CN116231845A - 直流微网储能模块的状态监测装置及方法 - Google Patents

直流微网储能模块的状态监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开直流微网储能模块的状态监测装置，包括直流母线、发电系统和储能系统，所述直流母线用于发电系统和储能系统之间电能的传导，所述直流母线上设置有用于监控储能系统各个储能设备荷电状态的监控系统和用于调节直流母线电压和各储能设备并联电路电压的调节系统，所述监控系统与调节系统连接。本发明能够实时监测各储能设备的有效容量、实时储电量和电路电压，并且根据实际荷电状态的大小控制输入电压输出电压，保证充电放电时间有一个缓冲区间，防止个别储能过充或过放导致提前退出运行而导致系统运行不稳定，并且当有储能设备发生故障短路离线时，能够自动调节直流母线中的电压，保证直流微网稳定地运行。

Description

直流微网储能模块的状态监测装置及方法
技术领域
本发明涉及能源系统技术领域，具体为直流微网储能模块的状态监测装置及方法。
背景技术
直流微电网是由直流构成的微电网，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义，相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷，交直流混合微电网、交直流混合配电网以及能源互联网等方面展望了直流微电网的发展和应用前景；
微电网内光伏、风机、燃料电池、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电，常用电气设备，如个人电脑、手机、LED照明、变空调和电动汽车等，皆通过相应适配器变成直流电驱动，上述发电单元或负荷如果接入交流微电网，则需要通过相应DC-DC，DC-AC和AC-DC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换装置，减少成本、降低损耗。直流母线电压是衡量系统内有功功率平衡的唯一标准，系统内不存在类似交流系统里的频率稳定、无功功率等问题，直流微电网还可通过双向DC-AC变流器与现有交流微电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故障，可保证直流系统内负荷的高可靠供电。
现有技术的不足：
单个储能单元很难同时满足电网多方面的需求，因此实际应用中经常采用多储能单元联合稳定微电网系统，分布式多储能单元通常采用并联接入直流母线的连接方式，但在初始状态和负荷功率等因素的影响下，会出现荷电状态不一致，个别储能过充或过放导致提前退出运行的问题，系统的稳定性会受到影。
发明内容
本发明的目的在于提供直流微网储能模块的状态监测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
直流微网储能模块的状态监测装置，包括直流母线、发电系统和储能系统，所述直流母线用于发电系统和储能系统之间电能的传导；
所述直流母线上设置有用于监控储能系统各个储能设备荷电状态的监控系统和用于调节直流母线电压和各储能设备并联电路电压的调节系统，所述监控系统与调节系统连接；
所述调节系统包括有；
中央控制器，所述中央控制器用于接收发送监控系统传输数据和发送指令；
数据处理模块，所述中央控制器与数据处理模块电性连接，所述数据处理模块用于分析处理中央控制器发送的数据并反馈给中央控制器；
所述中央控制器控制连接有若干组BUCK电源开关和BOOST电源开关，一个所述BUCK电源开关和一个所述BOOST电源开关为一组用于控制一个储能设备的电压。
作为本发明的进一步改进，所述监控系统包括有：
中央处理器，所述中央处理器与中央控制器之间通过无线数据传输模块进行数据传输连接，所述中央处理器用于接收各个储能设备的储能状态；
所述中央处理器连接有若干个数据采集模块，所述数据采集模块用于接收发送各储能设备的总容量、实时储电量和电路电压；
数据压缩模块，所述中央处理器与数据压缩模块连接，所述数据压缩模块用于分类压缩数据采集模块监测的各项数据；
数据监测模块，所述数据采集模块与数据监测模块连接，所述数据监测模块用于监测各储能设备的总容量、实时储电量和电路电压。
作为本发明的进一步改进，所述调节系统还包括有：
直流稳压器，所述直流母线和中央控制器与直流稳压器连接，所述直流稳压器用于接收中央控制器的指令调节直流母线上的电压。
