CN216331544U - 一种具备储能功能的换电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种具备储能功能的换电站，至少包括若干储能变流器；储能变流器交流侧电压等级与换电站主变压器低压侧的电压等级相当；单台储能变流器包含若干支路DC/DC变换器；每个电池包接入一路DC/DC变换器，转化为恒定电压后再进行并联，最后汇入储能变流器进行逆变。本实用新型将储能电站一般使用的双向储能变流器替代充电机用于换电站的电池充电，并配合智能化的能量管理系统和调度预约换电系统，实现在恰当时候利用备用电池向换电站内电网馈电及向外部馈电，可以在保证换电效率的前提下，大幅提高换电站的用电稳定性和可靠性，同时具备向供电电厂提供辅助增值服务的能力。

Description

一种具备储能功能的换电站

技术领域

本实用新型涉及换电站建造技术领域，特别涉及到一种具备储能功能的换电站。

背景技术

锂离子电池和新能源电动车在近十年来逐渐成熟，在我国发展迅速。电能是未来汽车类交通工具的主要替代能源，因为电能可以由太阳能、水能、风能以及核能等多种清洁可再生能源转换得到，也可以减少国家对石油等不再生能源的依赖性。随着环境保护、低碳经济、降低能耗的理念为人们重视，汽车工业因其尾气排放污染环境、高能耗等一系列负效应，面临日益严峻的挑战。相对传统的燃油汽车，新能源汽车能够有效降低汽车排放废气污染。从环境角度讲，新能源汽车废气排出量比传统汽车可减少92％-98％，从而实现交通能源多元化，保护环境；从能源角度讲，全球石油危机日益严重，汽车工业又是能耗的最大组成部分，新能源汽车的开发和使用有效解决了交通能源重消耗的问题，实现低碳经济可持续发展。

近年来，国家和地方层面都明确鼓励和扶持新能源汽车的推广使用。2014年的政府工作报告再次明确提出“推广新能源汽车”，坚持发展新能源汽车的国家战略不变，以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向不变，规划确定的发展目标不变，政府扶持的政策取向不变等“四个不变”。为了加快推广新能源汽车，多地政府在购车补贴、充电桩建设、新车上牌等方面出台了相关规定。

新能源电动汽车能源补充可以分为插充和换电两种模式，其中在插充模式下，主要有购买电池初期成本高、充电时间长以及充电安全性低三大类问题，另外，插充模式下，新能源电动车充电负荷具有显著的时空随机性，对电网的运行和规划会带来不利影响。而换电模式配合大规模集中型充电已经成为当前电动汽车发展的另一个具备竞争力的商业技术模式，第一，该模式下可以有效减少电动汽车的能源补给时间。第二，该模式下可以集中管理充电安全性，保证电池系统的安全可靠性。第三，通过合理的商业运作模式，采用电池租赁方式，既可以有效控制商务成本，又可以集中有效的管控电池系统的溯源性。

用于重载运输和矿山机械的换电站相比乘用车换电，建设地点常远离城市，位于乡村甚至是野外。农村电网或施工区域临时电网的稳定性较差，导致换电站存在电压不稳或断电的风险；此类状况一旦发生，会导致换电站内电池无法充电、换电机构无法动作，极大影响了换电车辆或工程机械的正常使用。另外一方面，一些大型的换电站有时会专门建设在电厂周围，例如建设在火电厂边可以利用火电厂的低价直供电力；或者建设在风电、光伏等可再生能源电站附近，一定程度上利用无法上网的零成本弃电来降低使用成本。在这种情况下，换电站一方面需要稳定输入电力的波动，另一方面也具备了向电厂提供调峰、调频的辅助服务，进一步获取额外收益的可能性。对于大型换电站而言，站内的备用电池也是一个容量不可忽视的潜在电池储能系统，如果将其灵活运用，可以提升换电站的供电稳定性甚至获得额外的收益。

