楼宇储能应急节能系统的制作方法
【专利摘要】楼宇储能应急节能系统，由储能系统、UPS主机、管理系统三个部分组成。与现有技术相比，本发明将应急后备电源装置加以运行和管理，变单纯的应急功能，附加节能的日常功能，监测实时状态以确保应急能力，通过动态的运行和管理维持性能的稳定和延长使用寿命。
【专利说明】楼宇储能应急节能系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及ー种楼宇储能应急节能系统，尤其是涉及ー种主要应用于医院、银行、政府机关办公楼等建筑上给一类负载提供应急电源的楼宇储能应急节能系统。
【背景技术】
[0002]为保障人们的人身、财产安全，对如消防设施、应急照明、事故照明等一级负荷除了由普通的市电提供供电电源外，往往还设置UPS或EPS装置来提供应急后备电源，当市电发生故障不能正常供电时，切換到由应急后备电源供电，从而維持一级负荷的正常使用。
[0003]但是，现有UPS或EPS等后备电源装置通常存在以下问题:(I)UPS或EPS中的储能用电池系统长期处于小电流浮充状态，导致电池性能的下降；(2)缺乏对电池的动态使用监测，某时刻电池能提供的应急能力状态往往不清晰，不准确，一旦需要应急使用的时候，不能很好的满足需求，应急时间短或应急功率不足；(3)除了提供应急功能，后备电源无其它任何功能价值，不产生任何经济收益，能耗高。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供ー种工作效率高，能耗小的楼宇储能应急节能系统。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:楼宇储能应急节能系统，由储能系统、UPS主机、管理系统三个部分组成。
[0006]所述储能系统用于储存电能量，作为后备电能，在市电发生故障不能供电情况下，释放电能出来给负荷供电。
[0007]储能系统额定容量满足条件:1.10 <储能系统额定容量* (1-服务年限内总循环次数*単位循环储能系统容量衰减率)*储能系统放电效率* UPS主机电能转换效率/后备应急需求理论容量< 2.00 ；
単位循环储能系统容量衰减率=平均每做一次充电和放电循环后储能系统容量的减小量/储能系统初始容量；储能系统放电效率=储能系统放电实际放出的电量/储能系统的额定容量；UPS主机电能转换效率=每IKWH直流电能经过UPS主机转换输出的交流电能量/IKWH ;后备应急需求理论容量=应急时间X应急功率。
[0008]若储能系统额定容量设置过低，则不能满足应急负荷供电可靠性保障要求；相反，若储能系统额定容量设置过高，则储能体系初期投入成本过高，因此，综合两者考虑，既能满足初期投资和应急供电功能需求，同时，冗余的储能系统容量还可以作为调峰使用，产生日常的调峰经济价值。
[0009]所述负荷包括一级负荷(如应急照明灯)。
[0010]所述UPS主机由整流器、逆变器、输出隔离变压器、旁路静态开关、逆变静态开关组成，主要实现电能的转换和各工作模式下开关的切換；整流器、逆变器、输出隔离变压器、逆变静态开关依次电连接，旁路静态开关设干与整流器、逆变器、输出隔离变压器和逆变静态开关并联的连接支路上。
[0011]所述管理系统包括市电监测模块、BMS监测模块、阶梯电价数据库和工作模式决策模块，市电监测模块、BMS监测模块和阶梯电价数据库均与工作模式决策模块电连接；所述BMS监测模块与储能系统电连接。
[0012]所述市电监测模块，用于要监测市电的电压、电流、功率、功率因素电能质量等； 所述BMS监测模块主要监测储能系统的电压、电流、温度、带电状态S0C、健康状态信息
SOH 等；
阶梯电价数据库，存储当前的阶梯电价数据。
[0013]所述管理系统实施对整个楼宇储能应急节能系统的管理控制，管理系统通过工作模式决策模块所決定的工作模式有:低谷充电模式、高峰放电模式、待机模式和应急供电模式。
[0014]低谷充电模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段是谷电阶段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足谷电充电条件，即储能系统带电状态即SOC小于100%，无过压、过温、绝缘降低等异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障；低谷充电模式下的充电量=储能系统的充电效率*储能系统预设应急容量中富余容量的30?80%，充电倍率小于1/2C，优选的是1/10CT1/5C。
