CN213027520U - 一种电力储能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力储能控制系统，包括电力系统、负载、可再生能源单位、蓄电池，所述控制系统还包括选择开关单元、双向直流转换器、直流电路、双向逆变器、集成控制器，所述可再生能源单位、蓄电池分别通过选择开关单元连接至双向直流转换器的一端，双向直流转换器的另一端经直流电路连接双向逆变器的一端，所述双向逆变器的另一端连接负载以及通过系统连接器连接电力系统；所述集成控制器的输出端分别连接选择开关单元、双向直流转换器、双向逆变器、系统连接器。本实用新型的优点在于：结构简单，实现方便，可以很方便的实现可再生能源、蓄电池、电网、负载之间的耦合连接，从而实现可再生能源的回收利用。

Description

一种电力储能控制系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域，特别涉及一种电力储能控制系统。

背景技术

随着电力系统的技术发展，多种新能源系统慢慢接入系统，为负载设备进行供电，或者为电力系统、电网输入电能，这种新能源系统一般包括太阳能电池板、风力发电系统等，通过将其耦合进入电网中，从而提供清洁能源，从而实现电能的转换存储功能。现有技术的耦合转换电路系统结构复杂，且成本高，实现不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单、可靠，成本低的电能存储转换控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电力储能控制系统，包括电力系统、负载、可再生能源单位、蓄电池，所述控制系统还包括选择开关单元、双向直流转换器、直流电路、双向逆变器、集成控制器，所述可再生能源单位、蓄电池分别通过选择开关单元连接至双向直流转换器的一端，双向直流转换器的另一端经直流电路连接双向逆变器的一端，所述双向逆变器的另一端连接负载以及通过系统连接器连接电力系统；所述集成控制器的输出端分别连接选择开关单元、双向直流转换器、双向逆变器、系统连接器。

所述可再生能源单位包括太阳能发电系统、风力发电系统、潮汐发电系统、地热发电系统或其组合。

所述控制系统还包括电池管理系统，所述电池管理系统用于对蓄电池的状态进行监控，其与所述集成控制器通信连接。

所述选择开关单元用于分别控制可再生能源单位、蓄电池与双向直流转换器之间的连通与否。

所述选择开关单元包括第一选择开关、第二选择开关，所述第一选择开关一端连接可再生能源单位，另一端连接双向直流转换器；所述第二选择开关一端连接蓄电池，另一端连接双向直流转换器。

所述双向直流转换器包括线圈、第一开关管、第二开关管，所述线圈的一端经第一选择开关连接可再生能源单位的正极，可再生能源单位的负极连接第一开关管的源极；线圈的另一端分别连接第一开关管的漏极以及第二开关管的漏极，所述第一开关管的栅极、第二开关管的栅极分别连接至集成控制器；所述第一开关管的源极、第二开关管的源极分别引出端子用于连接直流电路。

所述直流电路包括储能电容，用于存储电能，其两端分别连接第一开关管的源极、第二开关管的源极。

本实用新型的优点在于：结构简单，实现方便，可以很方便的实现可再生能源、蓄电池、电网、负载之间的耦合连接，从而实现可再生能源的回收利用；而且结构简单，耦合结构实现成本低，方便推广使用。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的能量存储系统的结构示意图；

图2是图1中的功率发生器(如可再生能源单元)、电池、转换器(如双向转换器)、选择开关单元和直流电路的电路图；

图3是用于向图1所示的负载提供可再生能源电力的选择开关单元的操作示意图；

图4是用于向图1所示的储能系统中的电池提供系统电力的选择开关单元的操作示意图；

图5是用于向图1所示的负载提供产生的功率(例如，可再生能源功率)和系统功率的选择开关单元的操作的电路图；

图6是表示根据太阳能电池的电压测量的输出功率水平。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的储能系统100的配置结构图，图2是功率发生器(如可再生能源单元)、电池、转换器(如双向转换器)、选择开关单元和如图1所示的直流电路的电路图。

参照图1和图2，本发明的储能系统(ESS)100包括一个发电机(如可再生能源单元)110、一个蓄电池120、一个电池管理系统(BMS)125、至少一个转换器(如双向转换器)130、一个选择开关单元135、一个直流(DC)电路140、一个逆变器(如双向逆变器)150、一个系统连接器160和一个集成控制器170。如图1所示，储能系统100与负载10和电力系统(如电网)20耦合，虽然储能系统100中包含有电源110，但在实际应用中，电源110不一定是储能系统100的组成部分。此外，虽然发电机110将主要被描述为一个可再生能源单元，但任何合适类型的发电机都可以构成发电机110。