现有大型换电站一般使用固定式充电机对电池进行充电，即使部分选用了智能型充电机，可以实现输入功率的合理分配，在确保用电负荷基本平稳的前提下提升车辆的换电效率、降低平均等待时间；但是充电机是一个单向提供能量的设备，只能实现电网到电池的能量流，不能反向使用。

因此，如何提供一种新型的具备储能功能的换电站可以在保证换电效率的前提下，大幅提高换电站的用电稳定性和可靠性，同时具备向供电电厂提供辅助增值服务的能力是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提出了具备储能功能的换电站，将储能电站一般使用的双向储能变流器(PCS)替代充电机用于换电站的电池充电，并配合智能化的能量管理系统和调度预约换电系统，实现在恰当时候利用备用电池向换电站内电网馈电及向外部馈电，可以在保证换电效率的前提下，大幅提高换电站的用电稳定性和可靠性，同时具备向供电电厂提供辅助增值服务的能力。

有鉴于此，本实用新型提出了一种具备储能功能的换电站，至少包括若干储能变流器；储能变流器交流侧电压等级与换电站主变压器低压侧的电压等级相当；单台储能变流器包含若干支路DC/DC变换器；每个电池包接入一路DC/DC变换器，转化为恒定电压后再进行并联，最后汇入储能变流器进行逆变。

本实用新型换电站通过主变压器从隶属较近的电网上取电，主变压器低压侧的电压等级和储能变流器(PCS)交流侧相当，储能变流器采用多支路模块化DC/DC接入设计方案，每个电池包接入一路DC/DC变换器，可以根据指令，对不同电池包支路分配不同的、可动态变化的充电/放电功率，可以独立的制定充放电策。

前述的具备储能功能的换电站，每台储能变流器独立处于充电或放电状态。

前述的具备储能功能的换电站，换电站还包括站内耗电系统，站内耗电系统均从主变压器的低压侧接入。

前述的具备储能功能的换电站，站内耗电系统通过站内变压器接入主变压器的低压侧。

本实用新型中站内耗电系统通过站内变压器接入主变压器的低压侧，当电池系统通过储能变流器进行放电时，可以优先补给站内耗电系统的使用。

前述的具备储能功能的换电站，还包括风电系统和光伏系统；其中光伏系统以直流电直接并入储能变流器内部的DC/DC并联后的直流母线；风电系统通过交流升压后并入主变压器低压侧的交流母线。

本实用新型中换电站还包括风电系统和光伏系统这种模式适用于在换电站周边直接建设光伏和风电分布式电站，光伏系统和风电系统的出力控制由换电站的系统统一支配。此时光伏系统采用直流汇流、稳压的架构，以直流电直接并入PCS内部的DC/DC并联后的直流母线，这样可以消除两次DC/AC的变换过程。在电池包充电模式下，光伏系统的电力优先供应电池包充电；在放电模式下光伏系统和电池包一起优先为其它储能变流器和站内耗电系统供电，余电则上网供电。风电系统优先供应储能变流器和站内耗电系统，余电则上网供电。

前述的具备储能功能的换电站还包括外部电源；外部电源包括火电站厂用电、风电系统和光伏系统，其中风电系统和光伏系统通过再生能源变压器接入换电站主变压器高压侧作为补充电源；火电站厂用电直接接入换电站主变压器高压侧。

当换电站不能通过主变压器从隶属较近的电网上取电，需要从距离较远电网上取电或从不隶属于换电站的电网上取电的情况下，换电站从外部电源取电。这些电源属于可知但不可控制的外部变量，会根据这些外接电源的状态和需求进行能量流的调控。

