3氢燃料电池堆站。除了电堆外，也包括其附件系统，比如空气循环系统、氢气循环系统、数据采集系统等。

3-3高压电池系统。存储/输出电能，稳定电压，内部高压电路管理。电池系统的冷却由电源站的热管理模块统一处理，本系统配套其它设施完备。

3-3-1电池管理系统。

3-3-2高压电池组。

3-3-3高压电池电器盒。主要涉及供电通断控制、电路预充控制、电路保护器件、电路数据采集等。

3-4超级电容系统。主要作用是功率突变稳压，应对负载功率的大斜率变化，除此之外还有较好的温度适应性，可以在系统启动初期提供较好功率支持。电容系统的冷却由电源站的热管理模块统一处理，本系统配套其它设施完备。

3-4-1超级电容管理系统。

3-4-2超级电容电池。

4、热管理模块。实现电源站主要大功率设备的热量管理的功能，主要负责各系统工作温度的平衡控制，包括热量导出/导入、与环境的热交换、内部热量的交换、系统效能的优化等，子系统构成：

4-1热管理控制单元。根据各温度控制需求系统的需要，为各系统提供相对精确的热量平衡进出服务。同时可在整个热管理模块内部充分利用不同系统的热属性差异实现节能用热管理。

4-2热管理功能组件。执行热管理模块的控制策略，主要指导热媒介循环、环境热交换、内部热交换等，一般包括管路、液泵或气泵、散热机组、加热模块、开关阀组件、传感器等。能够实现预热、保温、散热、通风、除湿、温度采集、流体过滤、流体循环等功能。

5、高压配电模块。实现电源站高压设备供电连接的功能，主要负责高压供电分配管理、电位稳定、电路保护、电路故障诊断等，子系统构成：

5-1高压配电管理单元。全面负责高压电路及其各支路连接设备的连接管理，并提供管理和状态信息。

5-2绝缘监测单元。负责高压电路的漏电检测，发出警告信息。

5-3直流高压电路配电柜。负责执行高压配电管理系统的管理意图，提供信息采集点，执行电路的主动或被动保护。

6、通信模块。实现电源站所有信号和通信的接入和处理功能，主要负责信号处理、通信网络管理、故障检测与处理等，子系统构成：

6-1通信网络管理单元。主要功能是将通信信息进行整理和归类，根据不同系统的需要进行精确发送，保证通信模块流畅，同时对通信故障进行识别和处理。

6-2信号与网络集线盒。包括通信接口、网关设备、通信电阻、信号处理器、通信电源等。

7、电源逆变模块。实现电源站高压设备电源转换的功能，主要负责不同类型高压电源的转换、电位稳定、输出保护、逆变策略实行等，子系统构成：

7-1低压直流逆变器。实现高压直流电转变为低压直流电，用于车辆、设备等低压供电。

7-2双向高压直流逆变器。实现双向高压直流电的转换，用于不同直流电压平台的设备用电，也可以用于外界直流设备或电源给电源站补充电能。

7-3高压直流逆变器。交流电转变为直流电，用于车辆、设备等高压供电，也可给电源站补充电能。

7-4交流并网逆变器。实现高压直流电转变为交流电，用于车辆、设备等高压供电，也可与交流电网并联供电或回馈电网。

8、电源站控制器。对整个电源站系统的运行进行管理，主要负责各个子系统的协调控制，维护系统功能稳定，实现电源站的正常工作。

9、设备接口模块。实现信息设备或用电设备的连接功能，主要负责电路连接的检测、电能流通、信息流通、接口连接电路管理等，子系统构成：

9-1设备接口管理单元。接口连接状态监测、接口电路的通断和切换管理、接口电路的保护、接口信息的处理和传达等。

9-2系统诊断/调试接口。用于电源站系统的调试、检测、诊断等。

9-3设备通信接口。用于建立与设备之间的通信互联。

9-4低压直流设备接口；

9-5高压直流设备接口；

9-6交流设备接口；

9-7交流电网接口。

系统架构设计构成如图2所示，以电源站控制器为整个电源站系统工作的总控制中心，协调发电、变电和输出。整个系统的四大组件为操作模块、最小支持子系统、电源转换子系统、设备接口模块。要求：接口系统能够实现低压直流输出、高压直流输出、交流输出；电源转换子系统能够实现多种发电来源融合、电能存储、电源转换；最小支持子系统能够实现低压供电、热管理、通信管理；操作模块能够实现电源站操控、数据操作。

