一种微网镍氢电池储能系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种微网镍氢电池储能系统，多个并联电连接的镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、交流配电柜、市电依次双向电连接；交流配电柜还与用电负荷端单向电连接，也与充电/放电机双向电连接；电池管理系统分别与能量管理系统、镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、充电/放电机双向连接；所述能量转换系统，其交流端通过交流配电柜与市电相连接。本实用新型的微网镍氢电池储能系统，通过并联控制柜和电池管理系统协调管理和控制，可以实现电池柜的大规模化并联，较好解决由于单体电池容量低难以规模化并联应用、均衡维护、高效利用的安全问题和可靠性问题。
【专利说明】—种微网镍氢电池储能系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种主要应用于城市楼宇、园区、社区等建筑上的微网镍氢电池储能系统。
【背景技术】
[0002]城市经济发展引发了一系列的社会问题，如人口增长、能源危机、环境污染、自然灾害等，其中城市用电短缺尤为严重。
[0003]城市用电问题具体表现在以下方面:城市用电紧张，大规模的停电和缺电，碳排放的居高不下；计划用电与发电不匹配，用电负荷时段不均匀，造成供需矛盾和资源浪费；新能源的应用比例低，例如风能、太阳能的入网比例低，而电网消纳更低，新能源的浪费严重。
[0004]传统的解决方案如建设火电站、建设抽水蓄能电站、城市间电力调配方式仍然没有摆脱传统的能源生产和利用方式，不能从根本上解决问题。
[0005]大力发展基于用户侧的微网系统，提高可再生能源和新能源的利用率，提升能源的利用效率，减少碳排放，正逐渐成为共识。微网系统是以集成3S(BMS+PCS+EMS)技术为核心，由分布式新能源发电系统、分布式储能平台、负荷节能系统、能源管理系统汇集而成的小型发、配、储、输、送的电力系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。
[0006]电池储能系统作为分布式储能平台的重要组成部分，起着高效调配供电和用电之间的矛盾，通过电池储能系统的能量存储和释放来实现能量供需平衡和微网功率平衡，可以有效解决分布式发电的间隙性、不稳定性、低可靠性、低安全性的缺陷，是微网系统的关键子系统。但是，电池储能系统也存在成本偏高，需要大量的电池进行串并联以实现规模化能量存储和释放能力，需要进行较为复杂的管理和均衡，以提高电池储能系统的安全性、可靠性。
[0007]采用高容量单体电池以减少电池储能系统电池的单体电池的串并联数量，但是单体电池高容量化制造是一个大问题，其单体电池之间的一致性往往较差；采用双向DC-DC，解决单体电池经过串联形成高电压电池串后再进行间接并联连接，但是双向DC-DC的引入，降低了电池储能系统的效率，而且双向DC-DC之间的并联同样存在均流和控制的难题；采用BMS(电池管理系统)中设置均衡管理模块，对电池储能系统进行均衡充电或放电管理，以维持单体电池之间的相对一致性，以保证电池储能系统能够提供能量存储和释放的功能，但是这种方式往往带来均衡管理成本高、均衡效率低的问题。
实用新型内容
[0008]本实用新型旨在克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种并联成组简单，均衡管理简单有效，投入成本低的微网镍氢电池储能系统。本实用新型通过以下方案实现:
[0009]一种微网镍氢电池储能系统，多个并联电连接的镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、交流配电柜、市电依次双向电连接；交流配电柜还与用电负荷端单向电连接，也与充电/放电机双向电连接；电池管理系统一端与能量管理系统双向连接，另一端则分别与镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、充电/放电机双向连接；所述能量管理系统分别与能量转换系统、充电/放电机双向连接；所述能量转换系统，其交流端通过交流配电柜与市电相连接。