前述的具备储能功能的换电站，站内耗电系统包括能量管理系统、照明通暖系统，换电机构，其中能量管理系统包括：

车辆智能监控平台，收集车辆状态数据并分析预测得到车辆换电时间区间信息；并传送换电时间区间信息；

站控系统；收集储能变流器的功率数据和站内电池包状态信息，并预测电池包电量变化曲线，并传送电池包电量变化曲线；

可再生能源电控系统，收集风电系统和光伏系统功率预测曲线，并传送该信息；

火电厂调度系统，收集调峰、调频需求，并传送该信息；

储能管理系统，接收车辆智能监控平台传送的换电时间区间信息、电池包电量变化曲线、风电系统和光伏系统功率预测曲线以及调峰、调频需求，判定并传递充电或放电指令。

本实用新型中车辆智能监控平台收集换电车辆的位置、速度、电池量等数据，并根据车辆历史运行的数据分析预测得到每辆车下次换电的时刻表(区间)。其中站控系统收集储能变流器的功率数据、站内电池包的状态如每个电池包的电量、温度、健康状态等参数，仿真预测出未来短时间内电池电量的变化曲线。储能管理系统判定当前电池包哪些该充电、哪些可以等待、哪些需要提供放电服务，并将充放电指令传递到每台储能变流器，实现充放电。

前述的具备储能功能的换电站，车辆智能监控平台在分析预测车辆换电时间区间信息时，需要结合车辆历史运行的数据。

前述的具备储能功能的换电站，站控系统预测电池包电量变化曲线，需要结合电池包历史数据。

优通过以上技术方案，本实用新型提出了一种具备储能功能的换电站，具有如下技术效果：

1.本实用新型将换电站一般使用的双向储能变流器(PCS)替代充电机用于换电站的电池充电，并配合智能化的能量管理系统和调度预约换电系统，实现在恰当时候利用备用电池向换电站内电网馈电及向外部馈电，可以在保证换电效率的前提下，大幅提高换电站的用电稳定性和可靠性，同时具备向供电电厂提供辅助增值服务的能力。

2.换电站及电池包废弃后可以继续作为储能电站使用，大幅降低了建设成本及设备成本。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为实施例1提供的换电站电气系统图。

图2为实施例2提供的换电站电气系统图。

图3为实施例3提供的换电站电气系统图。

图4为实施例3提供的换电站能量管理系统示意图。

其中，1为主变压器，2为外电网，3为火电厂，4为储能变流器，5为电池包，6为站内变压器，7为能量管理系统，8为照明通暖系统，9为换电机构，10为光伏系统，11为风电系统，12为再生能源变压器，13为车辆智能监控平台，14为站控系统，15为可再生能源电控系统，16为火电厂调度系统，17为储能管理系统。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1本实施例提出了一种具备储能功能的换电站，换电站通过主变压器1从隶属较近的外电网2上取电，至少包括若干储能变流器4和站内耗电系统；储能变流器4交流侧电压等级与换电站主变压器1低压侧的电压等级相当；单台储能变流器4包含若干支路DC/DC变换器；每个电池包5接入一路DC/DC变换器，转化为恒定电压后再进行并联，最后汇入储能变流器4进行逆变，本实施例中的每台储能变流器4独立处于充电或放电状态。例如出现短暂停电情况，则某几台PCS可以调用其接入的具备空闲电量的电池包5支路进行放电，为换电站站内耗电系统、急于充电的电池包5进行供电，待电网恢复供电后再进行充电补充。同样的，当换电站处于较为空闲的时段，也可以利用具备空闲容量(充电或放电余量)的电池包5，进行对电网的削峰填谷服务，进行峰谷差套利。

主变压器1低压侧的电压等级和储能变流器4(PCS)交流侧相当，储能变流器4采用多支路模块化DC/DC接入设计方案，每个电池包5接入一路DC/DC变换器，可以根据指令，对不同电池包5支路分配不同的、可动态变化的充电/放电功率，可以独立的制定充放电策。例如对于急于给车辆更换的电池包5，可以分配满功率充电；对于电量较高又暂时不急于更换的电池包5，可以拿出一部分电量份额来支撑换电站其它部分紧急用电或提供电网辅助服务。

本实施例中站内耗电系统从主变压器1的低压侧接入。如果电压等级和储能变流器4不匹配的话，站内耗电系统可通过站内变压器6接入主变压器1的低压侧，当电池包5通过储能变流器4进行放电时，可以优先补给站内耗电系统的使用。

