CN208738853U - 一种级联式多功能离并网储能系统 - Google Patents

Abstract

一种级联式多功能离并网储能系统属于电力电子变换技术领域；包括主控制柜与功率柜分别通过动力电缆和422总线双向连接，功率柜通过动力电缆依次连接滤波柜和电池柜，功率柜通过CAN总线连接电池柜；主控制柜包括第一电压传感器依次连接第一断路器、第二电压传感器、接触器、并网电抗器、熔断器和电流传感器，并网电抗器和接触器之间连接滤波电容，第二电压传感器和第一断路器之间依次连接第二断路器和并离网切换电路，主控制箱分别连接电流传感器、滤波电容、第一电压传感器和第二电压传感器，开关电源分别连接第一电压传感器、第二电压传感器和电流传感器；本实用新型改善了电池的电能质量，能够延长电池的使用寿命。

Description

一种级联式多功能离并网储能系统

技术领域

本实用新型属于电力电子变换技术领域，尤其涉及一种级联式多功能离并网储能系统。

背景技术

大规模储能技术是我国可再生能源发电利用的灌浆支撑技术，针对大规模可再生能源发电的接入，一方面能够通过储能技术与可再生能源发电的联合，减少电网的随机性并提高器可调性，另一方面通过点忘记的储能应用增强电网对可再生能源发电的适应性。对于后者，储能作为电网的可调度组员，具有更大的应用价值和应用空间，在电网级应用中，需要储能进行秒至小时级的多时间尺度功率支撑，而电池储能技术由于具有四象限调节能力、效率高、安装灵活等特点，被认为在电网级应用中具有广阔的应用前景。

在各种储能载体中，电池储能系统被广泛应用，在现有的电池储能系统中由于级联模块采用的双向H桥直流侧的电压电流存在波动，对电池产生冲击，导致减低电池寿命。

实用新型内容

本实用新型克服了上述现有技术的不足，提供一种级联式多功能离并网储能系统，通过滤波柜连接电池，极大平滑了加在电池两端的电压和流入电池的电流，改善了电池的电能质量，能够延长电池的使用寿命。

本实用新型的技术方案：

一种级联式多功能离并网储能系统，包括主控制柜、功率柜、滤波柜和电池柜；所述主控制柜与功率柜分别通过动力电缆和422总线双向连接，所述功率柜通过动力电缆依次连接滤波柜和电池柜，所述功率柜通过CAN总线连接电池柜；

所述主控制柜包括主控制箱、第一电压传感器、第一断路器、第二电压传感器、接触器、并网电抗器、熔断器、电流传感器、第二断路器、并离网切换电路、滤波电容和开关电源；所述第一电压传感器依次连接第一断路器、第二电压传感器、接触器、并网电抗器、熔断器和电流传感器，所述并网电抗器和接触器之间连接滤波电容，所述第二电压传感器和第一断路器之间依次连接第二断路器和并离网切换电路，所述主控制箱分别连接电流传感器、滤波电容、第一电压传感器和第二电压传感器，所述开关电源分别连接第一电压传感器、第二电压传感器和电流传感器。

进一步地，所述主控制箱包括背板总线板卡、主控制板卡、光纤接收通讯板卡、光纤发送通讯板卡、IO板卡和电源板卡；所述主控制板卡、光纤接收通讯板卡、光纤发送通讯板卡、IO板卡和电源板卡分别插在背板总线板卡的插槽内，所述IO板包括FPGA，所述主控制板卡包括CPU，所述FPGA分别连接电流传感器、滤波电容、第一电压传感器和第二电压传感器，所述电源板卡连接电池柜。

进一步地，所述功率柜包括若干功率箱；所述若干功率箱按照级联的方式分成三组，每组功率箱依次串联，所述三组功率箱的一端分别为U相、V相和W相，所述三组功率箱的另一端分别连接到N相，所述U相、V相和W相分别连接所述主控制柜的A点处，所述功率箱包括若干金氧半场效晶体管。

进一步地，所述滤波柜包括若干滤波模块，所述若干滤波模块互不连接，所述滤波模块包括MOS管T_Buck、MOS管T_Boost、电感L、电容、CDC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口和DC_B-接口；所述DC_B+接口依次连接MOS管T_Buck、MOS管T_Boost和DC_B-接口，所述DC_B-接口分别连接电容C和DC_P-接口，所述电容C分别连接电感L的一端和DC_P+接口，所述电感L另一端连接在MOS管T_Buck和MOS管T_Boost之间，所述DC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口和DC_B-接口通过动力电缆与功率箱DC+接口和DC接口连接。