网络架构的层级设计如图3所示：以通信网络管理系统为整个电源站网络架构的核心，协调各级通信节点的信号传递/处理/检测/统计等，保证通信的实时性和准确性，及时处理通信故障，为电源站控制器提供最高效的数据通信管理服务。整个网络拓扑的第一层级为电源站控制器、系统支持网络、工作电源网络。要求：电源站控制器能够根据通信数据实现系统工作协调、能量管理和优化、系统状态监测、故障诊断与处理、输入/输出接口管理；系统支持网络能够实现操作、数据、供电、散热、接口等信息的互通与协作，保证电源站能够处于正常可操作状态；工作电源网络能够实现发电、变电、电路切换、电路状态监测与故障处理等功能，最终实现电源站的电源供给和保障能力。

高压电源模块构成原理如图4所示：电源站控制器作为高压电源模块工作的总控系统，负责发电与储能控制策略。

1、氢燃料发电作为主，内燃机发电系统为辅。在正常工作时，额定高效的发电功率由氢燃料电池提供，当系统出现超出常规的用电负荷或者氢燃料电池不能正常工作时，内燃机发电系统可稳定系统发电功能。或者在特殊情况下氢气不能得到及时补充时，也可以起动内燃机发电系统工作来作为电源站的主要电能来源。

2、高压电池组合超级电容电池形成组合，能够为电源站实现电能储备和电位稳定的功能。在发电系统切换、发电控制策略改变、输出负荷变动等功率变化较大情况下，为发电系统的协调稳定和对外供电稳定提供了缓冲。

3、根据系统配置的需要，可对发电单元或储能单元进行增减。比如可只采用一套发电设备或较少的电池，也可增加发电设备的类型和数量以提高发电能力，甚至大大增加储能电池的数量以增强储能能力等。

4、高压配电模块负责协调电路的接通/断开管理，实现发电/切换/储能/稳压/保护隔离/安全监测等功能。在无故障情况下，实现系统的快速供电、内部系统启动过程简化、电源快速无中断切换、抑制功率突变等；在故障时可降功率使用、故障系统隔离、安全断电保护等。

逆变与接口系统构成和工作原理如图5所示：电源站控制器作为电源逆变模块工作的总控系统，负责电源转换策略。

1、配备多种形式的电源逆变器，满足使用场景对多种复合用电情况的需求。通常会有与车辆相关的低压直流电、与车辆充电相关的高压直流电、与生活用电或设备用电相关的交流电；

2、采用双向高压直流逆变器，可实现对车充电，也可实现用充电桩对电源站系统进行补电。甚至可以实现从车辆抽取电能，这种功能可用于临时储能、车电转换为交流等其它用途。

3、交流转直流的高压直流逆变器，输出口与高压配电柜连接，也与高压直流设备接口连接。这样做可实现对电源站的储能部分充电，也可实现交流电直接转换为直流电后给车辆充电。

4、交流并网逆变器的输出口、交流转直流的高压直流逆变器的输入口、交流设备接口和交流电网接口并联。这样做可实现交流并网能力，能够实现储能、并网发电、并网供电、离网供电等多种功能。

5、根据系统配置的需要，逆变系统进行增减。比如可配置成单一的直流车辆充电系统，或者也可配置成建筑的交流并网储能备电系统等。

本发明能够解决露天矿区新能源车辆和装备的移动充电问题，能够为临时用电场景提供独立、清洁的复合电源，能够为重要设施提供备用或应急电源，能够为新能源车辆支持设备提供支持，能够为应急场景提供模块化、小型化的快速部署电源。

本发明在构型方面强调的是以氢燃料电源转换为主，用内燃机发电系统增加系统发电功能冗余性和能量来源多样性，利用高压电池平衡发电效率和能量稳定，利用电容电池应对大功率突变，通过多种电源逆变器实现多种电能输出形式。本发明在构型上强调的是发电和管理能力，即多源发电、多种变电、能量管理与协调架构。