本实施例中的站内耗电系统包括能量管理系统7、照明通暖系统8，换电机构9，其中能量管理系统7包括：

车辆智能监控平台13，收集车辆状态数据并分析预测得到车辆换电时间区间信息；并传送换电时间区间信息；

站控系统14；收集储能变流器4的功率数据和站内电池包5状态信息，并预测电池包5电量变化曲线，并传送电池包5电量变化曲线；

储能管理系统17，接收车辆智能监控平台13传送的换电时间区间信息、电池包5电量变化曲线，判定并传递充电或放电指令。

本实施例中车辆智能监控平台13收集换电重卡、矿卡等用电车辆或机械设备的的位置、速度、电池量等数据，并根据车辆历史运行的数据分析预测得到每辆车下次换电的时刻表(区间)。其中站控系统14收集储能变流器4的功率数据、站内电池包5的状态如每个电池包5的电量、温度、健康状态等参数，并结合历史数据，仿真预测出未来短时间内电池电量的变化曲线。储能管理系统17通过车辆换电时间区间信息、电池包5电量变化曲线，判定当前电池包5哪些该充电、哪些可以等待、哪些需要提供放电服务，并将充放电指令传递到每台储能变流器4，实现充放电。

实施例2

如图2，本实施例提出了在光伏和风电分布式电站周边直接建设具备储能功能的换电站，光伏系统10和风电系统11的出力控制由换电站的系统统一支配，本实施例中的换电站至少包括若干储能变流器4、站内耗电系统、风电系统11和光伏系统10；储能变流器4交流侧电压等级与换电站主变压器1低压侧的电压等级相当；单台储能变流器4包含若干支路DC/DC变换器；每个电池包5接入一路DC/DC变换器，转化为恒定电压后再进行并联，最后汇入储能变流器4进行逆变，本实施例中的每台储能变流器4独立处于充电或放电状态。例如出现短暂停电情况，则某几台PCS可以调用其接入的具备空闲电量的电池包5支路进行放电，为换电站站内耗电系统、急于充电的电池包5进行供电，待电网恢复供电后再进行充电补充。同样的，当换电站处于较为空闲的时段，也可以利用具备空闲容量(充电或放电余量)的电池包5，进行对电网的削峰填谷服务，进行峰谷差套利。

本实施例以换电站通过主变压器1从隶属较近的外电网2上取电，主变压器1低压侧的电压等级和储能变流器4(PCS)交流侧相当，储能变流器4采用多支路模块化DC/DC接入设计方案，每个电池包5接入一路DC/DC变换器，可以根据指令，对不同电池包5支路分配不同的、可动态变化的充电/放电功率，可以独立的制定充放电策。例如对于急于给车辆更换的电池包5，可以分配满功率充电；对于电量较高又暂时不急于更换的电池包5，可以拿出一部分电量份额来支撑换电站其它部分紧急用电或提供电网辅助服务。

本实施例中站内耗电系统从主变压器1的低压侧接入。如果电压等级和储能变流器4不匹配的话，站内耗电系统可通过站内变压器6接入主变压器1的低压侧，当电池包5通过储能变流器4进行放电时，可以优先补给站内耗电系统的使用。

其中本实施例中的光伏系统10以直流电直接并入储能变流器4内部的DC/DC并联后的直流母线此时光伏系统10采用直流汇流、稳压的架构，以直流电直接并入PCS内部的DC/DC并联后的直流母线，这样可以消除两次DC/AC的变换过程。在电池包5充电模式下，光伏系统10的电力优先供应电池包5充电；在放电模式下光伏系统10和电池包5一起优先为其它储能变流器4和站内耗电系统供电，余电则上网供电。本实施例可以进一步理解为在电池包5充满且电网无放电需求的情况下(即此时光伏系统10发出的电能无法上网且无法用于充电)，调节光伏最大功率点跟踪，降低光伏的输出功率。

