CN116094001A - 一种用于电池内化成的调峰储能系统及调峰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电池内化成的调峰储能系统及调峰方法，调峰储能系统包括至少一台化成充放电机和储能双向变流器，所述化成充放电机的交流输入端连接外部交流电源，所述化成充放电机的直流输出端连接待检测电池的内化成回路，所述储能双向变流器连接储能电池堆，所述储能双向变流器和所述化成充放电机之间连接有公共直流母排。本发明通过采用以梯次电池为主体的储能建设，可以消纳回馈电网部分电量，同时减少回馈损失，通过接入现有充放电机的直流公共母排实现储能电池堆充电，在白天尖峰、高峰时段由储能电池堆放电，最终实现削峰填谷收益，同时储能电池堆可以作为应急备用电源，有效的保证工厂/车间的用电。

Description

一种用于电池内化成的调峰储能系统及调峰方法
技术领域
本发明涉及电力储能技术领域，具体涉及一种用于电池内化成的调峰储能系统及调峰方法。
背景技术
内化成是铅酸蓄电池化成的一种方式，相对于电池的外化成，内化成工艺能降低电池自放电，提高电池的一致性，延长了电池寿命，且电池内化成减少废水废气的排放。
内化成技术是采用恒流多次充电、放电直至化成结束。电池在内化成生产时充放电结合，放电目前虽然有部分直接通过公用直流母线充电机内部消化，但仍存在消化不了的大部分通过电阻丝发热或通过交流逆变反馈到电网的情况，浪费或逆变效率低。
对于电池厂家来说，直接按照现有工业分时电价体系进行生产，存在电池生产成本居高不下；而且对于一些像90分钟梯次电池来说，电池需要量较少，造成电池的积压，导致此类电池的剩余价值无法发挥，电池有效利用率较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种用于电池内化成的调峰储能系统，包括至少一台化成充放电机和储能双向变流器，所述化成充放电机的交流输入端连接外部交流电源，所述化成充放电机的直流输出端连接待检测电池的内化成回路，所述储能双向变流器连接储能电池堆，所述储能双向变流器和所述化成充放电机之间连接有公共直流母排。
本发明进一步设置为还包括控制器和电池管理系统，所述电池管理系统分别与所述储能电池堆、所述储能双向变流器和所述控制器连接，所述电池管理系统接收所述控制器下发的所述储能电池堆的运行参数设定值，所述电池管理系统监测所述储能电池堆的电池信息并将所述电池信息上报给所述控制器，所述电池管理系统根据所述电池信息控制所述储能双向变流器的输出电压。
本发明进一步设置为还包括交流侧电表，所述交流侧电表采集交流电网配电信息将所述交流电网配电信息反馈给所述控制器。
本发明进一步设置为所述储能电池堆包括若干簇电池簇，每一簇所述电池簇包括若干组串联的电池组，每一组所述电池组包括若干个并联的储能电池，所述电池管理系统包括从控单元BMU、主控单元BCMS和总控单元BAMS，所述从控单元BMU与所述主控单元BCMS之间和所述主控单元BCMS与所述总控单元BAMS之间均采用总线连接，所述从控单元BMU监测所述电池组的电池信息，所述主控单元BCMS监测所述电池簇的电池信息，所述总控单元BAMS与所述储能双向变流器通信连接，所述总控单元BAMS与所述控制器通信连接。
本发明进一步设置为所述储能双向变流器与所述电池簇连接，所述储能双向变流器与所述电池簇的连接回路上依次连接有断路器、熔断器和接触器，所述主控单元BCMS的输出端连接所述接触器的线圈，所述接触器上并联有预充电阻。
本发明进一步设置为所述储能双向变流器与所述电池簇的连接回路上还连接有电流互感器，所述电流互感器的输出端连接所述主控单元BCMS的输入端。
本发明进一步设置为所述电池信息包括单体所述储能电池的电压、单体所述储能电池的电流、单体所述储能电池的SOC、单体所述储能电池的温度、所述电池组的电压、所述电池组的电流、所述电池组的SOC、所述电池组的温度、所述电池簇的电压、所述电池簇的电流和所述电池簇的SOC中的至少一种。
一种用于电池内化成的调峰储能方法，采用上述的调峰储能系统，包括
根据工业分时电价体系预设低谷时间段和高峰时间段，并设置储能电池堆的放电深度；
在低谷时间段，内化成回路进行充电时，外部交流电源通过充放电机对内化成回路提供充电电流；内化成回路进行放电时，充放电机输出直流电至公共直流母排，储能双向变流器通过接入的公共直流母排为储能电池堆充电；