本发明的主要功能是采用氢燃料电池为主、内燃机发电为辅的发电系统，通过高压电池和电容电池实现储能稳压和应对功率突变，通过多功能电源逆变系统实现多种电能输出。

本发明中使用氢气通过燃料电堆发出直流电，电能的流向可以是高压电池、电容电池、高压DC-DC、低压DC-DC、DC-AC等多种途径，电能流向由电源站根据负载信息判断，通过高压电路变换、电源逆变设备选择与控制、设备通信信息、主电源和备用电源的状态控制等实现输出低压直流、高压直流、高压交流等输出功能，通过负载需求和电池储能等综合情况主动控制发电单元的功率，实时发电功率可不等于实时用电负载，本质上是一种主动智能发电系统。同时本发明中配备了电容电池，可应对突变功率需求，能保大大提高系统供电的稳定性。

本发明的技术方案的最大的特点是能量管理与协调，即把不同性质的电源进行融合，提高发电系统的高效性和电能供给的稳定性，同时也提供电能输出的多样性。氢燃料电池系统的发电特性与内燃机系统的发电特性是不同的：氢燃料电池系统通过控制氢气的流量控制发电功率，直流发电电压不高，需要通过直流升压原理实现直流输出；内燃机发电系统通过控制内燃机(燃油供给量)和发电机(控制参数)控制发电功率，发电电机本身输出为变频变压交流电，需要通过交流转直流的电机控制器实现直流输出；这两种发电能源均有一个较大的可调输出电压范围，不能直接用于输出功率不可控的用电场景；这两种发电能源均需要高压起动电源才能工作，高压起动电源主要负责系统工作设备的维持，比如压气机工作、发动机起动等。为了实现氢燃料电池和内燃机增程系统的工作和电源融合，需要给系统配备电池系统，主要作用是统一和稳定工作电压平台：适当容量的高压电池为系统提供稳定的内部高压用电需求；补偿发电电源不稳定带来的系统电压波动；电容电池为系统提供功率储备，防止功率输入/输出突变引起的电压平台剧烈波动；电能储存和稳定，即为了使发电系统高效可实现电能供给的削峰填谷；平衡稳定电源切换导致的输出功率不稳定；可存储多条路径的电能，比如发电机电能、外界直流充电电能、电网余量充电电能。本发明可通过交流并网逆变器实现与电网的联合工作，即与氢燃料电池发电系统和内燃机发电系统在电源站控制系统的统一管理下配合，以最高效的方式实现发电、供电。最后，为了实现人们对复合用电需求的增加，在电源逆变部分实现直流低压供电、直流高压供电、交流高压供电等功能。整个系统的技术方案以高压配电系统作为总的控制枢纽控制功能电路的通断，以电源站管理系统为控制核心进行能量管理协调策略从而调动各组件的工作状态，能够最终实现氢能发电为主、多电源融合、供电稳定、输出多样的电源站产品架构。

在本发明中，特别强调了模块化电源站的思路，采用了功能系统分离和可组合配置的思路。在本发明中将低压电路系统、热管理系统、通信系统分别单独开发，以期待获取更好的适用范围。

低压电路系统中专门开发了低压电路管理系统，负责整个低压电路及其各支路连接设备的供电管理，并提供管理和状态信息，采用可扩展节点电路，便于低压用电设备的增删，设计时就根据统计需求设计出符合不同功率需求和数量的分支节点电路，用电设备根据属性特点接入即可，并在低压电路管理系统的控制软件中给与信息标识和编程控制。

通信系统的核心是通信网络管理系统，通信系统将所有子系统的通信和信号全部统一连接、监督和管控，负责信号处理、通信网络管理、故障检测与处理等，保障电源站控制系统的信息安全、正常的流通。采用节点化和域控方式，将不同层级的网络分级处理，精简信息传递，提高通信效率和可靠性。各信号和通信设备根据所述网络域，提供通信协议和通信属性，由通信网络管理系统进行通信识别、数据处理和对口发送。通信网络管理系统独立于电源站控制系统，设定自己的通信安全和管理规则。