发电机110可以是一个可再生能源单元，包括太阳能电池(如太阳能电池)、风力发电厂、潮汐发电厂、地热发电厂或其任何组合。发电机110产生的电能来源于太阳能、太阳光(如太阳能)、风能、潮汐能和地热能(如地热)等自然能源，因此发电机110提供的电能来源于可再生能源。在本发明的一些实例中，以太阳能电池为例描述了电源110，如图2所示，电源110包括第一端子(+)和第二端子(-)。

电池120提供一种电池电源。电池120可以是一种可充电和放电的二次电池，可以包括多个小容量的电池单元或一个大容量的电池单元来提供大容量的电源。这里的电池电源可以是直流电源。

电池管理系统(BMS)125连接到两个终端，其中包括电池120的第一个终端(+)和第二个终端(-)，并且BMS 125维护和管理电池120的状态。更详细地说，BMS 125监控电池120的电压、电流和温度，以确保电池的安全，并检查充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、电池电池平衡和电池冷却状态，以控制电池120的充放电。

转换器130与发电机110和电池120并联，也与直流电路140耦合。转换器130将集成控制器170跟踪的发电机110的最大功率点提取的可再生能源电能转换为所需电平的直流功率，并将转换后的直流功率提供给直流电路140。此外，转换器130将电池120的电池功率转换为所需电平的直流功率，并将转换后的直流功率提供给直流电路140。此外，转换器130将存储在直流电路140中的功率，如转换后的可再生能源功率或倒转系统功率转换为所需电平的直流功率，再提供给电池120。如图2所示，根据本发明实例，转换器130包括线圈131、第一开关132和第二开关133。

线圈131包括与发电机110的第一端子(+)和电池120的第一端子(+)耦合的第一端子，以及与直流线路140的第一端子耦合的第二端子。

第一开关132包括与电源110的第二端子(-)和电池120的第二端子(-)耦合的第一端子，以及与线圈131的第二端子耦合的第二端子。此外，第一开关132可包括具有与第一开关132的第一端子耦合的阳极和与第一开关132的第二端子耦合的阴极的寄生二极管132a。如图2所示，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关作为第一个开关132，任何合适的开关装置都可以作为第一个开关132，只要它可以起到开关作用。在这里，第一开关132的第一端子可以是源极端子，第一开关132的第二端子可以是漏极端子。第一开关、第二开关为MOS管。

第二开关133包括耦合到线圈131的第二端子和第一开关132的第二端子的第一端子，以及耦合到直流电路140的第一端子的第二端子。此外，第二开关133可以包括具有耦合到第二开关133的第一端子的阳极和耦合到第二开关133的第二端子的阴极的寄生二极管133a。图2示出了作为第二开关133的MOSFET开关，任何合适的开关器件都可以用作第二开关133，只要其可以用作开关即可。这里，第二开关133的第一端子可以是源极端子，第二开关133的第二端子可以是漏极端子。

具有上述配置的转换器130可以作为升压转换器来提高第一个输入电源的电压，也可以作为降压转换器来降低第二个输入电源的电压。在这里，第一个输入电源可以是来自电源发生器110的输入电源，第二个输入电源可以是来自直流电路140的输入电源。因此，变频器130在逆变器150与发电机110和电池120之间耦合，因此，变频器130可以从发电机110和电池120形成与逆变器150相同的电路。

选择开关单元135与发电机110、电池120和转换器130相连，选择开关单元135允许可再生能源或电池电源供应给转换器130。此外，选择开关单元135允许存储在直流电路140中的电源通过转换器130供应给电池120，为此，选择开关单元135根据本发明的实施例可以包括第一选择开关137和第二选择开关139。

第一选择开关137耦合在发电机110和转换器130之间，例如，耦合在发电机110的第一端子(+)和线圈131的第一端子(+)之间。图2所示的是作为第一选择开关137的继电器开关，任何合适的开关装置都可以用作第一选择开关137，只要它能起到开关的作用。在第一选择开关137接通的情况下，发电机110的可再生能源电力可被提供给转换器130。

第二选择开关139连接在电池120和转换器130之间，例如电池120的第一终端(+)和线圈131的第一终端之间。如图2所示，继电器开关作为第二选择开关139，任何合适的开关装置都可以作为第二选择开关139，只要它可以作为开关。在第二选择开关139接通时，存储在直流电路140中的功率可以通过转换器130提供给电池120。此外，当第二选择开关139接通时，电池120的电池功率也可被提供给转换器130。在这里，转换器130具有通过直流电路140耦合到逆变器150的第一端子，以及通过选择开关单元135选择性地耦合到至少一个功率发生器110或电池120的第二端子。