作为本发明的进一步改进，所述直流母线与发电系统和储能系统之间分别通过双向DC/DC变流器连接。
作为本发明的进一步改进，所述发电系统包括有光伏发电设备。
作为本发明的进一步改进，所述储能系统包括有超级电容和若干个储能电池，所述BUCK电源开关和BOOST电源开关的组数、数据监测模块的数量和超级电容与储能电池的总数相同。
作为本发明的进一步改进，所述中央处理器与外部的能源管理系统连接。
本发明还公布了直流微网储能模块的状态监测方法，本方法包括以下步骤：
a、通过数据监测模块实时监测超级电容和各个储能电池的总容量、实时储电量和电路电压，并通过数据采集模块传输到中央处理器；
b、中央处理器将每个储能设备的数据分别通过数据压缩模块进行压缩，然后传输到中央控制器；
c、中央控制器将数据包传输到数据处理模块，通过数据处理模块进行计算分析；
d、中央控制器根据计算分析结果控制调节相应的BUCK电源开关或BOOST电源开关，实现该储能设备并联电路中电压的调节。
作为本发明的进一步改进，本方法中数据处理模块在计算分析时首先确定时间框架，然后充电设备的实际即为，将Ti+Ui作为充电时间的要素，其中，T为时间，U为储能设备并联电路电压，i其储能设备类型，同时确定缓冲时间Si，然后构建动态计算模型，具体计算模型如下：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
其中，xtijk表示在Tc时间段内，储能设备类型i的第j个储能设备的有效储电电容k，Y为总容量，Tc为容量最小储能设备的储能时间，Oc为储能设备总量，PC为容量最大储能设备的最快储能时间，QC为各储能设备的平均储能时间。
作为本发明的进一步改进，本方法中所述监控系统检测到所述储能系统中有储能设备发生故障突然离线时，快速传输到所述调节系统中，通过所述中央控制器控制所述直流稳压器进行调节，保证所述直流母线电压恒定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过设置有调节系统，调节系统包括有中央控制器和数据处理模块，同时中央控制器控制连接有若干组BUCK电源开关和BOOST电源开关，根据实际荷电状态的大小控制输入电压输出电压，保证充电放电时间有一个缓冲区间，防止个别储能过充或过放导致提前退出运行而导致系统运行不稳定；
2、本发明中调节系统还包括有直流稳压器，直流母线和中央控制器与直流稳压器连接，当有储能设备发生故障短路离线时，能够自动调节直流母线中的电压，保证直流微网稳定地运行；
3、本发明通过设置有监控系统，监控系统包括有中央处理器、数据压缩模块和数据监测模块，能够实时监测各储能设备的有效容量、实时储电量和电路电压。
附图说明
图1为本发明直流微网储能模块的状态监测装置结构示意图；
图2为本发明直流微网储能模块的状态监测装置原理框图；
图3为本发明直流微网储能模块的状态监测方法流程图。
图中：1、直流母线；2、发电系统；3、储能系统；31、超级电容；32、储能电池；4、监控系统；41、中央处理器；42、数据采集模块；43、数据压缩模块；44、数据监测模块；5、调节系统；51、中央控制器；52、数据处理模块；53、BUCK电源开关；54、BOOST电源开关；55、直流稳压器。
具体实施方式
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。
实施例
请参阅图1-3，本发明提供如下技术方案：直流微网储能模块的状态监测装置，包括直流母线1、发电系统2和储能系统3，直流母线1用于发电系统2和储能系统3之间电能的传导，直流母线1上设置有用于监控储能系统3各个储能设备荷电状态的监控系统4和用于调节直流母线1电压和各储能设备并联电路电压的调节系统5，监控系统4与调节系统5连接，调节系统5包括有中央控制器51和数据处理模块52，中央控制器51用于接收发送监控系统4传输数据和发送指令，中央控制器51与数据处理模块52电性连接，数据处理模块52用于分析处理中央控制器51发送的数据并反馈给中央控制器51，中央控制器控51制连接有若干组BUCK电源开关53和BOOST电源开关54，一个BUCK电源开关53和一个BOOST电源开关54为一组用于控制一个储能设备的电压，中央控制器51将数据包传输到数据处理模块52，通过数据处理模块52进行计算分析，中央控制器51根据计算分析结果控制调节相应的BUCK电源开关53或BOOST电源开关54，实现该储能设备并联电路中电压的调节。