[0015]高峰放电模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段是高峰阶段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足峰值放电条件，即储能系统带电状态即SOC大于应急所需最低值，无低压、过温、绝缘降低等异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障；高峰放电模式下的放电量为低谷时段的充电量，放电倍率小于1/2C，优选的是 1/10C?1/5C。
[0016]待机模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段非高峰阶段或低谷时段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足正常工作条件，即储能系统带电状态即SOC大于应急所需最低值，应急所需最低值带电状态SOC=冗余系数(1.l(Tl.20) *后备应急需求理论容量*储能系统放电效率*UPS主机电能转换效率/储能系统额定容量)，无低压、高压、过温、绝缘降低等异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障。
[0017]应急供电模式下必须满足的条件有:由市电监测模块得知市电发生故障，无法给负荷供电。
[0018]楼宇储能应急节能系统是以UPS或EPS现有的装置为基础，对储能系统实施改造和管理运行，在维持储能系统以及整个UPS或EPS应急供电功能的同时，储能系统进行市电的消峰填谷。
[0019]楼宇储能应急节能系统利用UPS或EPS设计的富余容量的3(T80%来进行消峰填谷，如果调峰容量小于富余容量的30%，则调峰的经济收益太低；如果调峰容量大于富余容量的80%，则调峰的经济收益増加了，但是储能电池的循环深度过大不利于延长使用寿命。
[0020]本发明将应急后备电源装置加以运行和管理，变单纯的应急功能，附加节能的日常功能，监测实时状态以确保应急能力，通过动态的运行和管理維持性能的稳定和延长使用寿命。
[0021]与现有技术相比，本发明所提供的楼宇储能应急节能系统，具有以下的特点和优点:
第一、降低了 UPS或EPS系统日常的运行成本。现有技术对储能电池进行长期的浮充电，需要消耗电能，而且这些电能往往是通过过充电发热的形式耗散了，产生了用电的累积成本。楼宇储能应急节能系统改变了长期浮充电的工作模式，減少了过充电的消耗电量，减低了运行成本。
[0022]第二、实现了 UPS或EPS系统日常的经济收益。通过在市电谷段进行充电，在市电的峰值时段进行放电，可以实现峰谷价差来获得收益，彻底改变了只能单ー应急的功能。
[0023]第三、提高了 UPS或EPS系统的应急保障能力。由于整个系统处于日常的动态运行，系统的状态可以通过日常运行过程中的数据分析获得，以随时掌握系统的当前的应急能力。如果发现系统有异常，可以及时采取措施进行维护。而原有的技术方案往往只进行浮充电，支撑分析系统放电能力的数据严重不足，因而难以获得对系统的可靠准确判断，应急保障的可靠性较差。
[0024]第四、有利于延长系统的寿命。传统的UPS或EPS系统，备用状态下往往是长期的对储能电池进行浮充电，不利于电池的寿命。而楼宇储能应急节能系统则通过日常的浅充浅放，使得储能电池处于被激活的稳定状态，有利于储能电池的长寿命使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明实施例楼宇储能应急节能系统结构框图；
图2是本发明实施例楼宇储能应急节能系统运行决策框图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例和附图对本发明作进ー步详细说明。
[0027]參照图1，楼宇储能应急节能系统由储能系统、UPS主机、管理系统三个部分组成； 所述储能系统用于储存电能量，作为后备电能，在市电发生故障不能供电情况下，释放
出来给负荷供电。
[0028]储能系统额定容量满足条件:1.10 <储能系统额定容量* (1-服务年限内总循环次数*単位循环储能系统容量衰减率)*储能系统放电效率*UPS主机电能转换效率/后备应急需求理论容量< 2.00。
[0029]单位循环储能系统容量衰减率=平均每做一次充电和放电循环后储能系统容量的减小量/储能系统初始容量；储能系统放电效率=储能系统放电实际放出的电量/储能系统的额定容量;UPS主机电能转换效率=每IKWH直流电能经过UPS主机转换输出的交流电能量/IKWH ;后备应急需求理论容量=应急时间X应急功率。
[0030]所述负荷包括一级负荷(如应急照明灯)。