在高峰时间段，内化成回路进行充电时，储能电池堆通过充放电机对内化成回路提供充电电流；内化成回路进行放电时，充放电机输出直流电至公共直流母排，储能双向变流器通过接入的公共直流母排为储能电池堆充电。
本发明进一步设置为设定外部交流电网的功率区间，实时获取外部交流电网的主变功率；
当主变功率低于低功率保护阈值时，降低储能双向变流器的输出功率；
当主变功率高于高功率保护阈值时，提高储能双向变流器的输出功率或降低储能双向变流器的输入功率。
本发明进一步设置为实时获取储能电池堆的电池信息；
当储能电池堆的电池信息正常时，储能电池堆正常进行充放电；
当储能电池堆的电池信息异常时，断开储能电池堆中异常状态的电池组。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明调峰储能系统是用于电池内化成工艺，根据电池在内化成生产时充放电结合以及现有工业分时电价体系，设置了以梯次电池为储能对象的电能储存单元；在电价低谷时由电网直接向内化成回路供电，同时也可以通过公共直流母排和储能双向变流器为储能电池堆进行供电储能；在电价高峰或尖峰时由储能电池堆通过储能双向变流器和公共直流母排向内化成回路供电；在内化成回路放电时，内化成回路通过公共直流母排和储能双向变流器将电能回充到储能电池堆中。本发明综合工厂基地实际工作制度及库存电池情况，通过采用以梯次电池为主体的储能建设，可以消纳回馈电网部分电量，同时减少回馈损失，根据夜间谷电期间不使用电力，利用充放电机AC/DC转换，通过接入现有充放电机的直流公共母排实现储能电池堆充电，在白天尖峰、高峰时段由储能电池堆放电，最终实现削峰填谷收益，同时储能电池堆可以作为应急备用电源，有效的保证工厂/车间的用电。
本发明采用电池管理系统对储能电池堆的单体储能电池、电池组、电池簇的信息进行全面监控，从控单元BMU、主控单元BCMS和总控单元BAMS之间采用总线通讯，下层的监控单元将所监测的信息进行汇总上报到总控单元BAMS，总控单元BAMS对上报的电池信息进行分析处理，以单体储能电池为最小监测单元进行精细化管理，有效提高储能单元的安全性和稳定性。
本发明还设置了用于监测外部交流电网中主变的功率电表，根据外部交流电网功率信息调节储能双向变流器的输出功率或输入功率，以降低主变的功率负载，有效减少对电网的交流放电，进一步减少了电费的消耗。
附图说明
图1为本发明实施例系统拓扑图。
图2为本发明实施例储能单元拓扑图。
图3为本发明实施例储能单元电气连接示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；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的具体含义。
实施例1
结合附图1至附图3，本发明技术方案是一种用于电池内化成的调峰储能系统，包括至少一台化成充放电机20和储能双向变流器30，所述化成充放电机20的交流输入端连接外部交流电源，所述化成充放电机20的直流输出端连接待检测电池的内化成回路40，所述储能双向变流器30连接储能电池堆50，所述储能双向变流器30和所述化成充放电机20之间连接有公共直流母排60。
在上述实施例中，所述公共直流母排60用于所述化成充放电机20和所述储能双向变流器30之间的电能的输送。
在上述实施例中，所述化成充放电机20是适用于小型密封蓄电池的化成和电池组的充放电，即背景技术中所提到的内化成工艺；本发明中所述化成充放电机是直流母线回收型，可设置各类电池的化成工艺程式及参数，具有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、恒流限压放电、循环、静置等工作方式，具有定时间、定电压、定安时的阶段转换方式和定时记录运行数据功能；具有过流、过压、断流、及掉电数据保存、来电自动恢复等功能；具有电池防反接、过放电等保护功能，可实现多台电源的集中网络控制和数据处理。
在上述实施例中，所述储能双向变流器30是应用于并网储能和微网储能等交流耦合储能系统中，连接蓄电池组和电网(或负荷)之间，是实现电能双向转换的装置，内置有升压(Boost)、降压(Buck)及可逆模式多种组合，具备蓄电池分段充电功能，提高蓄电池寿命。
在上述实施例中，所述内化成回路40上为需进行内化成工艺的蓄电池。