监控系统4包括有中央处理器41、数据压缩模块43和数据监测模块44，中央处理器41与中央控制器51之间通过无线数据传输模块进行数据传输连接，中央处理器41用于接收各个储能设备的储能状态，中央处理器41连接有若干个数据采集模块42，数据采集模块42用于接收发送各储能设备的总容量、实时储电量和电路电压，中央处理器41与数据压缩模块43连接，数据压缩模块43用于分类压缩数据采集模块42监测的各项数据，数据采集模块42与数据监测模块44连接，数据监测模块44用于监测各储能设备的总容量、实时储电量和电路电压，数据监测模块44实时监测超级电容31和各个储能电池32的总容量、实时储电量和电路电压，并通过数据采集模块42传输到中央处理器41，中央处理器41将每个储能设备的数据分别通过数据压缩模块43进行压缩，然后传输到中央控制器51。
调节系统5还包括有直流稳压器55，直流母线1和中央控制器51与直流稳压器55连接，直流稳压器55用于接收中央控制器51的指令调节直流母线1上的电压，监控系统4检测到储能系统3中有储能设备发生故障突然离线时，快速传输到调节系统5中，通过中央控制器51控制直流稳压器55进行调节，保证直流母线1电压恒定。
直流母线1与发电系统2和储能系统3之间分别通过双向DC/DC变流器连接。
发电系统2包括有光伏发电设备。
储能系统3包括有超级电容31和若干个储能电池32，BUCK电源开关53和BOOST电源开关54的组数、数据监测模块44的数量和超级电容31与储能电池32的总数相同。
中央处理器41与外部的能源管理系统连接。
本发明还公布了直流微网储能模块的状态监测方法，本方法包括以下步骤：
a、通过数据监测模块44实时监测超级电容31和各个储能电池32的总容量、实时储电量和电路电压，并通过数据采集模块42传输到中央处理器41；
b、中央处理器41将每个储能设备的数据分别通过数据压缩模块43进行压缩，然后传输到中央控制器51；
c、中央控制器51将数据包传输到数据处理模块52，通过数据处理模块52进行计算分析；
d、中央控制器51根据计算分析结果控制调节相应的BUCK电源开关53或BOOST电源开关54，实现该储能设备并联电路中电压的调节。
本方法中数据处理模块52在计算分析时首先确定时间框架，然后充电设备的实际即为，将Ti+Ui作为充电时间的要素，其中，T为时间，U为储能设备并联电路电压，i其储能设备类型，同时确定缓冲时间Si，然后构建动态计算模型，具体计算模型如下：
Figure SMS_4
Figure SMS_5
Figure SMS_6
其中，xtijk表示在Tc时间段内，储能设备类型i的第j个储能设备的有效储电电容k，Y为总容量，Tc为容量最小储能设备的储能时间，Oc为储能设备总量，PC为容量最大储能设备的最快储能时间，QC为各储能设备的平均储能时间。
本方法中监控系统4检测到储能系统3中有储能设备发生故障突然离线时，快速传输到调节系统5中，通过中央控制器51控制直流稳压器55进行调节，保证直流母线1电压恒定。
本发明数据监测模块44实时监测超级电容31和各个储能电池32的总容量、实时储电量和电路电压，并通过数据采集模块42传输到中央处理器41，中央处理器41将每个储能设备的数据分别通过数据压缩模块43进行压缩，然后传输到中央控制器51，实时监测各储能设备的有效容量、实时储电量和电路电压，中央控制器51将数据包传输到数据处理模块52，通过数据处理模块52进行计算分析，中央控制器51根据计算分析结果控制调节相应的BUCK电源开关53或BOOST电源开关54，实现该储能设备并联电路中电压的调节，根据实际荷电状态的大小控制输入电压输出电压，保证充电放电时间有一个缓冲区间，防止个别储能过充或过放导致提前退出运行而导致系统运行不稳定，储能系统3中有储能设备发生故障突然离线时，快速传输到调节系统5中，通过中央控制器51控制直流稳压器55进行调节，保证直流母线1电压恒定，储能设备发生故障短路离线时，能够自动调节直流母线1中的电压，保证直流微网稳定地运行。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.直流微网储能模块的状态监测装置，包括直流母线(1)、发电系统(2)和储能系统(3)，其特征在于：所述直流母线(1)用于发电系统(2)和储能系统(3)之间电能的传导；
所述直流母线(1)上设置有用于监控储能系统(3)各个储能设备荷电状态的监控系统(4)和用于调节直流母线(1)电压和各储能设备并联电路电压的调节系统(5)，所述监控系统(4)与调节系统(5)连接；
所述调节系统(5)包括有；
