CN115173446A - 一种电化学储能系统及集中控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电化学储能系统及集中控制装置，属于电化学储能领域。所述电化学储能系统包括：能量管理系统、集中控制装置、储能变流器、电池管理系统；所述集中控制装置与能量管理系统连接；所述储能变流器、所述电池管理系统分别与所述集中控制装置连接。利用本发明提高了电化学储能系统的并联稳定性、瞬态一致性、容错性，且电池管理系统和储能变流器的并联数量多，运行方式灵活，实现了对储能变流器和电池管理系统的数据的高速采集和控制。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种电化学储能系统及集中控制装置。
背景技术
目前大规模储能系统对储能变流器的容量需求越来越大，储能变流器的多台并联成为储能系统扩容的主要手段。传统电化学储能系统的一次拓扑结构如图1所示，包括电网101、并离网切换装置102、负载103、储能变流器104、储能电池105(其中并离网切换装置102应用在并网和离网两种模式间切换运行的储能应用场景，如果是并网应用场景，需要使用并离网切换装置102，如果是离网应用场景，则不需要电网101和并离网切换装置102)。这种储能变流器多机并联方案大多是储能变流器+分裂变压器，其本身存在离网多机并联稳定性差，并离网切换一致性差，并联数量受限，分裂变压器成本高，运行方式不够灵活等一系列固有问题。
传统电化学储能系统的通信拓扑结构图如图2所示，包括能量管理系统201、电池管理系统202和储能变流器203。目前储能系统的能量管理系统201主要用于内部能量调度，由于通信和计算压力太大，对于电池管理系统202和储能变流器203的数据没有进行高速采集和深度分析。
为解决上述并联问题，大部分厂商在储能变流器的平台上进行优化，使用有线并联或无互连线并联等技术进行多机并联的协同同步和功率分配，如图2同步通信线所示，但实际应用仍然受限，无法彻底解决问题。一些厂家提出不同方案，在储能变流器上级增加一级控制单元，具体如图3所示，包括能量管理系统301、整流逆变控制模块302、电池管理系统303、储能变流器304，实现并联载波同步和多机之间的协同。但此方案只兼容指定储能变流器，且没有实现对电池管理系统和储能变流器的数据的高速采集和深度分析。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电化学储能系统及集中控制装置，提高稳定性、瞬态一致性、容错性，实现对储能变流器和电池管理系统的数据的高速采集和控制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个方面，提供了一种电化学储能系统，所述电化学储能系统包括：能量管理系统、集中控制装置、储能变流器、电池管理系统、储能电池；
所述集中控制装置与能量管理系统连接；
所述储能变流器、所述电池管理系统分别与所述集中控制装置连接；
所述储能电池与储能变流器连接。
本发明的进一步改进在于，所述电化学储能系统包括多个集中控制装置、多组下级执行装置；
每组下级执行装置包括一个储能变流器和一个电池管理系统；
每个集中控制装置分别与能量管理系统连接；
每个集中控制装置与至少一组下级执行装置连接；
每组下级执行装置中的储能变流器、电池管理系统分别与集中控制装置连接。
本发明的进一步改进在于，所述电池管理系统与所述集中控制装置之间通过光纤或者网线连接。
本发明的进一步改进在于，每个集中控制装置连接1-5组下级执行装置。
本发明的进一步改进在于，所述集中控制装置对与其连接的电池管理系统、储能变流器反馈的信息进行高速采集，并对信息进行分析处理得到处理结果，最后将处理结果发送给能量管理系统；
同时，所述集中控制装置根据能量管理系统下发的信息对与其连接的储能变流器、电池管理系统进行控制。