[0010]所述充电/放电机与镍氢电池柜双向电连接，且在镍氢电池柜正极端与充电/放电机正极端的连接电路上设置有熔断器，在镍氢电池柜负极端与充电/放电机负极端的连接电路上设置有智能开关。
[0011]所述并联控制柜中，单向二极管与智能开关并联后与熔断器串联，然后连接到电池柜的正极端，形成电路；单向二极管与智能开关并联后，连接到电池柜的负极端，形成电路。
[0012]一种微网镍氢电池储能系统，具有可在并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式、均衡维护模式中的一种模式下运行的功能，或者具有可在均衡维护模式与并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式三种模式的任意耦合中的一种模式下运行的功能。
[0013]满足以下条件时并联充电模式运行:(I)电池管理系统接收到能量管理系统要求进入充电模式的指令要求，(2)镍氢电池柜无过温、欠温、过压、欠压、绝缘异常、通信异常等，电池管理系统无错误和报警信息，(3)能量转换系统无错误和报警信息即不存在不满足充电功能要求的异常情况。
[0014]满足以下条件时并联放电模式运行:(I)电池管理系统接收到能量管理系统要求进入放电模式的指令要求，(2)镍氢电池柜无过温、欠温、过压、欠压、绝缘异常、通信异常等，电池管理系统无错误和报警信息，(3)能量转换系统无错误和报警信息即不存在不满足放电功能要求的异常情况。
[0015]满足以下条件时并联待机模式运行:(I)电池管理系统接收到能量管理系统要求进入待机模式的指令要求，(2)镍氢电池柜无过温、欠温、过压、欠压、绝缘异常、通信异常等，或者镍氢电池柜已经处于充满(如带电状态SOC为100 %或已经达到充电的正常截止条件)或放空状态(如带电状态SOC为0%或已经达到放电的正常截止条件)，电池管理系统无错误和报警信息。
[0016]满足以下条件时均衡维护模式运行:(I)某个镍氢电池柜带电状态SOC偏差过大即某个镍氢电池柜带电状态SOC值与多个镍氢电池柜带电状态SOC平均值之间的差值达到15%以上；或者某个镍氢电池柜电压偏差过大即某个镍氢电池柜内单体电池最小电压Vmin与单体电池最大电压Vmax之间的差值在镍氢电池柜带电状态SOC值为15 %时候达到40*n mv以上,其中η为所述某个镍氢电池柜内单体电池的数量；或者某个镍氢电池柜记忆效应过大即某个镍氢电池柜以某一同等倍率放电至单体电池平均电压达到1200*n mv时候的镍氢电池柜带电状态SOC值，与上一次均衡结束后第一次以相同倍率放电至单体电池平均电压达到1200*n mv时候的镍氢电池柜带电状态SOC值的差值达到15%以上，其中η为所述某个镍氢电池柜内单体电池的数量；或者某个镍氢电池柜电流偏差过大即某个镍氢电池柜的充电或放电电流I与多个镍氢电池柜平均电流Iave之间满足:(1-1ave)/Iave的绝对值大于50% ；(2)充电/放电机无错误和报警信息即不存在不满足充电或放电功能要求的异常情况。
[0017]满足以下条件时均衡维护模式与并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式任意一种耦合的耦合模式运行，(I)微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式、并联充电模式、并联放电模式中的一种模式；(2)某个镍氢电池柜带电状态SOC偏差过大即某个镍氢电池柜带电状态SOC值与多个镍氢电池柜SOC平均值之间的差值达到15%以上；或者某个镍氢电池柜电压偏差过大即某个镍氢电池柜内单体电池最小电压Vmin与单体电池最大电压Vmax之间的差值在镍氢电池柜带电状态SOC为15%时候达到40*n mv以上，其中η为所述某个镍氢电池柜内单体电池的数量；或者某个镍氢电池柜电流偏差过大即某个镍氢电池柜充电或放电电流I与多个镍氢电池柜平均电流Iave之间满足:(1-1ave)/Iave的绝对值大于 50%。
[0018]本发明的微网镍氢电池储能系统的运行过程如下:
[0019]当能量管理系统EMS接收到电池管理系统BMS状态正常的信息时，能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出待机指令，之后电池管理系统BMS向并联控制柜发出导通智能开关的指令，智能开关导通，各镍氢电池柜依次实现导通，形成并联，此时微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式。
[0020]当能量管理系统EMS接收到能量转换系统PCS状态正常信息，依据充电和放电的控制策略要求，能量管理系统EMS形成了充电的控制指令，并将充电指令下达到电池管理系统BMS和能量转换系统PCS，如果微网镍氢电池储能系统此时不处于并联待机模式，则先执行并联待机模式相关指令动作，实现各镍氢电池柜的并联，如果微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式，则由能量转换系统PCS将交流电转换为直流电给镍氢电池柜充电，此时微网镍氢电池储能系统处于并联充电模式。当各镍氢电池柜已经处于充满(如带电状态SOC为100 %或已经达到充电的正常截止条件)，则能量转换系统PCS的充电功率降为零，停止对各镍氢电池柜充电，此时微网镍氢电池储能系统恢复到并联待机模式。
[0021]当能量管理系统EMS接收到能量转换系统PCS状态正常信息，依据充电和放电的控制策略要求，能量管理系统EMS形成了放电的控制指令，能量管理系统EMS将放电指令下达到电池管理系统BMS和能量转换系统PCS，如果微网镍氢电池储能系统此时不处于并联待机模式，则先执行并联待机模式相关指令动作，实现各镍氢电池柜的并联，如果微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式，则由能量转换系统PCS直流电转换为交流电给镍氢电池柜放电,此时微网镍氢电池储能系统处于并联放电模式。当各镍氢电池柜已经处于放空状态(如带电状态SOC为O %或已经达到放电的正常截止条件)，则能量转换系统PCS放电功率降为零，停止对各镍氢电池柜放电，此时微网镍氢电池储能系统恢复到并联待机模式。
[0022]当某个镍氢电池柜出现了带电状态SOC偏差过大或者电压偏差过大或者电流偏差过大或者记忆效应过大时，能量管理系统EMS先确认充电/放电机无错误和报警信息即不存在不满足充电或放电功能要求的异常情况，然后能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出对该镍氢电池柜均衡维护工作指令，电池管理系统BMS将指令发给并联控制柜断开并联该镍氢电池柜的智能开关，电池管理系统BMS接收到并联控制柜断开智能开关的信息后，给充电/放电机发出导通指令，能量管理系统EMS接收到电池管理系统BMS传回的断开并联控制柜的智能开关、导通充电/放电机的信息后，能量管理系统EMS向充电/放电机发出充电或放电功率指令，充电/放电机进行逆变工作，对该镍氢电池柜进行充电或放电操作，微网镍氢电池储能系统进入均衡维护模式。
[0023]当微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式、并联充电模式、并联放电模式中的一种模式，当某个镍氢电池柜出现了带电状态SOC偏差过大或者电压偏差过大或者电流偏差过大时，电池管理系统BMS发送并联断开指令给并联控制柜，首先将带电状态偏差或者电压偏差或者电流偏差最大的那个镍氢电池柜的智能开关断开，切断该镍氢电池柜与其它镍氢电池柜的并联，该镍氢电池柜信息经由电池管理系统BMS采集，并发送至能量管理系统EMS，由能量管理系统EMS按照事先设置的均衡策略进行决策，进入到相应的均衡维护模式，此时微网镍氢电池储能系统就处于均衡维护模式与并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式任意一种稱合的稱合模式。
[0024]与现有技术相比，本实用新型的微网镍氢电池储能系统，具有以下特点和优点:
[0025]1、有利于微网镍氢电池储能系统的规模化扩展。本实用新型以较低的成本，较好的解决了微网镍氢电池储能系统规模化过程中，需进行大量并联控制的问题。通过并联控制柜的设置，既实现了并联的功能，又能有效保障电池的安全性和系统的可靠性。
[0026]2、有利于微网镍氢电池储能系统的高效均衡和高效利用。独立的充电/放电机和均衡电路的设置，可以在基本不影响微网镍氢电池储能系统整体运行工作的前提下，对镍氢电池储能系统的局部进行均衡维护处理，具有非常高的灵活性，有效克服了镍氢电池记忆效应、容量偏低的缺点。
[0027]3、有利于微网镍氢电池储能系统的安全性。并联控制柜和独立均衡设备和电路的设置，以及系统工作模式和策略的设置，能较好避免镍氢电池储能系统性能的恶化，解决电流偏差大、电压偏差大等现象，使得系统始终处于一个可靠和相对稳定的状态，极大提升了微网镍氢电池储能系统的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1实施例1中微网镍氢电池储能系统结构示意图
[0029]图2实施例1中电池柜的结构示意图
[0030]图3实施例1中电池托的结构示意图
[0031]图4实施例1中微网镍氢电池储能系统的工作原理图
【具体实施方式】
[0032]实施例只是为了说明本实用新型的一种实现方式，不作为对本实用新型保护范围的限制性说明。
[0033]实施例1
[0034]一种微网镍氢电池储能系统，如图1所示，L个并联电连接的镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、交流配电柜、市电依次双向电连接；交流配电柜还与用电负荷端单向电连接，也与充电/放电机双向电连接；充电/放电机与镍氢电池柜双向电连接；电池管理系统采用TCP/IP与能量管理系统实现双向通信连接，电池管理系统采用RS485分别与并联控制柜、能量转换系统、充电/放电机实现双向通信连接，电池管理系统采用CAN2.0B与镍氢电池柜实现双向通信连接；能量管理系统采用RS485分别与能量转换系统、充电/放电机实现双向通信连接；能量转换系统，其交流端通过交流配电柜与市电相连接。
[0035]L个镍氢电池柜之间通过并联控制柜进行并联电连接。如图2所示，镍氢电池柜包括M个相互串联的电池托；如图3所示，电池托包括N个相互串联的电池包；其中L、M、N为自然数。[0036]如图4所示，充电/放电机的正极端与镍氢电池柜的正极端电连接并在连接电路上设置有熔断器，充电/放电机的负极端与镍氢电池柜的负极端电连接并在连接电路上设置有可接受远程信息控制的智能开关如直流继电器或直流接触器或IGBT即双极绝缘栅极型晶体管。
[0037]如图4中所示的并联控制柜，包括m个单向二极管D、m个智能开关K及m/2熔断器FUSE，其中m为电池柜数量L的2倍。一个单向二极管D与一个智能开关K并联后与一个熔断器FUSE串联，然后连接到电池柜的正极端，形成m/2条电路并联接入能量转换系统PCS提供的直流正极端A 个单向二极管D与一个智能开关K并联后，连接到电池柜的负极端，形成m/2条电路并联接入能量转换系统PCS提供的直流负极端B。
[0038]微网镍氢电池储能系统，具有可在并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式、均衡维护模式中的一种模式下运行的功能，或者具有可在均衡维护模式与并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式三种模式的任意耦合中的一种模式下运行的功能。
[0039]本实施例中的微网镍氢电池储能系统的运行过程如下:
[0040]微网镍氢电池储能系统通电后，能量管理系统EMS监测到电池管理系统BMS上传的信息，确认镍氢电池柜无过温、欠温、过压、欠压、绝缘异常、通信异常等，电池管理系统BMS无错误和报警信息，能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出进入并联待机模式工作指令，电池管理系统BMS接收到能量管理系统EMS指令后，电池管理系统BMS向并联控制柜发出并联工作指令，由于不存在有需要进行均衡维护的镍氢电池柜，因此所有的并联控制柜中的智能开关K1、K2、K3、K4、....、Km-l、Km接收到闭合信号指令，逐次进行闭合动作，实现所有镍氢电池柜的 并联，微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式。