[0031]所述UPS主机由整流器ZL、逆变器NB、输出隔离变压器SG、旁路静态开关PJ、逆变静态开关NJ组成，主要实现电能的转换和各工作模式下开关的切換，整流器ZL、逆变器NB、输出隔离变压器SG、逆变静态开关NJ依次电连接，旁路静态开关PJ设于与整流器ZL、逆变器NB、输出隔离变压器SG和逆变静态开关NJ并联的连接支路上。
[0032]所述管理系统包括市电监测模块、BMS监测模块、阶梯电价数据库和工作模式决策模块，市电监测模块、BMS监测模块和阶梯电价数据库均与工作模式决策模块电连接；所述BMS监测模块与储能系统电连接；
本实施例中，整流器ZL通过开关Ql、开关4QF、开关IQF外接市电，旁路静态开关PJ通过开关Q2、开关5QF、开关IQF外接市电,逆变静态开关NJ、芳路静态开关PJ均与开关Q5电连接，与旁路静态开关PJ、开关Q5的并联的支路上设有开关Q3，UPS主机通过开关9 QF与负载相连，UPS主机通过开关12KM与储能系统电连接。
[0033]图2是本发明实施例楼宇储能应急节能系统运行决策框图。下面结合图2来说明本发明的各种运行状态和模式。
[0034]所述管理系统实施对整个楼宇储能应急节能系统的管理控制，管理系统通过工作模式决策模块所決定的工作模式有:低谷充电模式、高峰放电模式、待机模式和应急供电模式。
[0035]市电监测模块，主要监测市电的电压、电流、功率、功率因素等电能质量相关信息。BMS监测模块，主要监测储能系统的电压、电流、温度、S0C、S0H等信息。阶梯电价数据库，存储当前的阶梯电价数据。
[0036]低谷充电模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段是谷电阶段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足谷电充电条件，即储能系统带电状态即SOC小于100%，无过压、过温、绝缘降低等异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障。该模式下开关的状态是:开关1QF、开关4QF、开关Q1、开关12KM、开关Q5、开关9QF均处于闭合状态。该模式下实现谷电存储到储能系统中，降低了用电成本，也获得了储能系统的充电状态数据，一举两得。低谷充电模式下的充电量=储能系统的充电效率*储能系统预设应急容量中富余容量的3(T80%，充电倍率为小于1/2C，具体可为1/10CT1/5C。有效解决了因低谷充电量过小，导致谷电吸纳量太少，经济收益不明显，充电状态数据获取不充分；或者因低谷充电量过大，储能系统循环深度过大，循环寿命短；或者因充电倍率过大，储能系统充电效率下降；或者因充电倍率过小，UPS主机能量转换效率低，能量损失大等缺陷。
[0037]高峰放电模式:该工作模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段是高峰阶段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足峰值放电条件，即储能系统带电状态即SOC大于应急所需最低值，无低压、过温、绝缘降低等异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障。该模式下开关的状态是:开关4QF、开关Q1、开关12KM、开关Q5、开关9QF均处于闭合，开关IQF处于断开状态。该模式下实现了将已经存储到储能系统中的谷电，在高峰时段释放出来，谷电峰用，实现了经济收益，也获得了储能系统的放电状态数据，一举两得。高峰放电模式下的放电量为低谷时段的充电量，放电倍率小于1/2C，优选的是1/10CT1/5C。有效解决了因高峰放电量过小，经济收益不明显，放电状态数据获取不充分；或因高峰放电量过大，储能系统循环深度过大，循环寿命短，应急保障时间短；或者因放电倍率过大，循环寿命短；或者因放电倍率过小，UPS主机能量转换效率低，能量损失大等缺陷。
[0038]待机模式:该工作模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段非高峰阶段或低谷时段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足正常工作条件，即储能系统带电状态即SOC大于应急所需最低值，应急所需最低值带电状态SOC=冗余系数1.l(Tl.20*后备应急需求理论容量*储能系统放电效率*UPS主机电能转换效率/储能系统额定容量，无低压、高压、过温、绝缘降低等异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障。该模式下开关的状态是:开关1QF、开关4QF、开关Q1、开关Q5、开关9QF均处于闭合状态，开关12KM处于断开。该模式下整个系统处于随时准备提供应急供电保障状态。
