CN214799014U - 一种光储充一体化设备的能量调度系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光储充一体化设备的能量调度系统，属于电力电子的技术领域，该能量调度系统包括：多个相互独立的光储充单元，各所述光储充单元分别连接至电网电源；其中，所述光储充单元包括：能量管理器、储能电源、光伏电源组、中转电路和充电桩组，所述能量管理器与监控单元之间为远程通信连接，且储能电源、光伏电源组和充电桩组分别与能量管理器通信连接；充电桩组通过中转电路分别连接至电网电源、储能电源和光伏电源组，且通过能量管理器控制中转电路以切换不同的输入源至充电桩组，以达到对光伏、电网以及储能电源进行综合管理，以良好满足电动车充电需求的目的。

Description

一种光储充一体化设备的能量调度系统

技术领域

本实用新型属于电力电子的技术领域，具体而言，涉及一种光储充一体化设备的能量调度系统。

背景技术

当飞机停留在地面时，为了节约航油，通常飞机发动机是关闭的，但是，在飞机地面工作期间的大部分时间还是需要电源的，例如：飞机发动机的启动，机场上装卸货过程中的某些辅助设备(例如照明设备)的使用，以及在例行维修检查过程中，对飞机上的电气系统进行检测，都需要电力供应。虽然飞机蓄电池可以短时间为机载的电气设备供电，甚至用于启动发动机，但它的容量不允许它在地面上时候被广泛使用。因此，当飞机停留地面时，地面对机载用电设备进行检修，或启动发动机时，就需要给飞机提供外来电源，即地面电源。

同时，随着新能源汽车的日益普及，因此，在机场站新能源汽车对于充电桩的需求也日益增加，充电桩在对新能源汽车进行充电时，也需要耗费大量的电网电能。

在现有技术中，无论是通过地面电源对飞机供电，还是通过充电桩对新能源汽车进行充电，其主要是利用电网电能，其会对电网造成较大的负荷压力。

对于目前的机场，其缺乏对地面电源、电网电源、充电桩以及光伏储能的综合管理，导致在机场运行时，不能够对现有电能进行合理利用。

实用新型内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种光储充一体化设备的能量调度系统以达到对光伏、电网以及储能电源进行综合管理，以良好满足电动车充电需求的目的。

本实用新型所采用的技术方案为：一种光储充一体化设备的能量调度系统，该能量调度系统包括：

多个相互独立的光储充单元，各所述光储充单元分别连接至电网电源；

其中，所述光储充单元包括：能量管理器、储能电源、光伏电源组、中转电路和充电桩组，所述能量管理器与监控单元之间为远程通信连接，且储能电源、光伏电源组和充电桩组分别与能量管理器通信连接；

充电桩组通过中转电路分别连接至电网电源、储能电源和光伏电源组，且通过能量管理器控制中转电路以切换不同的输入源至充电桩组。

进一步地，该能量调度系统还包括远程数采模块，各所述光储充单元的储能电源分别与该远程数采模块通信连接，且远程数采模块通过4G/5G通信连接有云服务器，以在远程的云服务器能够实时掌控储能电源的当前状态。

进一步地，所述中转电路包括：与电网电源连接的电网支路、与储能电源连接的储能支路、与光伏电源组连接的光伏支路以及与充电桩组连接的充电支路，所述电网支路通过第一接触器连接至充电支路，储能支路和光伏支路并联后通过第二接触器连接至充电支路，且电网支路通过充能支路与储能电源连通，第一接触器和第二接触器受能源管理器的控制，其能够切换不同的输入源至充电桩，并确保充电桩的正常运行。

进一步地，所述充电桩组包括至少两个充电桩，各所述充电桩分别连接有一充电支路，充电桩的具体数量视当前情况而定。

进一步地，所述光伏电源组包括至少两个光伏逆变器，各所述光伏逆变器分别连接有一光伏支路，光伏逆变器的具体数量视当前情况而定。

进一步地，所述电网支路、充能支路、充电支路和光伏支路上均设有交流输入开关，且各所述充电支路并联后通过一交流输入开关连接至储能支路，通过交流输入开关可断开某一支路，以确保光储充单元的检修及维修。