直流电路140是由变频器130和逆变器150耦合而成，直流电路140储存由变频器130提供的可再生能源电力或由电池120提供的电池电力，此外，直流电路140储存由逆变器150提供的系统电力。直流电路140可以通过电容器或其他适当装置的形式实现。这里，储存在直流电路140内的系统电力是直流电源。

逆变器150与直流电路140耦合，将存储在直流电路140中的直流电源转换为交流电源，逆变器150与电力系统20耦合，将电力系统20提供的系统电源转换为直流电源。

负载10被耦合到逆变器150和电力系统20之间的连接点上。负载10可以从逆变器150接收交流电源，逆变器150将直流电源存储在直流电路140中。此外，负载10可以从电力系统20接收交流电源。负载10可以是消耗交流电源的家庭或工业设施。

电力系统20可以是一个广泛区域内的电气连接，例如，一个发电厂，一个变电站和一条输电线路，以提供一个系统的电力。在这里，系统电源可以是交流电源。电力系统20与逆变器150和负载10耦合，并从逆变器150接收交流电源，逆变器150将存储在140中的直流电源转换，或向负载10提供系统电源。

系统连接器160与逆变器150、负载10和电力系统20耦合，控制电力系统20的连接或断开。例如，当电力系统20出现故障等问题时，系统连接器160允许电力系统20与逆变器150和负载10断开，从而使工作人员能够在安全的环境中解决电力系统20的问题。当电力系统20的问题解决后，系统连接器160允许电力系统20重新连接逆变器150和负载10。

集成控制器170监视和控制BMS 125、转换器130、选择开关单元135、逆变器150和系统连接器160。因此，集成控制器170控制可再生能源发电、电池发电和系统发电。在一个实例中，集成控制器170包括一个根据算法操作的最大功率点跟踪控制器，根据太阳辐射和温度的变化跟踪发电机110的最大功率点。集成控制器采用常用的工业控制器或工控机等实现。

接下来，将更详细地介绍上述储能系统100在发电和储存发电(如可再生能源发电)、系统电源和电池电源方面的操作。

图3是一个电路图，说明了如图1所示的用于向耦合到储能系统100的负载10提供可再生能源电力的选择开关单元135的操作。

接下来，将功率发生器110所产生的功率称为可再生能源功率PS，电池120所提供的功率称为电池功率PB，电力系统20所产生的功率称为系统功率PG，负载10所需要或消耗的功率称为负载功率PL。

参考图1和图3，首先，集成控制器170对可再生能源功率PS进行检测，这里，当可再生能源功率PS是由太阳能产生时，可再生能源功率PS在夜间没有太阳热量或太阳光时无法检测到，而在白天有太阳热量或阳光时可以检测到。当检测到的可再生能源功率PS大于负载功率PL时，集成控制器170打开第一选择开关137，关闭第二选择开关139。然后，转换器130将可再生能源电源PS转换为直流电路140所需电平的直流电源，逆变器150将直流电路140提供的可再生能源电源PS转换为交流电源，交流电源再提供给负载10。这里，转换器130可以提高可再生能源电力PS的电压，当可再生能源电力PS的剩余量超过负载10时，集成控制器170将可再生能源电力PS的剩余量提供给电力系统20。在这里，集成控制器170打开第一选择开关137，检测可再生能源功率PS，并通过系统连接器160识别负载功率PL。在其他情况下，当开关139打开，开关137关闭时，可再生能源功率PS的剩余部分可提供给电池120。

此外，当检测到的可再生能源功率PS小于负载功率PL时，集成控制器170也会开启第一选择开关137，关闭第二选择开关139。然后，变频器130将可再生能源电源PS转换为直流电路140所需电平的直流电源，变频器150将直流电路140提供的可再生能源电源PS转换为负载10所需的交流电源。同样，变换器130可以提高可再生能源电源PS的电压，但负载10的可再生能源电源PS不足以满足负载电源PL，因此，部分负载电源PL可能会被电力系统20提供的系统电源PG覆盖。

图4是图1所示的用于向储能系统100中的电池120提供系统电源的选择开关单元135的操作电路图。

参照图1和图4，当没有检测到可再生能源功率PS时(例如，在没有太阳热量或阳光的夜间)，集成控制器170关闭第一选择开关137，打开第二选择开关139。然后，转换器130将存储在直流电路140中的系统功率PG转换为需要提供给电池120的直流功率，此时，转换器130可以将系统功率PG的电压降至适合提供给电池120的电压。