本发明的第二个方面，提供了一种集中控制装置，所述集中控制装置包括：上级通信接口、CPU、存储单元、双口RAM、模拟I/O、高性能FPGA、数字I/O和高速总线接口；
所述上级通信接口、存储单元分别与CPU连接；
所述CPU与双口RAM连接；
所述双口RAM与高性能FPGA连接；
所述模拟I/O、数字I/O分别与高性能FPGA连接；
多个高速总线接口分别与高性能FPGA连接。
本发明的进一步改进在于，所述集中控制装置中的上级通信接口能够与上述电化学储能系统中的能量管理系统连接。
本发明的进一步改进在于，所述集中控制装置中的一个高速总线接口能够与上述电化学储能系统中的一个储能变流器连接；
所述集中控制装置中的另一个高速总线接口能够与上述电化学储能系统中的一个电池管理系统连接。
本发明的进一步改进在于，所述集中控制装置进一步包括扩展板卡，其与CPU连接；
多个集中控制装置能够通过扩展板卡进行通信。
本发明的进一步改进在于，所述CPU通过并行总线与双口RAM连接；
所述双口RAM通过并行总线与高性能FPGA连接；
所述模拟I/O、数字I/O分别通过调理电路与高性能FPGA连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明提高了电化学储能系统的并联稳定性、瞬态一致性、容错性，且电池管理系统和储能变流器的并联数量多，运行方式灵活，实现了对储能变流器和电池管理系统的数据的高速采集和控制。
附图说明
图1是传统电化学储能系统的一次拓扑结构图；
图2是传统电化学储能系统的通信拓扑结构图；
图3是现有的增加储能变流器并联控制模块的电化学储能系统通信拓扑结构图；
图4是本发明电化学储能系统的通信拓扑结构图；
图5是本发明集中控制装置的一种硬件拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的目的是解决储能变流器并联的一系列问题并且加入对电池管理系统和储能变流器的数据的高速采集和深度分析，提出了一种电化学储能系统及集中控制装置。
具体的，本发明中的电化学储能系统包括：能量管理系统401、集中控制装置402、储能变流器403及电池管理系统404和储能电池。所述储能电池与储能变流器连接。
该系统改变了传统电化学储能系统的通信拓扑结构，在能量管理系统401、储能变流器403及电池管理系统404之间增加了一级高性能数据处理单元，即集中控制装置402，将储能变流器的高级控制策略和大数据分析、机器学习高级算法部署在集中控制装置402中，有效地解决了储能变流器并联的一系列问题，并提高了整体电化学储能系统的智能化运行能力。
图4所示为本发明中的电化学储能系统的通信拓扑结构图，每台集中控制装置402连接至少一组下级执行装置，每组下级执行装置包括储能变流器403和电池管理系统404。具体的，每组中的储能变流器403、电池管理系统404分别与集中控制装置402连接；进一步的，集中控制装置402与能量管理系统401连接。
现有拓扑结构中电池管理系统和储能变流器之间是直接连接，而本发明中电池管理系统404和储能变流器403不再直接连接，而是分别与集中控制装置402连接。
集中控制装置402对与其连接的下级执行装置中的电池管理系统404、储能变流器403反馈的信息进行高速采集，并对信息进行分析处理得到处理结果，最后将处理结果发送给能量管理系统401。
具体的，集中控制装置402对与其连接的下级执行装置中的电池管理系统404、储能变流器403反馈的电芯数据、电压、电流、故障等信息进行开关频率级的高速采集，并进行分析处理，执行大数据、机器学习等现有算法，对SOC、SOH、SOP和设备健康状态等信息进行分析校准，最后将结果上传到能量管理系统401中。
同时，集中控制装置402根据能量管理系统401下发的信息对其下级执行装置中的储能变流器403、电池管理系统404进行控制。
