应用于电网的移动储能系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型揭示了一种应用于电网的移动储能系统，包括蓄电池、电池管理系统（BMS)、功率转换系统(PCS)，能量管理系统(EMS)；本实用新型的优点在于系统通过各个元器件之间的配合，以及参数要求，实现100kw大容量电池为电网充放电的功能，并保证能确保整个系统工作的稳定性和可靠性。
【专利说明】应用于电网的移动储能系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及利用大容量电池组接入电网，根据电网状态为电网进行充放电操作的移动储能系统。
【背景技术】
[0002]长久以来，由于储能技术的不成熟，电能难以存储，所以在传统的电力系统中，发电、输电、配电、用电几乎是同时进行的，电网通过调度的手段来保证电能的实时平衡。而当今社会，在新能源大规模接入、微电网大规模发展、智能电网如火如荼规划的背景下，各种新的问题逐渐凸显，储能系统越来越成为现代电力系统中不可或缺的重要组成部分。
实用新型内容
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是实现一种能够为电网充放电的IOOkw功率的移动储能系统。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为:一种应用于电网的移动储能系统，包括蓄电池、电池管理系统(BMS)、功率转换系统(PCS)，能量管理系统(EMS)；
[0005]所述的蓄电池由若干电池模块串联组成，每个所述的电池模块由若干电池单体并联构成，所述的电池管理系统包括采集每个电池单体信号的电池管理模块和采集每个电池模块信号的电池管理单元。
[0006]所述功率转换系统包括主电路和控制器，其主电路的直流母线连接蓄电池并经开关元件、滤波电容连接至电压源变换器，所述的电压源变换器经网侧滤波器、并网开关连接至电网，所述的滤波电容并联有预充电电路；
[0007]所述的控制器包括核心控制器，以及与核心控制器连接的网侧ADC模块、直流侧ADC模块、驱动及功率保护电路，所述的网侧ADC模块连接VSC网侧电流采集单元、PCS网侧的电流采集单元、PCS网侧的并网开关，以及电网上的电压采集单元，所述的直流侧ADC模块连接蓄电池电压采集单元、蓄电池输出端电流采集单元、蓄电池输出端的开关以及直流侧电源采集单元，所述的驱动及功率保护电路连接VSC ；
[0008]所述的功率转换系统输入信号至电池管理系统，所述的电池管理系统和功率转换系统均与能量管理系统通信。
[0009]一个电池管理模块采集一个电池模块内每个电池单体的信号，所述的电池单体为磷酸铁锂电池。
[0010]所述的电池管理系统控制采样按照以下参数执行:
[0011]单体电池电压和端电压采样周期:< 0.2s ;
[0012]单体电池电压采样各采样点时间允许误差:< 2ms ;
[0013]单体电池采样分辨率:3mV ；
[0014]单体电池电压采样精度:< ± 0.2% ；
[0015]模块电压米样分辨率:0.0lV ；[0016]模块电压米样精度:≤±0.5% ；
[0017]温度测量精度:≤±2°C ;
[0018]电池组充放电电流测量精度:≤±0.3A(≤30A)，≤ ±1%(>30A)；
[0019]SOC 估算精度..≤ 6% (S0C ≤ 85%), ≤ 10% (85%>S0C>30%), ≤ 6% (S0C ≤ 30%)；
[0020]均衡放电电流最大值:80mA。
[0021]所述的网侧滤波器为是由两个电感和一个电容构成的LCL滤波器，L为变流器侧电感值取值145-155 μ H，LS为网侧电感值取值295-305 μ H，电容取值6.2-6.5 μ F ;所述的滤波电容取值2.5mF ;所述的开关元件和并网开关采用IGBT，每个所述的IGBT采用型号为富士 2MBI600VN - 120 - 50，其耐压值为1200V，最大允许直流电流为600A。
[0022]所述的核心控制器包括FPGA芯片、DSP、电源电路和实时以太网接口，所述的核心控制器还设有RS232接口，并通过RS232接口连接输入设备。
[0023]所述的电池管理系统和功率转换系统中分别设有光纤从站，并相互通过光纤连接，所述的光纤从站分别连接到能量管理系统中的光纤模块主站；电池管理系统中的主控制器、功率转换系统中的主控制器分别与各自的接口单元间以及能量管理系统主控制器与光纤模块主站间均采用EnterCAT以太网连接。