[0039]应急供电模式:该工作模式下必须满足的条件有:由市电监测模块得知市电发生故障，无法给负荷供电。该模式下开关的状态是:开关4QF、开关Q1、开关Q5、开关9QF均处于闭合状态，开关1QF、开关12KM均处于断开状态。该模式下整个系统处于放电状态，储能系统存储的备用电能经过UPS主机转换，提供给负荷使用，保障负荷用电需求。应急供电模式优于其它三类工作模式，即只要发生市电故障，整个楼宇储能应急节能系统立即切换到应急供电模式来保障负荷用电需求。市电无故障情况下，再执行其它三类工作模式。
[0040]以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应该视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.楼宇储能应急节能系统，其特征在于，由储能系统、UPS主机、管理系统三个部分组成； 所述储能系统用于储存电能量，作为后备电能，在市电发生故障不能供电情况下，释放电能出来给负荷供电；储能系统额定容量满足条件:1.10 <储能系统额定容量* (1-服务年限内总循环次数*単位循环储能系统容量衰减率)*储能系统放电效率*UPS主机电能转换效率/后备应急需求理论容量< 2.00 ； 所述UPS主机由整流器、逆变器、输出隔离变压器、旁路静态开关、逆变静态开关组成；整流器、逆变器、输出隔离变压器、逆变静态开关依次电连接，旁路静态开关设干与整流器、逆变器、输出隔离变压器和逆变静态开关并联的连接支路上； 所述管理系统包括市电监测模块、BMS监测模块、阶梯电价数据库和工作模式决策模块，市电监测模块、BMS监测模块和阶梯电价数据库均与工作模式决策模块电连接；所述BMS监测模块与储能系统电连接； 所述市电监测模块，用于要监测市电的电压、电流、功率、功率因素电能质量； 所述BMS监测模块主要监测储能系统的电压、电流、温度、带电状态SOC、健康状态信息； 阶梯电价数据库，存储当前的阶梯电价数据。
2.根据权利要求1所述的楼宇储能应急节能系统，其特征在于，所述管理系统通过エ作模式决策模块所決定的工作模式有:低谷充电模式、高峰放电模式、待机模式和应急供电模式。
3.根据权利要求2所述的楼宇储能应急节能系统，其特征在于，所述低谷充电模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段是谷电阶段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足谷电充电条件，即储能系统带电状态即SOC小于100%，无过压、过温、绝缘降低异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障；低谷充电模式下的充电量=储能系统的充电效率*储能系统预设应急容量中富余容量的30?80%，充电倍率小于1/2C ； 高峰放电模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段是高峰阶段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足峰值放电条件，即储能系统带电状态即SOC大于应急所需最低值，应急所需最低值带电状态SOC=冗余系数(1.l(Tl.20)*后备应急需求理论容量*储能系统放电效率*UPS主机电能转换效率/储能系统额定容量，无低压、过温、绝缘降低异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障；高峰放电模式下的放电量为低谷时段的充电量； 待机模式下必须满足的条件有:(I)依据阶梯电价数据库得知当前时段非高峰阶段或低谷时段；(2)依据BMS监测模块得知储能系统正常，即满足正常工作条件，即储能系统带电状态即SOC大于应急所需最低值，无低压、高压、过温、绝缘降低异常；(3)由市电监测模块得知市电无故障； 应急供电模式下必须满足的条件有:由市电监测模块得知市电发生故障，无法给负荷供电。
4.根据权利要求3所述的楼宇储能应急节能系统，其特征在于，所述低谷充电模式下条件(3)中，充电倍率为1/10CT1/5C。
【文档编号】H02J7/00GK103441519SQ201310387634
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月31日 优先权日:2013年8月31日
【发明者】刘宏兵, 周树良, 陈杰, 胡顺华, 张传利, 夏敏, 王宏 申请人:深圳先进储能材料国家工程研究中心有限公司