进一步地，所述电池柜包括若干电池箱；所述若干电池箱之间互不连接，所述电池箱通过DC+接口、DC-接口和CAN总线分别与所述DC_B+接口、DC_B-接口和功率箱的CAN总线接口连接，所述电池箱包括电池阵列和BMS；所述电池阵列包括若干电池，所述电池并联再串联，单体电池电压范围2.7～3.4V，2～5节电池并联，串联级数为16～20节，BMS使用CAN2.0A通讯协议，与功率箱的CAN总线通讯。

进一步地，所述并离网切换电路包括8个开关电路模块和负载，所述负载一端连接两个开关电路模块，其中一个开关电路连接功率柜的N相，另一个开关电路模块连接电网N相，所述负载另一端连接6个开关电路模块，所述其中三个开关电路分别与功率柜的U相、V相和W相连接，所述另外三个开关电路连接电网的U相、V相和W相，所述开关电路模块包括两个mosfet反并联。

本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种级联式多功能离并网储能系统，本实用新型实现了级联式储能系统的基本功能的基础上，解决了离并网切换中由于物理开关延迟导致的电压、电流暂态过程，实现了无缝、稳定切换；解决了单相用电系统导致的3相储能供电电池的电池状态不均衡问题；解决了电池充放电电流波动问题，使电池的充放电电流更加平滑，延长了电池寿命。

附图说明

图1是本实用新型结构图；

图2是主控制柜部分结构图；

图3是功率柜结构图；

图4是电池柜结构图；

图5是滤波柜结构图；

图6是滤波模块电路图；

图7是并离网切换电路结构图；

图8是接触器和断路器原理图。

图中：1-2第一电压传感器、1-3第一断路器、1-4第二电压传感器、1-5接触器、1-6并网电抗器、1-7熔断器、1-8电流传感器、1-9第二断路器、1-10并离网切换电路、1-11滤波电容。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

具体实施方式一

一种级联式多功能离并网储能系统，如图1所示，包括主控制柜、功率柜、滤波柜和电池柜；所述主控制柜与功率柜分别通过动力电缆和422总线双向连接，所述功率柜通过动力电缆依次连接滤波柜和电池柜，所述功率柜通过CAN总线连接电池柜；

如图2所示，所述主控制柜包括主控制箱、第一电压传感器1-2、第一断路器1-3、第二电压传感器1-4、接触器1-5、并网电抗器1-6、熔断器1-7、电流传感器1-8、第二断路器1-9、并离网切换电路1-10、滤波电容1-11和开关电源；所述第一电压传感器1-2依次连接第一断路器1-3、第二电压传感器1-4、接触器1-5、并网电抗器1-6、熔断器1-7和电流传感器1-8，所述并网电抗器1-6和接触器1-5之间连接滤波电容1-11，所述第二电压传感器1-4和第一断路器1-3之间依次连接第二断路器1-9和并离网切换电路1-10，所述主控制箱分别连接电流传感器1-8、滤波电容1-11、第一电压传感器1-2和第二电压传感器1-4，所述开关电源分别连接第一电压传感器1-2、第二电压传感器1-4和电流传感器1-8。

第一电压传感器1-2、第二电压传感器1-4和第一断路器1-3、第二断路器1-9配合，实现离并网切换，在电压故障或断电时，实现孤岛供电功能。

第一电压传感器1-2和第二电压传感器1-4负责采集电网电压，电流传感器1-8负责采集主回路电流，所采集的数据用以实现并网模式下的储能、释能以及离网模式下的孤岛电源功能。第一电压传感器1-2和第二电压传感器1-4协同工作，检测到电网电压的跌落、故障以及恢复，根据该信息进行离并网模式的切换。

工作原理：在并网点P接入电网；电能经过电流传感器1-8、滤波电容1-11、第一电压传感器1-2和第二电压传感器1-4，主控制箱实时采集电流值和电压值判断电网是否正常，当电网电压正常时，第一断路器1-3和第二断路器1-9均吸合，本实用新型在充电状态或者放电状态，当电网电压异常，包括但不限于跌落、不平衡、故障、断开时，第一断路器1-3断开，本实用新型切换至离网状态，在电池电量允许的情况下，经过第二断路器1-9向用电设备连接点提供380V\220V，50Hz电源。如果电池电量低于限定数值，则向用户或上级系统发出电池电量低、电网断开的报警信息。在用户用电设备无需用电时，第二断路器1-9断开，实现用电设备从系统的切除。