在上述实施例中，所述储能电池堆50为梯次电池，主要为90分钟梯次电池或120分钟梯次电池，此类电池需要量较少，造成电池的积压，导致此类电池的剩余价值无法发挥，电池有效利用率较低。选择此类蓄电池作为储能电池堆的基本构成，一是对于蓄电池厂家来说，回收的梯次电池可以在储能电池堆中发挥最后的剩余价值，有效降低工厂用电成本；二是对于铅酸蓄电池来说技术成熟、成本较低，如下表1所示的各类储能电池的特点和应用以及表2所述的各类储能电池技术特性比较。
表1
表2
因此，对主流储能电池进行比选，全钒液流电池能量密度低，成本高、占地面积大不符合本项目能量密集型要求。磷酸铁锂具备放电深度和充放电倍率高等优势，但成本高，无法工业化回收，无回收经济性，消防受限较大，故本项目不推荐采用磷酸铁锂电池。AGM铅酸电池作为传统铅蓄电池演进出来的先进电池，成本低，可回收性高，安全性高。
在本实施例中，还包括控制器10和电池管理系统70，所述电池管理系统70分别与所述储能电池堆50、所述储能双向变流器30和所述控制器10连接，所述电池管理系统70接收所述控制器10下发的所述储能电池堆50的运行参数设定值，所述电池管理系统70监测所述储能电池堆50的电池信息并将所述电池信息上报给所述控制器10，所述电池管理系统70根据所述电池信息控制所述储能双向变流器30的输出电压。
在本实施例中，还包括交流侧电表80，所述交流侧电表80采集交流电网配电信息将所述交流电网配电信息反馈给所述控制器10。
在上述实施例中，所述交流侧电表80监测外部交流电网中主变的功率，根据外部交流电网功率信息调节储能双向变流器的输出功率或输入功率，以降低主变的功率负载，有效减少对电网的交流放电，进一步减少了电费的消耗。
在本实施例中，所述储能电池50堆包括若干簇电池簇51，每一簇所述电池簇51包括若干组串联的电池组52，每一组所述电池组52包括若干个并联的储能电池，所述电池管理系统70包括从控单元BMU71、主控单元BCMS72和总控单元BAMS73，所述从控单元BMU71与所述主控单元BCMS72之间和所述主控单元BCMS72与所述总控单元BAMS73之间均采用CAN总线连接，所述从控单元BMU71监测所述电池组52的电池信息，所述主控单元BCMS72监测所述电池簇51的电池信息，所述总控单元BAMS73通过RS485总线与所述储能双向变流器30通信连接，所述总控单元BAMS73与所述控制器10通信连接。
在上述实施例中，采用电池管理系统对储能电池堆的单体储能电池、电池组、电池簇的信息进行全面监控，从控单元BMU、主控单元BCMS和总控单元BAMS之间采用总线通讯，下层的监控单元将所监测的信息进行汇总上报到总控单元BAMS，总控单元BAMS对上报的电池信息进行分析处理，以单体储能电池为最小监测单元进行精细化管理，有效提高储能单元的安全性和稳定性。
在本实施例中，所述储能双向变流器30与所述电池簇51连接，所述储能双向变流器30与所述电池簇51的连接回路上依次连接有断路器31、熔断器32和接触器33，所述主控单元BCMS72的输出端连接所述接触器33的线圈，所述接触器33上并联有预充电阻34。
在上述实施例中，所述断路器31和熔断器32用于保护回路上的短路或过流故障；所述接触器33为所述主控单元BCMS72控制回路是否导通的分断电器；所述预充电阻34是确保充电回路的安全，避免过大电流对所述电池簇51造成影响。
在本实施例中，所述储能双向变流器30与所述电池簇51的连接回路上还连接有电流互感器35，所述电流互感器35的输出端连接所述主控单元BCMS73的输入端；所述电流互感器35用于采集回路上的电流信号。
在本实施例中，所述电池簇51被安装于支架或箱柜内，可在支架或箱柜内设置温度传感器，并配备升温或降温装置来调整储能电池堆的温度。若温度达到设定的危险值，电池管理系统自动与系统保护机制联动，及时切断电池回路。
在本实施例中，所述电池信息包括单体所述储能电池的电压、单体所述储能电池的电流、单体所述储能电池的SOC、单体所述储能电池的温度、所述电池组的电压、所述电池组的电流、所述电池组的SOC、所述电池组的温度、所述电池簇的电压、所述电池簇的电流和所述电池簇的SOC中的至少一种。
在另外的实施例中，所述电池管理系统70还监测每一组电池组的SOH。
为了进一步说明本实施例调峰储能系统，以实际的一种实施方案进行说明：
如表3所示，为某车间的年度用电分析，可知每天尖峰时段用电负荷平均1723kW。
表3