进一步地，所述储能电源包括：ACDC控制器、DCDC控制器、DCAC控制器、以太网交换机和数据采集板，所述数据采集板与以太网交换机连接，以太网交换机分别与ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器连接，且ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器连接分别与能量管理器通信连接；

ACDC控制器对应的ACDC侧连接至充能支路，DCAC控制器对应的DCAC侧连接至储能支路；

储能电源在应用时，其既可为充电桩的充电功率需求补充，又可在光伏和电网的作用下进行充电。

进一步地，所述ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器通过CAN总线连接至CAN-IO板，CAN-IO板连接有状态指示灯，以便于现场工作人员实时掌控情况。

进一步地，所述数据采集板与远程数采模块通信连接，且数据采集板通过人机交互接口连接有触控屏；所述以太网交换机通过调试接口连接有PC终端，以实现对储能电源作终端调试。

进一步地，所述能量管理器包括：模拟板、主控板和云服务数采模块；所述模拟板与主控板通信连接，且模拟板接收来自充电支路的电流采样值、电网支路的电流采样值和电网支路的电压采样值；

所述云服务数采模块与主控板通信连接，云服务数采模块通过4G/5G通信与远程数采模块通信连接，且云服务数采模块通信连接有监控系统；

所述主控板分别与第一接触器和第二接触器通信连接且第一接触器和第二接触器设置为互锁，主控板分别与储能电源、光伏电源组和充电桩组通信连接。

本实用新型的有益效果为：

1.采用本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统，其通过将电网电源、储能电源以及光伏电源进行并网运行，在不同的场景下，通过不同的供电源满足充电桩的充电功能，在电网配电故障后，仍可离线运行并通过储能电源和光伏电源进行供电；在储能电源和/或光伏电源在检修或故障时，又可调度电网进行供电，以此实现对充电需求的满足，并对电网、储能以及光伏进行合理有效利用。

附图说明

图1是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统的总体框架图；

图2是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统中光储充单元的系统拓扑图；

图3是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统中光储充单元的电气连接图；

图4是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统中储能电源的系统拓扑图；

图5是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统中能量管理器的系统拓扑图；

图6是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统中光储充单元的通信架构图；

图7是本实用新型所提供的光储充一体化设备的能量调度系统中储能电源的基本控制逻辑框图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

如图1所示，在本实施例中具体提供了一种光储充一体化设备的能量调度系统，该能量调度系统应用于建立机场电动汽车的充电规划设计，通过该能量调度系统以满足电动汽车的充电需求，该能量调度系统包括：四个相互独立的光储充单元，每两个光储充单元为一组且通过一配电柜连接至电网电源，进而实现各所述光储充单元分别连接至电网电源，此处，电网电源为400V电源。

如图2所示，对于光储充单元的设计，其包括：能量管理器、储能电源、光伏电源组、中转电路和充电桩组，所述能量管理器与监控单元之间为远程通信连接，且储能电源、光伏电源组和充电桩组分别与能量管理器通信连接；充电桩组通过中转电路分别连接至电网电源、储能电源和光伏电源组，且通过能量管理器控制中转电路以切换不同的输入源至充电桩组。在本实施例中，充电桩组包括两个充电桩，充电桩用以满足电动汽车的充电需求；光伏电源组包括两个光伏逆变器，各个光伏逆变器分别连接有光伏太阳能板，以将光能转换为电能。

能量调度系统还包括远程数采模块，各所述光储充单元的储能电源分别与该远程数采模块通信连接，且远程数采模块通过4G/5G通信连接有云服务器，以通过云服务实时掌握该能量调度系统的当前状态。