具体地，所述主控制箱包括背板总线板卡、主控制板卡、光纤接收通讯板卡、光纤发送通讯板卡、IO板卡和电源板卡；所述主控制板卡、光纤接收通讯板卡、光纤发送通讯板卡、IO板卡和电源板卡分别插在背板总线板卡的插槽内，通过背板总线板卡上的电路传递数据与电源电路，所述IO板包括FPGA，所述主控制板卡包括CPU，所述FPGA分别连接电流传感器1-8、滤波电容1-11、第一电压传感器1-2和第二电压传感器1-4，所述电源板卡连接电池柜。

接触器等需要自动控制的电气部件，其控制信号与反馈信号与IO板上的控制端子与信号反馈端子相连。信号进入IO板上的FPGA，FPGA再通过通讯电路与主控制板上的处理器之间进行数据交互。

电源板卡直接连接外部220V AC电源，产生控制箱内所需的各种直流电源，包括5V、+15V、-15V。

主控制柜内安装有若干+24V、-24V、+15V、-15V开关电源，所有开关电源通过空开从高外部220V AC取点，然后向接触器、断路器的控制触电、电压、电流霍尔直接供电。

主控板卡包括两个处理器，型号是TMS320F28335、10M16DCF256I7G，查分信号处理芯片的型号是SN65HVD11；电源板卡芯片型号是RT-125C；光纤发送通讯板卡包括光信号发送芯片(电转光)，型号为AFBR-TX；光纤接收通讯板卡包括光信号接收芯片(光转电)，型号为AFBR-RX；IO板卡包括芯片，型号是10M02SCE144I7G，DO输出器件型号是EC2-12NU，信号隔离器件(光电隔离器件)型号是TLP521；背板总线板卡上设有电路连接线。

主控箱与开关电源和主电路是独立安装的。开关电源输入220VAC，输出+-15V和+-24V DC电源，+-24V连接到电压霍尔，+-15V连接到电流霍尔。电压、电流霍尔的反馈信号连接到主控制箱内的主控板。断路器、接触器的控制信号和反馈信号连接到主控制箱的IO板(有专用接插件)。

接触器和断路器的控制原理描述如下(二者控制原理相同)：

如图8所示，通过220V AC控制其通断，220V AC通过继电器给出，继电器的输出通过IO板的24V输出端口(干接点)控制。控制回路：+24V连接到IO板的输出端口和继电器的控制接点。220V AC连接于继电器的常开接点与接触器或者断路器的控制接点。接触器或者断路器的主触电为常开状态，两端连接主回路的380VAC。反馈回路：接触器和断路器的反馈接点(常开)与IO板的输入端口(干接点)之间通过+24V DC(由开关电源提供)，每个霍尔德两个反馈信号分别是电流信号和地。

具体地，如图3所示，所述功率柜包括若干功率箱；所述若干功率箱按照级联的方式分成三组，每组功率箱依次串联，所述三组功率箱的一端分别为U相、V相和W相，所述三组功率箱的另一端分别连接到N相，所述U相、V相和W相分别连接所述主控制柜的A点处，所述功率箱包括若干金氧半场效晶体管。

功率箱内功率模块采用H桥形式，功率器件使用低压Mosfet，单桥臂可以使用单个器件或者并联的形式，根据功率等级确定。功率箱对外提供两种通讯接口，CAN 2.0A协议和RS422协议。前者用于与电池箱通讯，接收电池信息，后者用于与主控柜通讯，向主控柜发送功率模块的信息，包括但不限于各个功率模块的电压、电流、温度、故障、通讯标志，以及功率模块接收到的电池信息，并接收主控柜发出的控制指令，包括但不限于分控启动指令、功率器件启动指令、PWM波调制数据、故障清除指令等

具体地，如图5和图6所示，所述滤波柜包括若干滤波模块，所述若干滤波模块互不连接，所述滤波模块包括MOS管T_Buck、MOS管T_Boost、电感L、电容、CDC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口和DC_B-接口；所述DC_B+接口依次连接MOS管T_Buck、MOS管T_Boost和DC_B-接口，所述DC_B-接口分别连接电容C和DC_P-接口，所述电容C分别连接电感L的一端和DC_P+接口，所述电感L另一端连接在MOS管T_Buck和MOS管T_Boost之间，所述DC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口和DC_B-接口通过动力电缆与功率箱DC+接口和DC接口连接。

