CN209982088U - 基于组串式pcs的电化学储能系统一次拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，所述储能系统N个电池簇、N个组串式PCS、N个L型滤波回路、交流汇流设备、变压器、并网设备柜，每个所述电池簇一一对应地接入每个组串式PCS的直流侧，每个所述组串式PCS的交流侧一一对应地接入每个所述L型滤波回路，所有所述L型滤波回路接入交流汇流设备进行汇流，所述交流汇流设备接入所述变压器、通过所述并网设备柜接入大电网。本实用新型基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结能实现单元电池簇的独立管理，提高储能系统的可利用率、维护性和可靠性。

Description

基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构

技术领域

本实用新型涉及一种储能系统，尤其是涉及一种电化学储能系统一次拓扑结构。

背景技术

储能系统(简称系统)已被视为电力生产过程中“发-输-变-配-用-储”六大环节中的一个重要组成部分，同时储能系统也可应用于“发-输-变-配-用”五大电力环节。从储能的应用领域可看出，储能方法对智能电网的建设具有重大的战略意义，也是推动主题能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术。

储能方法分类可分为机械储能、热储能、电气储能、化学储能、电化学储能等。由于电化学储能不受地域限制、安装建设便捷、效率较高、价格合适等优点，在全球储能项目装机规模中占比逐年提升。电化学储能系统的一次设备主要由电池、能量转换装置、汇流设备、变压器、并网设备等组成，但不同的拓扑形式对成套储能系统的性能如效率、电池一致性、安全性等影响不一，需要进行具体的研究。

现阶段，储能系统的建设仍处于初级阶段，主流的拓扑方案仍以集中式拓扑为主，即电池串联并联成簇之后形成电池簇，多个电池簇接入同一台储能变流器(下文简称PCS)，由PCS经变压器后并网；这种拓扑结构存在着下述缺点：

(1)可利用率、经济性：系统可用容量低于额定值，系统可利用率偏低、经济效益不佳。随着储能系统的运行，由于电池单体的不一致性和SOC估算误差累积(SOC：State ofCharge，电池荷电状态，也叫剩余电量)，导致电池簇与簇之间会存在着SOC差异。当出现差异时，由于单台PCS下挂接的是多个电池簇，充电或放电均是对所有电池簇进行操作，无法对每一个单独的电池簇进行操作，系统容量只能由短板簇决定；即：在充电时，当某一个电池簇SOC到达额定值、而其它电池簇未到达额定值时，这时便判定系统已充满，无法继续充电，继续充电会导致系统过充，过充则会导致安全问题；在放电时，当某一个电池簇SOC到达额定值、而其它电池簇未到达额定值时，这时便判定系统电量已用完，无法继续放电，继续放电会导致系统过放，过放也存在安全性问题。

(2)维护性：当系统运行过程中，某一个电池簇或某几个电池簇的电池出现故障时，需将整个系统停机用于电池检修，维护性能差。

(3)可靠性：缺乏针对大容量电池储能系统特点的设计与考虑，主要体现在电池堆单一输入，需要将所有单体电池大量串并联，接入同一直流母线，容易出现环流和一致性问题，大大降低了储能系统的可靠性。

发明内容

本实用新型目的是提供一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，要解决的技术问题是实现单元电池簇的独立管理，提高储能系统的可利用率、维护性和可靠性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，所述储能系统N个电池簇、N个组串式PCS、N个L型滤波回路、交流汇流设备、变压器、并网设备柜，每个所述电池簇一一对应地接入每个组串式PCS的直流侧，每个所述组串式PCS的交流侧一一对应地接入每个所述L型滤波回路，所有所述L型滤波回路接入交流汇流设备进行汇流，所述交流汇流设备接入所述变压器、通过所述并网设备柜接入大电网。

作为优选方式，所述N至少为2。

作为优选方式，单个所述电池簇的容量为200kWh～500kWh，电压为500V～800V。

作为优选方式，所述组串式PCS包括内部交直流断路器、交流接触器、逆变模块、直流继电器、电容、辅助电源模块、IO输入输出板件、控制板件、防雷模块。

作为优选方式，所述L型滤波回路使用三相电感。

作为优选方式，所述交流汇流设备包括A相、B相、C相汇流铜排。

本实用新型涉及一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，与现有设计相比，其优点在于：

(1)储能系统可利用率高，经济性好，可对每一电池簇单独进行充电、放电操作、管理，系统容量为每一电池簇实际容量的累加值，而非最小值，单一电池簇的充电、放电管理不受其余电池簇的影响。

(2)储能系统的主拓扑结构相对简单，易于模块化，扩展性好，单元电池簇发生如SOC误差较大、内部电芯有过压或欠压等故障时的降额运行能力强，可靠性较高，可将该电池簇从储能系统中切除检修，同时，其余电池簇不受影响，继续正常运行。

(3)每个电池簇接入独立的组串式PCS，即每一个电池簇可当作一个小型的储能子系统，各子系统可以实现独立运行，互不干扰，大大降低了多个电池簇并联接入同一直流母线上时产生的环流问题，有利于电池维护、均衡管理，提高电池系统的可靠性。

(4)由于传统的集中式PCS内部交流侧普遍采用LC滤波回路，当使用该类型PCS多机并联时，由于LC回路容易产生震荡，轻则导致PCS输出电流谐波含量增加，重则发生谐振现象，导致储能系统停机。本拓扑结构取消现有技术中PCS内部的LC滤波器，同时在每个组串式PCS的交流侧接入外置的L型滤波器，能较好抑制因各PCS输出电压幅值和相位差引起的环流；同时由于外置L型滤波电感存在，抑制了多机并联时产生的震荡问题，能较好地抑制多机并联时出现的谐振现象，提高系统稳定性。