具体的，集中控制装置402根据能量管理系统401下发的功率、充放电等信息，进行虚拟同步发电机(“虚拟同步发电机”是储能变流器的一种运行模式和控制策略，是指通过模拟同步发电机的特性，使储能变流器具有同步发电机的惯性、阻尼等特性)、电压或功率的开关频率级的控制(集中控制装置根据给定的电压或功率以开关频率级的速度下达电流指令给储能变流器，储能变流器执行指令使输出电流与电流指令一致，集中控制装置同时将反馈的电压或功率的结果与给定的电压值或功率值进行比较，调整控制下发的电流指令，这些均是现有成熟的控制技术。，在此不再赘述)，将同步信号和电流指令等下发给多台储能变流器403，下级储能变流器403根据指令执行。
同时，集中控制装置402根据能量管理系统401下发的运行命令等信息，将启停机、合分闸等信息下发给储能变流器403和电池管理系统404，储能变流器403和电池管理系统404根据相应指令执行。
每台集中控制装置402可连接多组(优选1-5组)下级执行装置。若直接并联的储能变流器403数量超过单台集中控制装置402的接口容量，则可以采用多个集中控制装置402，各个集中控制装置分别与能量管理系统401连接。集中控制装置402之间还可以通过扩展板卡实现通信同步。集中控制装置402之间的通信信息是并联时所需的信息，包括：时间信息、功率、电压、电流、频率、载波同步等。
本发明系统中的能量管理系统与现有系统中的能量管理系统的区别如下：
传统能量管理系统的计算方法引入了模型误差、采样误差等因素，因此影响结果准确性。而本发明中的能量管理系统是接收集中控制装置中经过大数据、机器学习等高级算法的分析矫正后获得的电芯的SOC/SOP/SOH、设备的健康情况等信息(即通过下面提到的“CPU 503进行算数逻辑运算”获得的)。本发明中的能量管理系统发送给集中控制装置的是将原来的给定功率、给定电压等信息通过高级算法分析校正给定后的信息，而传统能量管理系统一般直接发送给定功率、给定电压等信息，往往造成执行效果不准确。
本发明系统中的电池管理系统与现有电池管理系统的区别在：
传统拓扑结构中，电池管理系统的上级管理设备是能量管理系统，两者之间需要进行远程通信，因此速度较慢。而本发明中，电池管理系统的上级管理设备是集中控制装置，而集中控制装置是安装在本地的，电池管理系统与集中控制装置之间是通过光纤或网线进行高速通信的。相比传统拓扑结构中的远程通信，由于本发明中的集中控制装置属于本地控制，所以本发明系统发送和接收信息的速度更快，进而提升了上级管理设备对电池管理系统信息的接收和响应速度。
本发明中的储能变流器与现有储能变流器的区别在于：
接收和发送信息的周期变快，并且均是开关频率级的。集中控制装置接收所有信号，并只将信号中的运行命令、电流指令和同步信号发送给储能变流器，因此储能变流器只接收运行命令、电流指令和同步信号。由于高速控制的需求和通信速率的提升，储能变流器发送的电压功率等信息为瞬时值，传统拓扑结构中发送的是有效值和平均值。
本发明将一部分控制功能由储能变流器转移至集中控制装置中，储能变流器发送瞬时值给集中控制装置，集中控制装置根据瞬时值进行快速的瞬时功率、电压控制。而且，因为电池管理系统不是直接与储能变流器通信而是与集中控制装置通信，所以和储能电池有关的故障信息是通过集中控制装置发送，这样储能变流器发送的故障信息相比传统拓扑结构中储能变流器发送的信息减少了，其只发送储能变流器自身的故障信息(例如过流过压等信息)，有关储能电池的故障信息(例如未连接等信息)则由集中控制装置发送。
集中控制装置402可以采用多种硬件或者电路板来实现。图5给出了一个集中控制装置402的实施例，其包括：上级通信接口501、扩展板卡502、高性能嵌入式芯片(CPU)503、大容量存储单元504、双口RAM505、模拟I/O506、高性能FPGA507、数字I/O508、高速同步通信接口(高速总线接口)509。
图5中的上级通信接口501、高性能嵌入式芯片(CPU)503、大容量存储单元504、双口RAM505、模拟I/O506、高性能FPGA507、数字I/O508、高速同步通信接口509均为成熟产品，在此不再赘述。扩展板卡502具有不同结构形式和多种功能，用于多个集中控制装置之间的同步通信，其结构主要包括将电信号转换为光信号的光纤收发元器件，并配电源、驱动等电路。其他功能为预留扩展功能，可以根据实际需要进行设计即可。