月份 月总用电量(kWh) 日平均用电量(kWh) 尖峰段时长(h) 日均尖峰用电量(kWh) 日均尖峰功率(kW)
一月份 178524 28800 6 12343 2057
二月份 98250 17550 4 5014 1254
三月份 180798 29160 4 8331 2083
四月份 158412 26400 4 7543 1886
五月份 153852 24810 4 7089 1772
六月份 107448 17910 4 5117 1279
七月份 120222 19380 6 8306 1384
八月份 135378 21840 6 9360 1560
九月份 146646 24450 4 6986 1746
十月份 155664 25110 4 7174 1794
十一月份 165492 27570 4 7877 1969
十二月份 164322 26490 6 11353 1892
平均 147084 24122.5 4.67 8041 1723
考虑到梯次电池以70％的放电深度，电池组由10个单体储能电池并联构成，电池簇由54组电池组串联构成；先并后串的连接方式可减少电池间容量差异。根据每簇电池簇的放电容量和车间尖峰时刻的用电量匹配出相应电池簇的簇数。以12V/20Ah的90分钟梯次电池为例，电池簇的额定电压为648V；根据电池簇的电压选择在工作电压范围的储能双向变流器。
本发明根据电池在内化成生产时充放电结合以及现有工业分时电价体系，设置了以梯次电池为储能对象的电能储存单元；在电价低谷时由电网直接向内化成回路供电，同时也可以通过公共直流母排和储能双向变流器为储能电池堆进行供电储能；在电价高峰或尖峰时由储能电池堆通过储能双向变流器和公共直流母排向内化成回路供电；在内化成回路放电时，内化成回路通过公共直流母排和储能双向变流器将电能回充到储能电池堆中。本发明综合工厂基地实际工作制度及库存电池情况，通过采用以梯次电池为主体的储能建设，可以消纳回馈电网部分电量，同时减少回馈损失，根据夜间谷电期间不使用电力，利用充放电机AC/DC转换，通过接入现有充放电机的直流公共母排实现储能电池堆充电，在白天尖峰、高峰时段由储能电池堆放电，最终实现削峰填谷收益，同时储能电池堆可以作为应急备用电源，有效的保证工厂/车间的用电。
实施例2
本发明技术方案是一种用于电池内化成的调峰储能方法，采用实施例1所述的调峰储能系统，包括：
根据工业分时电价体系预设低谷时间段和高峰时间段，并设置储能电池堆的放电深度；
在低谷时间段，内化成回路进行充电时，外部交流电源通过充放电机对内化成回路提供充电电流；内化成回路进行放电时，充放电机输出直流电至公共直流母排，储能双向变流器通过接入的公共直流母排为储能电池堆充电；
在高峰时间段，内化成回路进行充电时，储能电池堆通过充放电机对内化成回路提供充电电流；内化成回路进行放电时，充放电机输出直流电至公共直流母排，储能双向变流器通过接入的公共直流母排为储能电池堆充电。
在上述实施例中，还可以预设储能电池堆的上限电能容量和下限电能容量，在低谷时间段，若储能电池堆电能容量低于下限电能容量，外部交流电源通过充放电机和储能双向变流器对储能电池堆进行充电，若储能电池堆电能容量高于上限电能容量，则停止在低谷时间段进行充电，上限电能容量是为了避免储能电池堆的电能容量满后，内化成回路无法放电到储能电池堆进行回充，因此需要对储能电池堆的容量进行限制。
在本实施例中，设定外部交流电网的功率区间，实时获取外部交流电网的主变功率；
当主变功率低于低功率保护阈值时，降低储能双向变流器的输出功率；
当主变功率高于高功率保护阈值时，提高储能双向变流器的输出功率或降低储能双向变流器的输入功率。
在上述实施例中，主变功率为外部交流电网上主变压器的工作功率，通过设置低功率保护阈值和高功率保护阈值，使得储能系统拥有防逆流与防溢出控制功能。
在本实施例中，实时获取储能电池堆的电池信息；
当储能电池堆的电池信息正常时，储能电池堆正常进行充放电；
当储能电池堆的电池信息异常时，断开储能电池堆中异常状态的电池组。
在上述实施例中，以单体储能电池为最小监测单元进行精细化管理，当某一组电池组中的单体储能电池发生故障，例如温度异常、电压异常、电流异常等等，电池管理系统中的控制器逐级上报，并暂时停止所在电池组或电池簇的电压输出/输入。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，包括至少一台化成充放电机和储能双向变流器，所述化成充放电机的交流输入端连接外部交流电源，所述化成充放电机的直流输出端连接待检测电池的内化成回路，所述储能双向变流器连接储能电池堆，所述储能双向变流器和所述化成充放电机之间连接有公共直流母排。