中央控制器(51)，所述中央控制器(51)用于接收发送监控系统(4)传输数据和发送指令；
数据处理模块(52)，所述中央控制器(51)与数据处理模块(52)电性连接，所述数据处理模块(52)用于分析处理中央控制器(51)发送的数据并反馈给中央控制器(51)；
所述中央控制器控(51)制连接有若干组BUCK电源开关(53)和BOOST电源开关(54)，一个所述BUCK电源开关(53)和一个所述BOOST电源开关(54)为一组用于控制一个储能设备的电压。
2.根据权利要求1所述的直流微网储能模块的状态监测装置，其特征在于：所述监控系统(4)包括有：
中央处理器(41)，所述中央处理器(41)与中央控制器(51)之间通过无线数据传输模块进行数据传输连接，所述中央处理器(41)用于接收各个储能设备的储能状态；
所述中央处理器(41)连接有若干个数据采集模块(42)，所述数据采集模块(42)用于接收发送各储能设备的总容量、实时储电量和电路电压；
数据压缩模块(43)，所述中央处理器(41)与数据压缩模块(43)连接，所述数据压缩模块(43)用于分类压缩数据采集模块(42)监测的各项数据；
数据监测模块(44)，所述数据采集模块(42)与数据监测模块(44)连接，所述数据监测模块(44)用于监测各储能设备的总容量、实时储电量和电路电压。
3.根据权利要求1所述的直流微网储能模块的状态监测装置，其特征在于：所述调节系统(5)还包括有：
直流稳压器(55)，所述直流母线(1)和中央控制器(51)与直流稳压器(55)连接，所述直流稳压器(55)用于接收中央控制器(51)的指令调节直流母线(1)上的电压。
4.根据权利要求1所述的直流微网储能模块的状态监测装置，其特征在于：所述直流母线(1)与发电系统(2)和储能系统(3)之间分别通过双向DC/DC变流器连接。
5.根据权利要求1所述的直流微网储能模块的状态监测装置，其特征在于：所述发电系统(2)包括有光伏发电设备。
6.根据权利要求2所述的直流微网储能模块的状态监测装置，其特征在于：所述储能系统(3)包括有超级电容(31)和若干个储能电池(32)，所述BUCK电源开关(53)和BOOST电源开关(54)的组数、数据监测模块(44)的数量和超级电容(31)与储能电池(32)的总数相同。
7.根据权利要求1所述的直流微网储能模块的状态监测装置，其特征在于：所述中央处理器(41)与外部的能源管理系统连接。
8.根据权利要求1-7任意一条所述的直流微网储能模块的状态监测方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：
a、通过数据监测模块(44)实时监测超级电容(31)和各个储能电池(32)的总容量、实时储电量和电路电压，并通过数据采集模块(42)传输到中央处理器(41)；
b、中央处理器(41)将每个储能设备的数据分别通过数据压缩模块(43)进行压缩，然后传输到中央控制器(51)；
c、中央控制器(51)将数据包传输到数据处理模块(52)，通过数据处理模块(52)进行计算分析；
d、中央控制器(51)根据计算分析结果控制调节相应的BUCK电源开关(53)或BOOST电源开关(54)，实现该储能设备并联电路中电压的调节。
9.根据权利要求8所述的直流微网储能模块的状态监测方法，其特征在于：本方法中数据处理模块(52)在计算分析时首先确定时间框架，然后充电设备的实际即为，将Ti+Ui作为充电时间的要素，其中，T为时间，U为储能设备并联电路电压，i其储能设备类型，同时确定缓冲时间Si，然后构建动态计算模型，具体计算模型如下：
Figure FDA0003975971570000031
Figure FDA0003975971570000032
Figure FDA0003975971570000033
其中，xtijk表示在Tc时间段内，储能设备类型i的第j个储能设备的有效储电电容k，Y为总容量，Tc为容量最小储能设备的储能时间，Oc为储能设备总量，PC为容量最大储能设备的最快储能时间，QC为各储能设备的平均储能时间。
10.根据权利要求8所述的直流微网储能模块的状态监测方法，其特征在于：本方法中所述监控系统(4)检测到所述储能系统(3)中有储能设备发生故障突然离线时，快速传输到所述调节系统(5)中，通过所述中央控制器(51)控制所述直流稳压器(55)进行调节，保证所述直流母线(1)电压恒定。
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