附图说明

图1为本实用新型基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构示意图。

具体实施方式

本实用新型涉及一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，包括N个电池簇1、N个组串式PCS 2、N个L型滤波回路3、交流汇流设备4、变压器5、并网设备柜6。下文结合说明书附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，每个电池簇1由若干电池模块或若干电池单体串联组成，其中，电池簇1的数目为N个，N至少为2，所述单个电池簇1的容量为200kWh～500kWh，电压范围为500V～800V。所述电池簇1用于产生直流电压。所述组串式PCS 2的数目与电池簇1的数目等同，每个电池簇1一一对应地经每个组串式PCS 2的直流断路器后、接入至组串式PCS 2的直流侧，形成电连接。所述组串式PCS 2功率为100kV，直流侧电压范围为500V～800V，与电池簇1电压范围相匹配。所述组串式PCS 2与现有技术中PCS的结构和原理基本一致，包括内部交直流断路器、交流接触器、逆变模块、直流继电器、电容、辅助电源模块、IO输入输出板件、控制板件、防雷模块、人机交互模块、按钮开关、指示灯、软启动模块；所不同的是，本实用新型组串式PCS 2的内部未使用LC滤波回路。所述组串式PCS 2是交直流转换设备，当给电池簇充电时，将交流电压转换为直流电压；当电池簇放电时，将直流电压转换为交流电压。组串式PCS 2采用厂家为长园深瑞继保自动化有限公司的型号为

PRS-7563Z-400/100的产品。

将N台组串式PCS 2的交流侧一一对应地接入外置的N台L型电感滤波回路3的三相输入端，L型滤波回路3使用三相电感。由于当组串式PCS2输出电压不一致时，组串式PCS 2输出电流会不经过电网而在组串式PCS之间流动，此时产生环流，环流大小与线路阻抗成反比，在组串式PCS 2外部串联L型滤波回路3电感，相当于增加了线路总回路阻抗，能较好地抑制因各组串式PCS 2输出电压幅值和相位差引起的环流。同时，由于现有技术中PCS内部设有的LC滤波回路中电容的存在，会导致频率响应存在谐振尖峰，谐振尖峰的存在会导致PCS输出电流震荡，故使用外置的L型滤波回路3能较好地抑制多个组串式PCS 2并联时出现的谐振现象，提高系统的稳定性。

N台L型电感滤波回路3的三相输出端并联电连接至交流汇流设备4的A相、B相、C相的汇流铜排的输入端，实现交流电压的汇流。交流汇流设备4内部主要为三相铜排。所有组串式PCS 2的交流均接入在铜排上，即起到汇流柜的作用。

交流电压在交流汇流设备4的A相、B相、C相汇流后，将三相汇流铜排的输出端接入至变压器5。变压器5的选择根据实际要求而定，如果是380V并网，则选用380V变压器；如果10kV并网，则选用10kV变压器。

变压器5输出的交流电通过并网设备柜6后并接入大电网。并网设备柜6主要作用是储能系统与电网之间的分界点，内部主要为开关器件，起到接入/断开电网的作用。

本实用新型的储能系统正常充电时，各个组串式PCS的控制板件根据对应电池簇的额定电池容量和充电时间来确定充电功率，当该电池簇的SOC到达额定值时，电池簇的电池管理系统(下文简称BMS)控制该电池簇内部的接触器断开，相对应的组串式PCS的交流接触器断开，组串式PCS待机，该电池簇1停止充电，其它电池簇按相同原理进行充电操作，当所有电池簇的SOC均达到额定值后，所有电池簇内部的接触器断开，相对应的组串式PCS的交流接触器断开，整个储能系统停止充电。

本实用新型的储能系统正常放电时，各个组串式PCS 2的控制板件根据对于电池簇1的额定电池容量和放电时间来确定放电功率，当该电池簇1的SOC到达额定值时，BMS控制该电池簇内部的接触器断开，相对应的组串式PCS的交流接触器断开，该电池簇停止放电，其它电池簇按相同原理进行放电操作，当所有电池簇的SOC均放电至额定值后，所有电池簇内部的接触器断开，相对应的组串式PCS的交流接触器断开，整个储能系统停止放电。

当本实用新型的储能系统中某一个电池簇出现故障时，相对应的组串式PCS在收到该电池簇BMS的故障信息后，由自身控制板件断开自身的交流接触器，实现将电池簇与组串式PCS之间的电路断开，从而将该电池簇从储能系统中切除，同时，其它电池簇不受影响，继续正常运行。

Claims (6)

1.一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，其特征在于：包括N个电池簇(1)、N个组串式PCS(2)、N个L型滤波回路(3)、交流汇流设备(4)、变压器(5)、并网设备柜(6)，每个所述电池簇(1)一一对应地接入每个组串式PCS(2)的直流侧，每个所述组串式PCS(2)的交流侧一一对应地接入每个所述L型滤波回路(3)，所有所述L型滤波回路(3)接入交流汇流设备(4)进行汇流，所述交流汇流设备(4)接入所述变压器(5)、通过所述并网设备柜(6)接入大电网。

2.根据权利要求1所述的一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，其特征在于：所述N至少为2。

3.根据权利要求1所述的一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，其特征在于：单个所述电池簇(1)的容量为200kWh～500kWh，电压为500V～800V。

4.根据权利要求1所述的一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，其特征在于：所述组串式PCS(2)内部没有设置LC滤波回路。

5.根据权利要求1所述的一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，其特征在于：所述L型滤波回路(3)使用三相电感。

6.根据权利要求1所述的一种基于组串式PCS的电化学储能系统一次拓扑结构，其特征在于：所述交流汇流设备(4)包括A相、B相、C相汇流铜排。

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