具体的，如图5所示，上级通信接口501、扩展板卡502、存储单元504分别与CPU503连接，CPU503通过并行总线与双口RAM505连接，双口RAM505通过并行总线与高性能FPGA507连接，模拟I/O506、数字I/O508分别通过调理电路与高性能FPGA507连接，多个高速总线接口(图5所示的实施例中设置了3个高速总线接口，分别为高速总线接口①、高速总线接口②、高速总线接口③，可以根据需要设置更多的高速总线接口。)分别与高性能FPGA507连接。
本发明集中控制装置402以线路板+封装的形式组成产品。上级通信接口501能够与能量管理系统401连接。一个高速总线接口与一个电池管理系统或者一个储能变流器连接，即一个高速总线接口与一个电池管理系统连接，另一个高速总线接口与一个储能变流器连接。高速总线接口509从与其连接的储能变流器和电池管理系统中采集电压、电流、故障、电芯数据等信息(这些信息均是现有储能变流器和电池管理系统自己产生并发送的，在此不再赘述)。模拟I/O 506和数字I/O 508可以用于采集系统中的开关量、总电压、总电流等信息，这些均是成熟技术，在此不再赘述。
所述FPGA 507能够进行高速逻辑处理和通信解码(均采用现有成熟技术实现，在此不再赘述)；双口RAM 505是作为数据缓冲堆栈，模拟I/O、数字I/O和FPGA的信息都通过并行总线存到双口RAM 505中，再通过并行总线由CPU 503进行算数逻辑运算(对数据进行加减乘除算数运算和与或非等逻辑运算，算数运算是指功率、电压电流有效值、以及利用机器学习校准SOC、SOP、SOH等计算，逻辑运算是指根据电池和储能变流器反馈运行和故障状态及上级指令，判断下一步运行待机停机等状态。这些均采用现有成熟技术实现，在此不再赘述。)、控制处理(采用现有成熟技术实现，例如下发运行待机停机等指令。)、高速缓存。
另外，本发明的集中控制装置配备有大容量存储单元504进行数据实时存储，同时将校正后的SOC、SOH、SOP等信息(电池管理系统会上传电压、电流、温度这些信息，集中控制装置根据电压、电流、温度这些信息进行算数逻辑运算得到校正后的SOC、SOP、SOH等，其中SOC是指电池的荷电状态，SOP是指电池的最大输出功率，SOH是指电池的健康状态。)通过上级通信接口501上传到能量管理系统中。CPU 503将运行命令(现有系统中的运行命令，包括启停机等运行命令，在此不再赘述。)、同步信号(现有系统中的同步信号，包括三角载波同步信号，在此不再赘述。)和电流指令(现有系统中的电流指令，包括功率控制和电压控制等控制输出的电流指令，发送给储能变流器，储能变流器根据电流指令实现电流的控制，在此不再赘述)等信息再通过并行总线经双口RAM 505、经FPGA 507进行高速逻辑处理和通信解码后，发送到数字I/O 508和高速总线接口509，进而发送给下级设备。
如果应用场合需要并网和离网两种模式间切换运行，则还可以在电化学储能系统中增加并离网切换装置，并离网切换装置与集中控制装置上的模拟I/O 506和数字I/O 508分别连接，其中，模拟I：用于采集并离网切换装置的总电压总电流等信息；模拟O：不输出模拟量。数字I：用于采集并离网切换装置的开关反馈、电池管理系统干接点、储能变流器干接点等信息；数字O：输出并离网切换装置的合分闸信号、电池管理系统合分闸信号、储能变流器合分闸信号等(均采用现有技术实现，在此不再赘述。)。本地负载与储能变流器的出口连接即可。
本发明中的电化学储能系统对下级储能变流器输入/输出电流执行开关频率级的控制，将虚拟同步发电机、电压、功率等控制算法引入集中控制装置中，而下级储能变流器仅根据高速总线接口发来的运行命令、同步信号和电流指令进行执行，使储能变流器实现多机并联协同同步和功率分配。