在光储充单元运行时，其主要分别电气连接关系和通信传输关系两部分，对于电气连接部分，如图3所示，如下：

光储充单元分为输入侧、中间侧和输出侧，其中，输入侧分为电网电源、储能电源以及两个光伏逆变器；中间侧则为中转电路；输出侧分为储能电源充能以及两个充电桩。

中转电路包括：与电网电源连接的电网支路、与储能电源连接的储能支路、分别与两个光伏逆变器连接的光伏支路以及分别与两个充电桩连接的充电支路，所述电网支路通过第一接触器KM2连接至充电支路，储能支路和光伏支路并联后通过第二接触器KM3连接至充电支路，且电网支路通过充能支路与储能电源连通。其中，两所述充电桩分别连接有一充电支路，两个充电支路并联；两所述光伏逆变器分别连接有一光伏支路，两个光伏支路也并联。

分别在所述电网支路上设有交流输入开关Q1，且交流输入开关Q1的两侧分别为第一电流采样点和交流电压采样点Q7；在充能支路上设有交流输入开关Q10，且充能支路连接至储能电源，以在储能电源的电量不足时，为储能电源充能；在两个充电支路上分别设有交流输入开关Q5和交流输入开关Q6，同时，在两个充电支路上分别设有第二电流采样点和第三电流采样点；在两个光伏支路上分别设有交流输入开关Q2和交流输入开关Q3，且两所述充电支路并联后通过交流输入开关Q4连接至储能支路上，上述中，各个交流输入开关均为手动开关，其主要是起到在该光储充单元进行检修、维修时断开电路的作用。

在系统正常工作时，第一接触器KM2断开，第二接触器KM3闭合，电网电源不直接接入光伏电源与充电桩；当系统中光伏或者储能电源出现故障时，就是异常工况，第一接触器KM2闭合，第二接触器KM3断开，则储能电源与光伏均被切出，电网电源直接连接充电桩，保证充电桩的正常使用。

另一部分则为光储充单元的通信传输关系部分，先分别对储能电源和能量管理器的系统架构进行设计，如下：

①储能电源

储能电源采用型号为ESS-SYS-80/160-160的储能电源，其控制系统使用常见的ARM&FPGA&CPLD控制架构，储能电源的控制逻辑如图7所示。

如图4所示，储能电源包括：ACDC控制器、DCDC控制器、DCAC控制器、以太网交换机和数据采集板，所述数据采集板的以太网端口与以太网交换机连接，以太网交换机分别与ACDC控制器的以太网端口、DCDC控制器的以太网端口和DCAC控制器的以太网端口连接，且ACDC控制器的RS485-1端口、DCDC控制器的RS485-1端口和DCAC控制器的RS485-1端口连接分别与能量管理器通过RS485接口通信连接。

储能电源分为三侧，分别为：ACDC侧、DCDC侧以及DCAC侧(400HZ侧)；ACDC侧的作用为AC-DC转换，且ACDC侧主要包括ACDC控制器；DCDC侧的作用为DCDC转换器，且DCDC侧主要包括DCDC控制器，DCDC控制器的RS485-2端口连接至电池管理系统BMS，DCDC侧主要为飞机地面电源的供电，在本实施例的技术方案中并不涉及；DCAC侧的作用为DCAC转换器，且DCAC侧主要包括DCAC控制器。其中，ACDC控制器对应的ACDC侧连接至充能支路，DCAC控制器对应的DCAC侧连接至储能支路。

如图3所示，“输出至储能电源”部分则对应储能电源的ACDC侧，“储能电源输入”则对应储能电源的DCAC侧。在充电桩使用时，则会调度光伏电源给充电桩使用，不足部分由储能电源的DCAC侧提供；在充电桩未使用，且储能电源的电量不足时，则会调用光伏电源给储能电源充电，不足部分会使用电网电源通过储能电源的ACDC侧为储能电源充电。

为实现能够对储能电源的各个状态进行明确指示，所述ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器通过CAN总线连接至CAN-IO板，CAN-IO板连接有状态指示灯，以通过各个状态指示灯以显示储能电源当前所处的状态。