[0041]能量管理系统EMS按照内部设置的决策逻辑，生成镍氢电池柜需要进行充电的指令，确认镍氢电池柜无过温、欠温、过压、欠压、绝缘异常、通信异常等，电池管理系统BMS无错误和报警信息，确认能量转换系统PCS无错误和报警信息即不存在不满足充电功能要求的异常情况。能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出进入并联充电模式工作指令，电池管理系统BMS接收到能量管理系统EMS指令后，将并联控制柜中的智能开关K1、K2、K3、K4、….、Km-l、Km当前状态反馈到能量管理系统EMS，如果智能开关Kl、K2、K3、K4、....、Km-UKm是闭合状态，则表明微网镍氢电池储能系统已经处于并联待机模式，如果智能开关KU K2、K3、K4、….、Km-1、Km是断开状态，则电池管理系统BMS执行并联待机模式的工作指令使得智能开关K1、K2、K3、K4、....、Km-l、Km进行闭合动作并达到闭合状态。能量管理系统EMS确认电池管理系统BMS已经处于并联待机模式后，能量管理系统EMS向能量转换系统PCS发出充电功率指令，能量转换系统PCS执行充电功率输出，将交流电转换为直流电给镍氢电池柜充电，微网镍氢电池储能系统进行并联充电模式。
[0042]当镍氢电池柜已经处于充满(如带电状态SOC为100%或已经达到充电的正常截止条件)，则能量转换系统PCS的充电功率降为零，停止对镍氢电池柜充电，此时微网镍氢电池储能系统恢复到并联待机模式。
[0043]能量管理系统EMS按照内部设置的决策逻辑，生成镍氢电池柜需要进行放电的指令，确认镍氢电池柜无过温、欠温、过压、欠压、绝缘异常、通信异常等，电池管理系统BMS无错误和报警信息，确认能量转换系统PCS无错误和报警信息即不存在不满足充电功能要求的异常情况。能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出进入并联放电模式工作指令，电池管理系统BMS接收到能量管理系统EMS指令后，将并联控制柜中的智能开关K1、K2、K3、K4、….、Km-l、Km当前状态反馈到能量管理系统EMS，如果智能开关Kl、K2、K3、K4、....、Km-UKm是闭合状态，则表明微网镍氢电池储能系统已经处于并联待机模式，如果智能开关K1、K2、K3、K4、….、Km-1、Km是断开状态，则电池管理系统BMS执行并联待机模式的工作指令使得智能开关K1、K2、K3、K4、....、Km-l、Km进行闭合动作并达到闭合状态。能量管理系统EMS确认电池管理系统BMS已经处于并联待机模式后，能量管理系统EMS向能量转换系统PCS发出放电功率指令，能量转换系统PCS执行放电功率输出，进行电能逆变，微网镍氢电池储能系统进行并联放电模式。
[0044]当镍氢电池柜已经处于放空状态(如带电状态SOC为0%或已经达到放电的正常截止条件)，则能量转换系统PCS放电功率降为零，停止对镍氢电池柜的放电，此时微网镍氢电池储能系统恢复到并联待机模式。
[0045]当镍氢电池柜I出现:⑴镍氢电池柜I带电状态SOC值与L个镍氢电池柜带电状态SOC平均值之间的差值达到15%以上；或者⑵镍氢电池柜I内单体电池最小电压Vmin与单体电池最大电压Vmax之间的差值在镍氢电池柜I带电状态SOC值为15%时候达到40*n mv以上,其中η为所述镍氢电池柜I内单体电池的数量；或者(3)镍氢电池柜I以IC倍率放电至单体电池平均电压达到1200*n mv时候的镍氢电池柜I带电状态SOC值，与上一次均衡结束后第一次以IC倍率放电至单体电池平均电压达到1200*n