本发明中的电化学储能系统还加入了对电池管理系统和储能变流器的数据的高速采集和深度分析功能，对多台储能变流器和电池管理系统的底层数据进行开关频率级(储能变流器是通过IGBT高频斩波实现直流/工频交流的变换，IGBT的开关频率是单位时间内周期性变化的次数，在每个开关周期内实现一次所有关键数据的交互。)的高速采集，并进行分析处理，将大数据、机器学习等算法进行分布式部署，并将结果上传到能量管理系统中，能量管理系统可借助这些结果进行更加精准的功率调度及运维建议。
本发明中的集中控制装置主要采用高性能嵌入式芯片作为CPU、大容量存储单元、高速同步通信接口等关键组件，以线路板+封装的形式组成产品。硬件单元具备双芯片架构，CPU+FPGA架构使得系统可同时兼容复杂代数运算和高速逻辑及通信处理；两芯片间以双口RAM作为数据缓冲堆栈，同时配备一块大容量存储单元，可存储秒级海量数据及故障录波，扩展板卡可用于新增外部元器件连接、外部设备连接和多台集中控制装置之间的互联；模拟和数字I/O接口可完成电压电流采集，逻辑开关量输入输出等功能；高速总线接口用于连接下级储能变流器和电池管理系统，完成同步信号和控制信号的开关频率级发送，以及高速数据接收。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种电化学储能系统，其特征在于：所述电化学储能系统包括：能量管理系统、集中控制装置、储能变流器、电池管理系统、储能电池；
所述集中控制装置与能量管理系统连接；
所述储能变流器、所述电池管理系统分别与所述集中控制装置连接；
所述储能电池与储能变流器连接。
2.根据权利要求1所述的电化学储能系统，其特征在于：所述电化学储能系统包括多个集中控制装置、多组下级执行装置；
每组下级执行装置包括一个储能变流器和一个电池管理系统；
每个集中控制装置分别与能量管理系统连接；
每个集中控制装置与至少一组下级执行装置连接；
每组下级执行装置中的储能变流器、电池管理系统分别与集中控制装置连接。
3.根据权利要求2所述的电化学储能系统，其特征在于：所述电池管理系统与所述集中控制装置之间通过光纤或者网线连接。
4.根据权利要求3所述的电化学储能系统，其特征在于：每个集中控制装置连接1-5组下级执行装置。
5.根据权利要求1所述的电化学储能系统，其特征在于：所述集中控制装置对与其连接的电池管理系统、储能变流器反馈的信息进行高速采集，并对信息进行分析处理得到处理结果，最后将处理结果发送给能量管理系统；
同时，所述集中控制装置根据能量管理系统下发的信息对与其连接的储能变流器、电池管理系统进行控制。
6.一种集中控制装置，其特征在于：所述集中控制装置包括：上级通信接口、CPU、存储单元、双口RAM、模拟I/O、高性能FPGA、数字I/O和高速总线接口；
所述上级通信接口、存储单元分别与CPU连接；
所述CPU与双口RAM连接；
所述双口RAM与高性能FPGA连接；
所述模拟I/O、数字I/O分别与高性能FPGA连接；
多个高速总线接口分别与高性能FPGA连接。
7.根据权利要求6所述的集中控制装置，其特征在于：所述集中控制装置中的上级通信接口能够与如权利要求1-5任一项所述的电化学储能系统中的能量管理系统连接。
8.根据权利要求7所述的集中控制装置，其特征在于：所述集中控制装置中的一个高速总线接口能够与如权利要求1-5任一项所述的电化学储能系统中的一个储能变流器连接；
所述集中控制装置中的另一个高速总线接口能够与如权利要求1-5任一项所述的电化学储能系统中的一个电池管理系统连接。
9.根据权利要求6所述的集中控制装置，其特征在于：所述集中控制装置进一步包括扩展板卡，其与CPU连接；
多个集中控制装置能够通过扩展板卡进行通信。
10.根据权利要求6所述的集中控制装置，其特征在于：所述CPU通过并行总线与双口RAM连接；
所述双口RAM通过并行总线与高性能FPGA连接；
所述模拟I/O、数字I/O分别通过调理电路与高性能FPGA连接。
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