每个滤波模块都会通过接口与电池柜和功率柜连接。滤波模块的DC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口、DC_B-接口通过动力电缆分别与功率柜内的一组DC+接口、DC接口和电池柜内的一组DC+接口、DC-接口相连。连接时，原理上对滤波模块、电池模块、功率模块无顺序要求。

滤波模块采取buck-boost双向滤波器，用以滤除电池充放电电流的纹波，最大化的减少冲击电流对电池的损害。控制策略是控制H桥母线电压，控制算法在分控模块中的分控板运行，给出两个控制信号，分别控制buck-boost模块的上下两个Mosfet驱动引脚，分别是T_Buck和T_Boost。

具体地，如图4所示，所述电池柜包括若干电池箱；所述若干电池箱之间互不连接，所述电池箱通过DC+接口、DC-接口和CAN总线分别与所述DC_B+接口、DC_B-接口和功率箱的CAN总线接口连接，所述电池箱包括电池阵列和BMS；所述电池阵列包括若干电池，所述电池并联再串联，单体电池电压范围2.7～3.4V，2～5节电池并联，串联级数为16～20节，BMS使用CAN 2.0A通讯协议，与功率箱的CAN总线通讯。

电池箱内由电池阵列和BMS组成。电池采取先并联再串联的模式，单体电池电压范围2.7～3.4V，2～5节电池并联，串联级数为16～20节，满足低压功率器件Mosfet的耐受电压范围100V以下。BMS使用CAN 2.0A通讯协议，与功率箱的CAN总线通讯。传递数据包括但不限于SOC、SOH、电池温度、电流、单体电压等信息。

电池箱内可使用旧电池，实现对电动汽车淘汰电池的梯次利用。由于单个电池箱内电池串联个数较少，对电池的一致性要求较低，对电池差异性的兼容性较好。

一个模块组由一个功率箱、一个电池箱、一个滤波模块组成。为了系统的稳定性和容错性，模块组在数量上留有冗余，当某个模块组中的任何成员出现故障或者健康状况不佳时，系统会将该模块组切除，后备模块组接入，系统继续工作。系统同时向用户或者上级系统上报该模块组的状态信息并提示维修或者更换。

具体地，如图7所示，所述并离网切换电路包括8个开关电路模块和负载，所述负载一端连接两个开关电路模块，其中一个开关电路连接功率柜的N相，另一个开关电路模块连接电网N相，所述负载另一端连接6个开关电路模块，所述其中三个开关电路分别与功率柜的U相、V相和W相连接，所述另外三个开关电路连接电网的U相、V相和W相，所述开关电路模块包括两个Mosfet反并联。

通过并离网切换电路实现系统在不同工作模式下对负载的供电电源的选择。并离网切换电路共包含8个开关电路模块，每个模块都采用Mosfet反并联的拓扑，单方向采用6个Mosfet并联，用1个驱动信号同时驱动12个Mosfet，实现电路导通，实现平滑切换，没有电流对功率器件的冲击。系统获得离网或并网信息后，为负载选择电源，进而确定导通哪些电路模块。主要利用Mosfet的开关特性，切换时能够快速完成，在100ns内完成切换，避免切换过程中物理开关Mosfet滞后于逻辑开关即控制器控制逻辑的现象，常规使用断路器作为切换开关，但是断路器的开关时间大约是几十毫秒，这短时间电流无法控制，往往会对系统造成冲击，产生过流之类的故障，甚至损坏设备。Mosfet选型：650V，150A。解决了离并网切换中由于物理开关延迟导致的电压、电流暂态过程，实现了无缝、稳定切换。

离并网切换电路中的级联U相、级联V相、级联W相，分别与功率柜的U相、V相、W相连接。当用电设备需要220V单相电源时，系统根据每一相的整体电池健康状态与电能状态，在并网转离网时为用户选择单相电源；并选择功率柜的N线，与所选的U、V、W中的某一相组成居民用电所需的220V电源，功率柜作为离网电源时输出3相交流电源，线电压380有效值V，相电压有效值220V。当用户需要的是3相380V电源时，则U、V、W三个切换模块全部导通，为用户提供所需电源。