数据采集板的RS485-1端口与远程数采模块通信连接，此部分为如图6中所示的云服务RS485-2，云服务RS485-2用于远程数采模块和储能电源之间通信，采用标准Modbus-RTU通信协议，远程数采模块作为主站，储能电源作为从站，远程数采模块周期性读取储能电源内部数据，其中远程数采模块内部软件由外包服务商实现。

为实现对储能电源进行人工调试，在数据采集板的RS232端口连接有人机交互接口，通过人机交互接口连接有触控屏；所述以太网交换机通过调试接口连接有PC终端。

②能量管理器

能量管理器采用的基于DSP、FPGA和光纤通信的DSP控制系统。能量管理器采用基于DSP&FPGA&光纤通信的控制系统，能量管理器包括：模拟板、主控板和云服务数采模块；所述模拟板与主控板通信连接，且模拟板接收来自充电支路的电流采样值(如图3中，1#充电桩所在充电支路和2#充电桩所在充电支路上的电流采样点)、电网支路的电流采样值(如图3中，在电网支路上的电流采样点)和电网支路的电压采样值(如图3中的交流电压采样点)，进而确保能量管理器能够实时掌握充电桩的功率需求，以及当前电网的信息，为确保配电网安全，电网输入电流不能超过最大设定电流且不允许向电网放电。

所述云服务数采模块与主控板通信连接，云服务数采模块通过4G/5G通信与远程数采模块通信连接，该部分为如图6所示的云服务RS485-1，云服务RS485-1用于远程数采模块和能量管理器之间通信，采用标准Modbus-RTU通信协议，远程数采模块作为主站，能量管理器作为从站，远程数采模块周期性读取能量管理器内部数据，其中远程数采模块内部软件由外包服务商实现。云服务数采模块通信连接有监控系统，监控系统一般主要采用监控大屏，以在现场实时观看当前的状态。

所述主控板分别与第一接触器和第二接触器通信连接且第一接触器和第二接触器设置为互锁，主控板的RS485-1端口分别与储能电源中数据采集板的RS485-2端口、光伏电源的光伏逆变器以及充电桩的控制系统进行通信连接，该部分为如图6所示的通信架构中的子网通信RS485-3，子网通信RS485-3主要用于能量管理器与储能电源、光伏逆变器通信，基于当前的硬件条件，该网络采用标准Modbus-RTU通信协议，能量管理器作为主站，周期性读取储能电源和光伏逆变器的信息，并对储能电源和光伏逆变器下发控制指令。

主控板上设有调试接口，该调试接口用于能量管理器的调试，采用标准Modbus-TCP通信协议和Telnet通信协议。

基于上述所述能量调度系统，该能量调度的工作原理如下：

通过能量管理器实时获取储能电源、光伏电源组和充电桩组的当前状态；能量管理在能量使用时，其优先级由高到低为：光伏逆变器→储能电源→电网电源；

若均正常工作(电网电源、储能电源以及光伏电源无故障，且充电桩处于使用状态)，则控制第二接触器KM3闭合且第一接触器KM2打开，以将储能电源和光伏电源组接入充电桩组，且此时电网电源不接入充电桩组；其中，光伏电源组的优先级大于储能电源。由于能量管理器分别与光伏逆变器、储能电源和充电桩通信连接，能量管理器通过充电桩当前的所需功率需求，下发光伏功率指令至光伏逆变器，光伏逆变器工作并输出功率，此时，由于储能电源与光伏逆变器共同接入充电桩，若在光伏逆变器输出功率不足的情况下，储能电源会自动补充功率，以满足当前充电桩的功率需求。其中，对于储能电源，其内部控制逻辑属于现有技术，其能够通过检测电压压差，在功率不足的情况下自动补充功率输入。

若充电桩正常工作且储能电源和/或光伏电源组不正常工作(例如：出现故障或检修的情况下)，则控制第一接触器KM2闭合且第二接触器KM3断开，以将电网电源接入充电桩组，由电网电源直接为充电桩供电，而储能电源和光伏电源组不接入充电桩组。