[0024]移动储能系统安装在车载集装箱内，密封的车载集装箱本体内部两侧固定有机架，中间设有检修通道，并在一端设有检修门，每侧机架有若干层，蓄电池分别固定在机架内，与所述的蓄电池连接的交流电缆和信号光纤连接至集装箱外，所述的集装箱设有通气排风口和空调，且功率转换系的交流电缆接口和电池管理系统的信号光纤的出口置于集装箱底面。
[0025]所述的集装箱内的空调系统和照明系统；所述空调系统的空调管道设置在集装箱壳体内，所述空调管道的主送风段内沿送风方向依次设有进风阀、过滤网、风机和表冷段；
[0026]所述照明系统的内顶灯安装在集装箱内的顶部，所述的内顶灯由照明配电柜供电，所述的供电线路设有照明开关。
[0027]所述的空调管道还设有送风支管，其出风口设在集装箱顶部和四壁，所述的移动储能设备的蓄电池通过位于集装箱内两侧的机架固定，所述的蓄电池与集装箱内壁之间具有散热间隙，所述的蓄电池的每个电池组单元所对应的集装箱内壁上均设有送风支管的出风口，且每个电池组单元上均固定有温度传感器，所述的温度传感器均将采集的温度信号输送至控制器。
[0028]每个所述的电池组照明灯由电池组照明灯开关中的一个开关控制，且控制相应电池组照明灯的电池组照明灯开关设在该照明灯旁边的机架上，所述的电池组照明灯开关与控制器连接。
[0029]本实用新型的优点在于系统通过各个元器件之间的配合，以及参数要求，实现IOOkw大容量电池为电网充放电的功能，并保证能确保整个系统工作的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明:
[0031]图1为移动储能系统结构框图；
[0032]图2为PCS系统的主电路拓扑结构；[0033]图3为控制系统模块图；
[0034]图4为PCS的简化单相电路模型；
[0035]图5为空调系统结构框图；
[0036]图6为照明系统结构框图；
[0037]上述图中的标记均为:1、进风阀；2、过滤网；3、风机；4、表冷段；5、压差传感器；
6、压差开关；7、进风温度传感器；8、出风温度传感器；9、照明开关；10、照明配电柜；11、内顶灯；12、外顶灯；13、集装箱位置灯；14、电池组照明灯开关；15、电池组照明灯。
【具体实施方式】
[0038]下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的【具体实施方式】如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0039]应用于电网的移动储能系统主要由蓄电池、电池管理系统、功率转换系统、能量管理系统和集装箱内辅助设置构成，下面就各个部件详细说明:
[0040]移动储能电池系统包括蓄电池和电池管理系统，蓄电池由若干电池模块串联组成，每个所述的电池模块由若干电池单体并联构成，电池单体采样磷酸铁锂电池，磷酸铁锂是用作大容量电力储能电池的首选材料，在综合性能、安全、成本、环保、技术成熟度等方面均满足需求，故本项目选择磷酸铁锂电池(LiFeP04，简称LFP)作为储能载体。
[0041]电池管理系统(BMS)是管理蓄电池的单元是用于监测、评估以及保护电池运行状态的电子设备集合，能有效地监测电池的各种状态(电压、电流、温度、S0C、S0H等)，能对蓄电池充、放电过程进行安全管理，对蓄电池可能出现的故障进行报警和应急保护处理，对蓄电池的运行进行优化控制，保证蓄电池安全、可靠、稳定的运行。BMS系统是储能系统中不可缺少的重要组成部分，是储能系统有效、可靠运行的保证，其应具备监测功能、运行报警功能、保护功能、自诊断功能、均衡管理功能、参数管理功能和本地运行状态显示功能等。电池管理系统(BMS)由电池管理模块(BMM)和电池管理单元(BMU)构成，电池管理模块采集每个电池单体信号，通常一个电池管理模块采集一个电池模块内每个电池单体的信号，电池管理单元采集每个电池模块信号。
[0042]电池管理单元的电源电路将外部输入的9?18V电压转化为BMU稳定的工作电压及采样基准电压，并具有CAN通信电路，该电路能够支持三路独立的CAN总线用于不同网络的通信。还具有具有时间及数据存储电路，该电路能够实现当前时间的读取与记录，并能够实现将重要的数据进行非易失性存储及读取。