本实施例中的风电系统11通过交流升压后并入主变压器1低压侧的交流母线。风电系统11优先供应储能变流器4和站内耗电系统，余电则上网供电。

本实施例中的站内耗电系统包括能量管理系统7、照明通暖系统8，换电机构9，其中能量管理系统7包括：

车辆智能监控平台13，收集车辆状态数据并分析预测得到车辆换电时间区间信息；并传送换电时间区间信息；

站控系统14；收集储能变流器4的功率数据和站内电池包5状态信息，并预测电池包5电量变化曲线，并传送电池包5电量变化曲线；

可再生能源电控系统15，收集风电系统11和光伏系统10功率预测曲线，并传送该信息；

储能管理系统17，接收车辆智能监控平台13传送的换电时间区间信息、电池包5电量变化曲线、风电系统11和光伏系统10功率预测曲线判定并传递充电或放电指令。

本实施例中车辆智能监控平台13收集换电重卡、矿卡等用电车辆或机械设备的的位置、速度、电池量等数据，并根据车辆历史运行的数据分析预测得到每辆车下次换电的时刻表(区间)。其中站控系统14收集储能变流器4的功率数据、站内电池包5的状态如每个电池包5的电量、温度、健康状态等参数，并结合历史数据，仿真预测出未来短时间内电池电量的变化曲线。储能管理系统17通过车辆换电时间区间信息、电池包5电量变化曲线、收集风电系统11和光伏系统10功率预测曲线，判定当前电池包5哪些该充电、哪些可以等待、哪些需要提供放电服务，并将充放电指令传递到每台储能变流器4，实现充放电。

实施例3

如图3，当换电站不能通过主变压器1从隶属较近的外电网2上取电，需要从距离较远电网上取电或从不隶属于换电站的电网上取电的情况下，本实施例提出了一种具备储能功能的换电站从外部电源取电，至少包括若干储能变流器4、站内耗电系统和外部电源；储能变流器4交流侧电压等级与换电站主变压器1低压侧的电压等级相当；单台储能变流器4包含若干支路DC/DC变换器；每个电池包5接入一路DC/DC变换器，转化为恒定电压后再进行并联，最后汇入储能变流器4进行逆变，本实施例中的每台储能变流器4独立处于充电或放电状态。例如出现短暂停电情况，则某几台PCS可以调用其接入的具备空闲电量的电池包5支路进行放电，为换电站站内耗电系统、急于充电的电池包5进行供电，待电网恢复供电后再进行充电补充。同样的，当换电站处于较为空闲的时段，也可以利用具备空闲容量(充电或放电余量)的电池包5，进行对电网的削峰填谷服务，进行峰谷差套利。

主变压器1低压侧的电压等级和储能变流器4(PCS)交流侧相当，储能变流器4采用多支路模块化DC/DC接入设计方案，每个电池包5接入一路DC/DC变换器，可以根据指令，对不同电池包5支路分配不同的、可动态变化的充电/放电功率，可以独立的制定充放电策。例如对于急于给车辆更换的电池包5，可以分配满功率充电；对于电量较高又暂时不急于更换的电池包5，可以拿出一部分电量份额来支撑换电站其它部分紧急用电或提供电网辅助服务。

本实施例中站内耗电系统从主变压器1的低压侧接入。如果电压等级和储能变流器4不匹配的话，站内耗电系统可通过站内变压器6接入主变压器1的低压侧，当电池包5通过储能变流器4进行放电时，可以优先补给站内耗电系统的使用。

本实施例中的外部电源属于可知但不可控制的外部变量，会根据这些外接电源的状态和需求进行能量流的调控，本实施例中的外部电源可理解为包括火电站厂用电、风电系统11和光伏系统10，其中风电系统11和光伏系统10通过再生能源变压器12接入换电站主变压器1高压侧作为补充电源；火电站厂用电直接接入换电站主变压器1高压侧。且光伏系统10、风电系统11的功率预测曲线、火电厂3收到电网调度后得出的调峰和调配需求会传输到站内耗电系统中进行统一能量管理。