热管理系统负责整个电源站主要功率器件的热管理工作，主要是散热管理。在本发明中，各个系统不单独进行热管理，而是由系统进行统一架构和管理。热管理控制系统主要负责各系统工作温度的平衡控制，包括热量导出/导入、与环境的热交换、内部热量的交换、系统效能的优化等。由热管理功能模块执行热管理系统的控制策略，主要指导热媒介循环、环境热交换、内部热交换等，一般包括管路、液泵或气泵、散热机组、加热模块、开关阀组件、传感器等。能够实现预热、保温、散热、通风、除湿、温度采集、流体过滤、流体循环等功能。热管理功能模块需要根据所配置功率部件的特性进行配置，不同部件各自的热量管控策略和流程需要进行融合控制，以达到在满足性能的条件下节能和延长使用寿命的目的。

本发明电源站除了以氢这种清洁能源为电能转化原料外，也可以使用其它燃料进行电能转化，保证了能量来源的多元化和稳定性，适应更多的使用场景；电源站具备储能功能，能够防止功率突变，保证电位稳定，同时也为多种电能来源的切换提供了无缝链接支持，这些特点除了能够保证设备工作的稳定性外，也为作为重要建筑或设施的储能备电提供了技术保障；多种电源逆变模块为电源站提供了稳定、多样的电能转变能力，既能够满足输出的多样性，也能够作为电源站维持内/外电网平衡稳定的重要桥梁；电源站具备交流并网和储能能力，能够实现储能、并网发电、并网供电、离网供电等多种功能；电源站系统采用模块化设计思路，由9大系统构成，每个系统可根据实际需要对所属组件进行增减，能够满足多样化的产品或功能需求；电源站的配置大量采用经过新能源车辆或装备应用/验证的系统或技术，比如内燃机增程器、氢燃料电池、车用动力电池、热管理模块、逻辑控制器、车规级低压电路、数据记录和传输系统、CAN总线网络等，逆变器系统中也是与充电桩技术、光伏发电技术等相关，这样能够保证整个电源站系统的可靠性，同时装备过车辆的各种部件在集成设计和小型化方面也有较强的技术优势。

采用了本发明的模块化电源站系统，能够解决露天矿区新能源车辆和装备的移动充电问题，能够为临时用电场景提供独立、清洁的复合电源，能够为重要设施提供备用或应急电源，能够为新能源车辆支持设备提供支持，能够为应急场景提供模块化、小型化的快速部署电源。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种模块化电源站系统，其特征在于，所述的系统包括：

电源站控制器，用于进行各个子系统及模块的协调控制，保持系统功能稳定，实现电源站的正常工作；

操作模块，与所述的电源站控制器通信连接，用于进行电源站操作控制和数据流通；

最小支持子系统，与所述的电源站控制器通信和操作模块连接，用于实现低压供电、热管理和通信管理；

电源转换子系统，与所述的电源站控制器和最小支持子系统通信连接，对设备接口模块供电，用于实现多种发电来源融合、电能存储、电源转换；

设备接口模块，与所述的操作模块、最小支持子系统和电源转换子系统通信连接，用于实现信息设备或用电设备的连接；

所述的最小支持子系统包括：

低压电路模块，与所述的操作模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于实现电源站各控制系统低压供电；

热管理模块，与所述的操作模块、低压电路模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于进行电源站大功率设备的热量管理，进行各系统工作温度的平衡控制；

通信模块，与所述的电源站控制器、操作模块、低压电路模块、热管理模块、电源转换子系统和设备接口模块相连接，用于实现电源站所有信号和通信的接入和处理；

所述的电源转换子系统包括：

高压电源模块，与所述的通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电源的产生和存储；

高压配电模块，与所述的高压电源模块、通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现电源站高压设备供电连接；

电源逆变模块，与所述的高压配电模块、高压电源模块、通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于实现电源站高压设备电源转换。