2.根据权利要求1所述的一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，还包括控制器和电池管理系统，所述电池管理系统分别与所述储能电池堆、所述储能双向变流器和所述控制器连接，所述电池管理系统接收所述控制器下发的所述储能电池堆的运行参数设定值，所述电池管理系统监测所述储能电池堆的电池信息并将所述电池信息上报给所述控制器，所述电池管理系统根据所述电池信息控制所述储能双向变流器的输出电压。
3.根据权利要求2所述的一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，还包括交流侧电表，所述交流侧电表采集交流电网配电信息将所述交流电网配电信息反馈给所述控制器。
4.根据权利要求2所述的一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，所述储能电池堆包括若干簇电池簇，每一簇所述电池簇包括若干组串联的电池组，每一组所述电池组包括若干个并联的储能电池，所述电池管理系统包括从控单元BMU、主控单元BCMS和总控单元BAMS，所述从控单元BMU与所述主控单元BCMS之间和所述主控单元BCMS与所述总控单元BAMS之间均采用总线连接，所述从控单元BMU监测所述电池组的电池信息，所述主控单元BCMS监测所述电池簇的电池信息，所述总控单元BAMS与所述储能双向变流器通信连接，所述总控单元BAMS与所述控制器通信连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，所述储能双向变流器与所述电池簇连接，所述储能双向变流器与所述电池簇的连接回路上依次连接有断路器、熔断器和接触器，所述主控单元BCMS的输出端连接所述接触器的线圈，所述接触器上并联有预充电阻。
6.根据权利要求5所述的一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，所述储能双向变流器与所述电池簇的连接回路上还连接有电流互感器，所述电流互感器的输出端连接所述主控单元BCMS的输入端。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的一种用于电池内化成的调峰储能系统，其特征在于，所述电池信息包括单体所述储能电池的电压、单体所述储能电池的电流、单体所述储能电池的SOC、单体所述储能电池的温度、所述电池组的电压、所述电池组的电流、所述电池组的SOC、所述电池组的温度、所述电池簇的电压、所述电池簇的电流和所述电池簇的SOC中的至少一种。
8.一种用于电池内化成的调峰储能方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任意一项所述的调峰储能系统，包括
根据工业分时电价体系预设低谷时间段和高峰时间段，并设置储能电池堆的放电深度；
在低谷时间段，内化成回路进行充电时，外部交流电源通过充放电机对内化成回路提供充电电流；内化成回路进行放电时，充放电机输出直流电至公共直流母排，储能双向变流器通过接入的公共直流母排为储能电池堆充电；
在高峰时间段，内化成回路进行充电时，储能电池堆通过充放电机对内化成回路提供充电电流；内化成回路进行放电时，充放电机输出直流电至公共直流母排，储能双向变流器通过接入的公共直流母排为储能电池堆充电。
9.根据权利要求8所述的一种用于电池内化成的调峰储能方法，其特征在于，设定外部交流电网的功率区间，实时获取外部交流电网的主变功率；
当主变功率低于低功率保护阈值时，降低储能双向变流器的输出功率；
当主变功率高于高功率保护阈值时，提高储能双向变流器的输出功率或降低储能双向变流器的输入功率。
10.根据权利要求8所述的一种用于电池内化成的调峰储能方法，其特征在于，实时获取储能电池堆的电池信息；
当储能电池堆的电池信息正常时，储能电池堆正常进行充放电；
当储能电池堆的电池信息异常时，断开储能电池堆中异常状态的电池组。
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