Claims (6)

1.一种级联式多功能离并网储能系统，其特征在于，包括主控制柜、功率柜、滤波柜和电池柜；所述主控制柜与功率柜分别通过动力电缆和422总线双向连接，所述功率柜通过动力电缆依次连接滤波柜和电池柜，所述功率柜通过CAN总线连接电池柜；

所述主控制柜包括主控制箱、第一电压传感器(1-2)、第一断路器(1-3)、第二电压传感器(1-4)、接触器(1-5)、并网电抗器(1-6)、熔断器(1-7)、电流传感器(1-8)、第二断路器(1-9)、并离网切换电路(1-10)、滤波电容(1-11)和开关电源；所述第一电压传感器(1-2)依次连接第一断路器(1-3)、第二电压传感器(1-4)、接触器(1-5)、并网电抗器(1-6)、熔断器(1-7)和电流传感器(1-8)，所述并网电抗器(1-6)和接触器(1-5)之间连接滤波电容(1-11)，所述第二电压传感器(1-4)和第一断路器(1-3)之间依次连接第二断路器(1-9)和并离网切换电路(1-10)，所述主控制箱分别连接电流传感器(1-8)、滤波电容(1-11)、第一电压传感器(1-2)和第二电压传感器(1-4)，所述开关电源分别连接第一电压传感器(1-2)、第二电压传感器(1-4)和电流传感器(1-8)。

2.根据权利要求1所述一种级联式多功能离并网储能系统，其特征在于，所述主控制箱包括背板总线板卡、主控制板卡、光纤接收通讯板卡、光纤发送通讯板卡、IO板卡和电源板卡；所述主控制板卡、光纤接收通讯板卡、光纤发送通讯板卡、IO板卡和电源板卡分别插在背板总线板卡的插槽内，所述IO板包括FPGA，所述主控制板卡包括CPU，所述FPGA分别连接电流传感器(1-8)、滤波电容(1-11)、第一电压传感器(1-2)和第二电压传感器(1-4)，所述电源板卡连接电池柜。

3.根据权利要求2所述一种级联式多功能离并网储能系统，其特征在于，所述功率柜包括若干功率箱；所述若干功率箱按照级联的方式分成三组，每组功率箱依次串联，所述三组功率箱的一端分别为U相、V相和W相，所述三组功率箱的另一端分别连接到N相，所述U相、V相和W相分别连接所述主控制柜的A点处，所述功率箱包括若干金氧半场效晶体管。

4.根据权利要求3所述一种级联式多功能离并网储能系统，其特征在于，所述滤波柜包括若干滤波模块，所述若干滤波模块互不连接，所述滤波模块包括MOS管T_Buck、MOS管T_Boost、电感L、电容、CDC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口和DC_B-接口；所述DC_B+接口依次连接MOS管T_Buck、MOS管T_Boost和DC_B-接口，所述DC_B-接口分别连接电容C和DC_P-接口，所述电容C分别连接电感L的一端和DC_P+接口，所述电感L另一端连接在MOS管T_Buck和MOS管T_Boost之间，所述DC_P+接口、DC_P-接口、DC_B+接口和DC_B-接口通过动力电缆与功率箱DC+接口和DC接口连接。

5.根据权利要求4所述一种级联式多功能离并网储能系统，其特征在于，所述电池柜包括若干电池箱；所述若干电池箱之间互不连接，所述电池箱通过DC+接口、DC-接口和CAN总线分别与所述DC_B+接口、DC_B-接口和功率箱的CAN总线接口连接，所述电池箱包括电池阵列和BMS；所述电池阵列包括若干电池，所述电池并联再串联，单体电池电压范围2.7～3.4V，2～5节电池并联，串联级数为16～20节，BMS使用CAN 2.0A通讯协议，与功率箱的CAN总线通讯。

6.根据权利要求5所述一种级联式多功能离并网储能系统，其特征在于，所述并离网切换电路包括8个开关电路模块和负载，所述负载一端连接两个开关电路模块，其中一个开关电路连接功率柜的N相，另一个开关电路模块连接电网N相，所述负载另一端连接6个开关电路模块，所述其中三个开关电路分别与功率柜的U相、V相和W相连接，所述另外三个开关电路连接电网的U相、V相和W相，所述开关电路模块包括两个mosfet反并联。