2.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的操作模块包括：

远程数据单元，与所述的通信模块和低压电路模块相连接，用于通过通信手段与远程平台实现对外数据互通；

数据显示单元，与所述的通信模块相连接，用于显示直接参数或意图参数；

输入/输出控制单元，与所述的通信模块和热管理模块相连接，用于控制操作按钮、按键、触摸屏、语音识别及图像识别的输入/输出操作；

系统工作指示与应急单元，与所述的通信模块相连接，用于显示设备的状态，在异常状态快速进入应急处理流程；

系统数据记录与诊断单元，与所述的通信模块相连接，用于记录系统数据，并通过数据进行信息诊断。

3.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的低压电路模块包括：

低压电路管理单元，与远程数据单元和通信模块相连接，用于负责低压电路及其各支路连接设备的供电管理，并提供管理和状态信息；

低压电路配电盒，与远程数据单元、低压电路管理单元和高压电源模块相连接，用于管理低压电路管理系统，提供信息采集点；

系统内部低压电源，与所述的低压电路配电盒相连接，用于保证低压电源的稳定供电。

4.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的热管理模块包括：

热管理控制单元，与输入/输出控制单元和通信模块相连接，用于根据温度控制需求，为各模块提供热量平衡进出服务，同时利用不同模块的热属性差异进行热管理节能；

热管理功能组件，与所述的热管理控制单元、通信模块和电源转换子系统相连接，用于执行热管理模块的控制策略。

5.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的通信模块包括：

信号与网络集线盒，与所述的电源站控制器、操作模块和电源转换子系统相连接，用于通过通信连接各模块；

通信网络管理单元，与信号与网络集线盒相连接，用于将通信信息进行整理和归类，根据不同系统的需要进行精确发送，并对通信故障进行识别和处理。

6.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的高压电源模块包括：

内燃机发电单元，用于通过逆变器实现直流高压电输出；

氢燃料电池单元，用于通过高压逆变处理实现直流高压电输出；

高压电池单元，用于存储及输出电能，稳定电压，管理内部高压电路；

超级电容单元，用于对功率突变稳压，应对负载功率的大斜率变化；

所述的内燃机发电单元、氢燃料电池单元、高压电池单元和超级电容单元均为独立结构，所述的高压电池单元和超级电容单元并联连接，共同负责电能的存储和输出；所述的内燃机发电单元和氢燃料电池单元单独发电或并联共同发电；所述的内燃机发电单元和氢燃料电池单元均与直流高压电路配电柜连接，输出高压直流电；高压电池单元和超级电容单元均与所述的直流高压电路配电柜连接，输出或输入高压直流电。

7.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的高压配电模块包括：

高压配电管理单元，与所述的通信模块、低压电路模块、热管理模块和设备接口模块相连接，用于负责高压电路及其各支路连接设备的连接管理，并提供管理和状态信息；

绝缘监测单元，与所述的高压配电管理单元相连接，用于负责高压电路的漏电检测，发出警告信息；

直流高压电路配电柜，与所述的高压配电管理单元和电源逆变模块相连接，用于提供信息采集点，执行电路的主动或被动保护。

8.根据权利要求1所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的电源逆变模块包括：

低压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电转变为低压直流电；

双向高压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现双向高压直流电的转换，给不同直流电压平台的设备供电，并给外界直流设备或电源给电源站补充电能；

高压直流逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于将交流电转变为直流电；

交流并网逆变器，与所述的高压配电模块、通信模块和设备接口模块相连接，用于实现高压直流电转变为交流电。

9.根据权利要求8所述的模块化电源站系统，其特征在于，所述的设备接口模块包括：

设备接口管理单元，用于管理接口连接状态监测、接口电路的通断和切换管理、接口电路的保护、接口信息的处理和传达；

系统诊断/调试接口，与所述的设备接口管理单元相连接，用于进行电源站系统的调试、检测、诊断；

设备通信接口，与所述的设备接口管理单元和系统诊断/调试接口相连接，用于建立与设备之间的通信互联；

低压直流设备接口，与所述的低压直流逆变器相连接；

高压直流设备接口，与所述的双向高压直流逆变器和高压直流逆变器相连接；

交流设备接口，与所述的高压直流逆变器和交流并网逆变器相连接；

交流电网接口，与所述的高压直流逆变器和交流并网逆变器相连接。