mv时候的镍氢电池柜I带电状态SOC值的差值达到15%以上，其中η为镍氢电池柜I内单体电池的数量；或者(4)镍氢电池柜I的充电或放电电流I与L个镍氢电池柜平均电流Iave之间满足:(1-1ave)/Iave的绝对值大于50%时，能量管理系统EMS确认充电/放电机无错误和报警信息即不存在不满足充电或放电功能要求的异常情况，能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出针对电池柜I的均衡维护工作指令，电池管理系统BMS接收到能量管理系统EMS进入均衡维护工作模式的指令，电池管理系统BMS接收并联控制柜中智能开关Κ1、Κ2状态反馈信息，如果Kl和Κ2处于闭合状态，则电池管理系统BMS向并联控制柜发出断开Kl和Κ2的指令，并联控制柜执行该指令，电池管理系统BMS进一步确认Kl和Κ2处于断开状态后，电池管理系统BMS发出闭合智能开关Kjl指令，智能开关Kjl执行闭合完成与充电/放电机的电路导通，能量管理系统EMS接收电池管理系统BMS信息确认Kl和Κ2处于断开状态、Kjl处于闭合状态，能量管理系统EMS向充电/放电机发出充电或放电功率指令，充电/放电机进行逆变工作，对电池柜I进行充电或放电的操作，电池柜I处于均衡维护模式。待均衡维护处理完成，能量管理系统EMS向充电/放电机发出结束命令，充电/放电机功率降为零，然后能量管理系统EMS向电池管理系统BMS发出电池柜I均衡维护结束指令，电池管理系统BMS指挥Kjl断开。
[0046]当微网镍氢电池储能系统处于并联待机模式、并联充电模式、并联放电模式三种模式中的任何一种，如果镍氢电池柜I发生:(I)镍氢电池柜I带电状态SOC值与L个镍氢电池柜带电状态SOC平 均值之间的差值达到15%以上；或者(2)镍氢电池柜I单体电池最小电压Vmin与单体电池最大电压Vmax之间的差值在镍氢电池柜I带电状态SOC为15%时候达到40n mv以上,其中η为镍氢电池柜I内单体电池的数量；或者(3)镍氢电池柜I充电或放电电流I与L个镍氢电池柜平均电流Iave之间满足(1-1ave)/Iave的绝对值大于50%时，电池管理系统BMS发送并联断开指令给并联控制柜，并联控制柜中的智能开关Κ1、K2执行电池管理系统BMS指令断开电路，由于单向二极管Dl、D2的单向性，此时镍氢电池柜I就实现了与其它镍氢电池柜的断开，而其它镍氢电池柜的工作并不受到大的影响，只是由于镍氢电池柜I断开而脱离工作，镍氢电池柜I原来承担的放电电流分摊到其它的镍氢电池柜工作电流中，而镍氢电池柜I的信息经由电池管理系统BMS采集，并发送至能量管理系统EMS，由能量管理系统EMS按照事先设置的均衡策略进行决策，进入到相应的均衡维护模式，而其他镍氢电池柜仍为并联放电模式，微网镍氢电池储能系统处于并联放电模式和均衡维护模式的耦合。
【权利要求】
1.一种微网镍氢电池储能系统，其特征在于:多个并联电连接的镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、交流配电柜、市电依次双向电连接；交流配电柜还与用电负荷端单向电连接，也与充电/放电机双向电连接；电池管理系统一端与能量管理系统双向连接，另一端则分别与镍氢电池柜、并联控制柜、能量转换系统、充电/放电机双向连接；所述能量管理系统分别与能量转换系统、充电/放电机双向连接；所述能量转换系统，其交流端通过交流配电柜与市电相连接； 所述充电/放电机与镍氢电池柜双向电连接，且在镍氢电池柜正极端与充电/放电机正极端的连接电路上设置有熔断器，在镍氢电池柜负极端与充电/放电机负极端的连接电路上设置有智能开关； 所述并联控制柜中，单向二极管与智能开关并联后与熔断器串联，然后连接到电池柜的正极端，形成电路；单向二极管与智能开关并联后，连接到电池柜的负极端，形成电路。
2.如权利要求1所述的一种微网镍氢电池储能系统，其特征在于:具有可在并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式、均衡维护模式中的一种模式下运行的功能，或者具有可在均衡维护模式与并联充电模式、并联放电模式、并联待机模式三种模式的任意耦合中的一种模式下运行的功能。
【文档编号】H02J3/32GK203787968SQ201320780353
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】刘宏兵, 卓亨, 黄兰妮, 周树良, 夏敏 申请人:深圳先进储能材料国家工程研究中心有限公司