图5是图1所示的用于向储能系统100中的负载10提供可再生能源电源和系统电源的选择开关单元135的操作电路图。

参照图5，当检测到系统连接器160断电时，集成控制器170接通第一选择开关137，接通第二选择开关139。然后，转换器130将可再生能源电源PS和电池电源PB转换成所需电平的直流电源供给直流电路140，逆变器150将来自直流电路140的电源转换成供负载10使用的交流电源。在这里，变换器130可以提高可再生能源功率PS和电池功率PB的电压。如果可再生能源功率PS大于负载功率PL，则只有可再生能源功率PS提供给负载10。然后，在直流电路140中剩余的可再生能源功率PS超过负载10时，由转换器130转换，然后供给电池120。在这里，第一选择开关137被关闭，只有第二选择开关139被打开。转换器130可以执行压降操作。

图6显示了根据太阳能电池电压测量的输出功率水平，其中x轴(即横坐标)表示太阳能电池的电压，y轴(即纵坐标)表示太阳能电池的输出功率水平。此外，曲线SR1至SR6表示太阳能电池输出的最大功率点取决于太阳辐射。在一个实例中，可再生能源功率PS由太阳能电池产生，电池120的电压为200V，负载功率PL为400W。

具体来说，SR1表明，在电力系统20发生电力故障之前，太阳能电池的电压为170v，最大功率点的输出功率约为109w。在这种情况下，太阳能电池在最大功率点的电压比电池的电压120(如200V)小。在这种情况下，如果电力系统20发生停电，如图5所示，则打开第一选择开关137和第二选择开关139，使电源110和电池120相互耦合。然后，太阳能电池在最大功率点的电压增加到200V，等于电池120的电压。在这种情况下，太阳能电池的输出功率降低到88w。因此，太阳能电池供给负载10的可再生能源功率PS为88w，电池120供给负载10的电池功率PB为312W，即400-88W。

SR5表明，在电力系统20发生电力故障之前，太阳能电池的电压为215V，最大功率点的输出功率约为697W。在这种情况下，太阳能电池在最大功率点的电压大于电池120的电压。在这种情况下，如果电力系统20发生停电，如图5所示，则打开第一选择开关137和第二选择开关139，使电源110和电池120相互耦合。此时，太阳能电池在最大功率点的电压降至200v，此时，太阳能电池的输出功率降至687W。因此，太阳能电池供给负载10的可再生能源功率PS为400w，供给蓄电池120的可再生能源功率PS的剩余量为287w，即687-400w。

如上所述，由于本发明的储能系统100包括与发电机110和电池120并联的转换器130，与传统的双向变换器相比，可以减少电路实现装置的数量，减少印刷电路板(PCB)的尺寸，可以大大降低整个储能系统的制造成本，同时本申请拓扑结构简单可靠，实现方便，便于推广。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电力储能控制系统，包括电力系统、负载、可再生能源单位、蓄电池，其特征在于：所述控制系统还包括选择开关单元、双向直流转换器、直流电路、双向逆变器、集成控制器，所述可再生能源单位、蓄电池分别通过选择开关单元连接至双向直流转换器的一端，双向直流转换器的另一端经直流电路连接双向逆变器的一端，所述双向逆变器的另一端连接负载以及通过系统连接器连接电力系统；所述集成控制器的输出端分别连接选择开关单元、双向直流转换器、双向逆变器、系统连接器。

2.如权利要求1所述的一种电力储能控制系统，其特征在于：所述可再生能源单位包括太阳能发电系统、风力发电系统、潮汐发电系统、地热发电系统或其组合。

3.如权利要求1所述的一种电力储能控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括电池管理系统，所述电池管理系统用于对蓄电池的状态进行监控，其与所述集成控制器通信连接。

4.如权利要求1所述的一种电力储能控制系统，其特征在于：所述选择开关单元用于分别控制可再生能源单位、蓄电池与双向直流转换器之间的连通与否。

5.如权利要求1所述的一种电力储能控制系统，其特征在于：所述选择开关单元包括第一选择开关、第二选择开关，所述第一选择开关一端连接可再生能源单位，另一端连接双向直流转换器；所述第二选择开关一端连接蓄电池，另一端连接双向直流转换器。

6.如权利要求1-5任一所述的一种电力储能控制系统，其特征在于：所述双向直流转换器包括线圈、第一开关管、第二开关管，所述线圈的一端经第一选择开关连接可再生能源单位的正极，可再生能源单位的负极连接第一开关管的源极；线圈的另一端分别连接第一开关管的漏极以及第二开关管的漏极，所述第一开关管的栅极、第二开关管的栅极分别连接至集成控制器；所述第一开关管的源极、第二开关管的源极分别引出端子用于连接直流电路。

7.如权利要求6所述的一种电力储能控制系统，其特征在于：所述直流电路包括储能电容，用于存储电能，其两端分别连接第一开关管的源极、第二开关管的源极。

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