若充电桩不工作且储能电源的电量不足时，则控制光伏电源组和电网电源为储能电源充电；其中，光伏电源组的优先级大于电网电源。其控制逻辑为：

通过能量管理器下发光伏功率指令至光伏逆变器，调用光伏逆变器工作并将电能输出至储能电源的DCAC侧(即对应图3中的“储能电源输入”)，再经由储能电源的DCDC侧为其电池充电；此时，储能电源在充电状态下会自动内部控制，在光伏逆变器输出的功率不足时，储能电源会接收来自电网电源的功率，以满足储能电源充电所需的功率(即对应图3中的“输出至储能电源”，“输出至储能电源”对应储能电源的ACDC侧，再经由DCDC侧为储能电源的电池充电)。

为实现储能电源充电的经济性，在能量管理器的控制下，通过下发控制指令至储能电源，储能电源根据指令切换其自身当前状态，将电网划分为峰、平、谷三段，每段的时间范围和控制目标见下表：

在以上的控制逻辑中，应当注意的是，在充电桩的使用过程中，不允许切换供电模式。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，该能量调度系统包括：

多个相互独立的光储充单元，各所述光储充单元分别连接至电网电源；

其中，所述光储充单元包括：能量管理器、储能电源、光伏电源组、中转电路和充电桩组，所述能量管理器与监控单元之间为远程通信连接，且储能电源、光伏电源组和充电桩组分别与能量管理器通信连接；

充电桩组通过中转电路分别连接至电网电源、储能电源和光伏电源组，且通过能量管理器控制中转电路以切换不同的输入源至充电桩组；

该能量调度系统还包括远程数采模块，各所述光储充单元的储能电源分别与该远程数采模块通信连接，且远程数采模块通过4G/5G通信连接有云服务器。

2.根据权利要求1所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述中转电路包括：与电网电源连接的电网支路、与储能电源连接的储能支路、与光伏电源组连接的光伏支路以及与充电桩组连接的充电支路，所述电网支路通过第一接触器连接至充电支路，储能支路和光伏支路并联后通过第二接触器连接至充电支路，且电网支路通过充能支路与储能电源连通。

3.根据权利要求2所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述充电桩组包括至少两个充电桩，各所述充电桩分别连接有一充电支路。

4.根据权利要求2所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述光伏电源组包括至少两个光伏逆变器，各所述光伏逆变器分别连接有一光伏支路。

5.根据权利要求2所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述电网支路、充能支路、充电支路和光伏支路上均设有交流输入开关，且各所述充电支路并联后通过一交流输入开关连接至储能支路。

6.根据权利要求2所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述储能电源包括：ACDC控制器、DCDC控制器、DCAC控制器、以太网交换机和数据采集板，所述数据采集板与以太网交换机连接，以太网交换机分别与ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器连接，且ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器连接分别与能量管理器通信连接；

ACDC控制器对应的ACDC侧连接至充能支路，DCAC控制器对应的DCAC侧连接至储能支路。

7.根据权利要求6所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述ACDC控制器、DCDC控制器和DCAC控制器通过CAN总线连接至CAN-IO板，CAN-IO板连接有状态指示灯；

所述数据采集板与远程数采模块通信连接，且数据采集板通过人机交互接口连接有触控屏；所述以太网交换机通过调试接口连接有PC终端。

8.根据权利要求2所述的光储充一体化设备的能量调度系统，其特征在于，所述能量管理器包括：模拟板、主控板和云服务数采模块；所述模拟板与主控板通信连接，且模拟板接收来自充电支路的电流采样值、电网支路的电流采样值和电网支路的电压采样值；

所述云服务数采模块与主控板通信连接，云服务数采模块通过4G/5G通信与远程数采模块通信连接，且云服务数采模块通信连接有监控系统；

所述主控板分别与第一接触器和第二接触器通信连接且第一接触器和第二接触器设置为互锁，主控板分别与储能电源、光伏电源组和充电桩组通信连接。

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