如图4，本实施例中的站内耗电系统包括能量管理系统7、照明通暖系统8，换电机构9，其中能量管理系统7包括：

车辆智能监控平台13，收集车辆状态数据并分析预测得到车辆换电时间区间信息；并传送换电时间区间信息；

站控系统14；收集储能变流器4的功率数据和站内电池包5状态信息，并预测电池包5电量变化曲线，并传送电池包5电量变化曲线；

可再生能源电控系统15，收集风电系统11和光伏系统10功率预测曲线，并传送该信息；

火电厂调度系统16，收集调峰、调频需求，并传送该信息；

储能管理系统17，接收车辆智能监控平台13传送的换电时间区间信息、电池包5电量变化曲线、风电系统11和光伏系统10功率预测曲线以及调峰、调频需求，判定并传递充电或放电指令。

本实施例中车辆智能监控平台13收集换电重卡、矿卡等用电车辆或机械设备的的位置、速度、电池量等数据，并根据车辆历史运行的数据分析预测得到每辆车下次换电的时刻表(区间)。其中站控系统14收集储能变流器4的功率数据、站内电池包5的状态如每个电池包5的电量、温度、健康状态等参数，并结合历史数据，仿真预测出未来短时间内电池电量的变化曲线。储能管理系统17通过车辆换电时间区间信息、电池包5电量变化曲线、收集风电系统11和光伏系统10功率预测曲线和火电厂调度系统16搜集的调峰、调频需求，判定当前电池包5哪些该充电、哪些可以等待、哪些需要提供放电服务，并将充放电指令传递到每台储能变流器4，实现充放电。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具备储能功能的换电站，其特征在于，至少包括

若干储能变流器；所述储能变流器交流侧电压等级与所述换电站主变压器低压侧的电压等级相当；单台所述储能变流器包含若干支路DC/DC变换器；每个电池包接入一路所述DC/DC变换器，转化为恒定电压后再进行并联，最后汇入所述储能变流器进行逆变；

风电系统；

光伏系统；和

站内耗电系统；所述站内耗电系统通过站内变压器接入所述主变压器的低压侧；

所述站内耗电系统包括能量管理系统、照明通暖系统，换电机构，其中所述能量管理系统包括：

车辆智能监控平台，其收集车辆状态数据并分析预测得到车辆换电时间区间信息；并传送所述换电时间区间信息；

站控系统；其收集所述储能变流器的功率数据和站内所述电池包状态信息，并预测所述电池包电量变化曲线，并传送所述电池包电量变化曲线；

可再生能源电控系统，其收集风电系统和光伏系统功率预测曲线，并传送该信息；

火电厂调度系统，其收集调峰、调频需求，并传送该信息；

储能管理系统，其接收所述车辆智能监控平台传送的所述换电时间区间信息、电池包电量变化曲线、所述风电系统和所述光伏系统功率预测曲线以及调峰、调频需求，判定并传递充电或放电指令。

2.根据权利要求1所述的换电站，其特征在于，每台所述储能变流器独立处于充电或放电状态。

3.根据权利要求1所述的换电站，其特征在于，所述光伏系统以直流电直接并入所述储能变流器内部的DC/DC并联后的直流母线；所述风电系统通过交流升压后并入主变压器低压侧的交流母线。

4.根据权利要求1所述的换电站，其特征在于，所述换电站还包括外部电源；所述外部电源包括火电站厂用电，其中所述风电系统和所述光伏系统通过再生能源变压器接入所述换电站主变压器高压侧作为补充电源；所述火电站厂用电直接接入所述换电站主变压器高压侧。

5.根据权利要求1所述的换电站，其特征在于，所述车辆智能监控平台在分析预测所述车辆换电时间区间信息时，需要结合车辆历史运行的数据。

6.根据权利要求1所述的换电站，其特征在于，所述站控系统预测所述电池包电量变化曲线，需要结合所述电池包历史数据。

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