[0043]BMU应具有电池系统总电压检测电路，该电路能够对电池系统两端的总电压(O?900V)进行实时检测。具有母线电压检测电路，该电路能够对电池系统母线电压(O?900V)进行实时检测。具有母线电流检测电路，该电路能够对电池系统母线电流(-550A?550A)进行实时检测，并能区分电流方向。具有风口温度检测电路，够对电池系统进风口及出风口的温度(-35?85°C)进行实时检测，并能将温度值向上传递。具有供电电压检测电路，该电路能够对输入BMU的供电电压(9?18V)进行实时检测。具有HVIL检测电路对放电回路及充电回路的高压互锁状态进行检测，并将测试值上传。[0044]BMM主要由电源及通信、信号检测电路、电压均衡控制构成，电源电路能够将外部输入的9~18V供电电压转化为BMM稳定的工作电压及采样基准电压。具有一路CAN通信电路，该电路能够通过CAN总线实现与BMU进行子网数据的交互。具有模块编号识别电路，该电路能够识别出BMM自身的编号(I~32)。具有均衡控制电路，该电路能够对12个单体电池中不均衡的单体进行均衡控制。同时还具有检查电路,路至少能够检测12路单体电池的电压(2~4V)，至少能够检测8路温度采样点的温度(-35~85°C )。
[0045]电池管理单元与电池单体之间具有有均衡控制电路。在电池系统出现单体电池差异时，能够进行电池模块的电压均衡控制的功能。
[0046]上述移动储能电池系统采用控制方法:每个电池管理模块采集每个电池单体的电压、电流和电池温度信号并估算电池单体及电池模块的SOC与S0H，并将SOC与SOH输送至电池管理单元，所述的电池管理单元根据每个电池的SOC与SOH得出蓄电池的S0C、S0H、温
度、故障信息。
[0047]SOC为电池荷电状态，估算电池系统剩余容量的功能，SOH为电池健康状态，估算电池系统当前健康状态的功能。
[0048]电池管理系统控制采样按照以下参数执行:
[0049]单体电池电压和端电压采样周期:< 0.2s ;
[0050]单体电池电压采样各采样点时间允许误差:< 2ms ; [0051]单体电池采样 分辨率:3mV ；
[0052]单体电池电压采样精度:< ± 0.2% ；
[0053]模块电压米样分辨率:0.01V ；
[0054]模块电压采样精度:< ±0.5% ；
[0055]温度测量精度:< ± 2 °C ;
[0056]电池组充放电电流测量精度:< ±0.3A(≤30A)，( 土 1%(>30A)
[0057]SOC 估算精度..( 6% (S0C ≤85%), ( 10% (85%>S0C>30%), ( 6% (S0C ( 30%)；
[0058]均衡放电电流最大值:80mA ;
[0059]按照以上参数执行能够确保电池的稳定性和可靠性。
[0060]针对本项目IOOkW的移动储能电站，采用单级式的结构较为合适，系统结构如图2所示，移动储能的功率转换系统包括主电路和控制器，主电路的直流母线连接蓄电池并经开关元件、滤波电容连接至电压源变换器(VSC)，该电压源变换器经网侧滤波器、并网开关连接至电网，滤波电容并联有预充电电路。PCS直流母线端接入蓄电池，通过改变VSC的调制比m和功角差δ使VSC四象限运行，即可等效为广义阻抗变换器，也可看作改进型STATC0M，提供双向可控的有功、无功，以控制PCC点的电压和频率的稳定。
[0061]如图4所示PCS的简化单相电路模型，PCS通过检测交流侧电压的幅值和相位，调节注入系统接入点(PCC点)的电流幅值和相位，从而实现能量在直流侧与交流侧之间的双向流动，也就是能四象限运行，实现储能单元与供电系统间的双向有功、无功功率交换，因而具有网侧功率因数控制、能量双向传输的性能。当PCS从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；当PCS向电网传输电能时，其运行于逆变工作状态。
[0062]PCS具有模拟量测量的功能，并且可以通过ADC模块和相关信号处理电路将所测模拟量转化为数字量送入CPU进行计算，从而实现特定功能，具体如下:[0063]( I)直流侧电压
[0064]PCS应具有直流侧电压检测电路，该电路能够对直流侧电压进行实时检测。
[0065](2)逆变器输出电流
[0066]PCS应具有逆变器输出三相电流检测电路，该电路能够对逆变器输出三相电流的幅值、相位、畸变率进行实时检测。
[0067](3) PCC处三相电压
[0068]PCS应具有PCC处三相电压检测电路，该电路能够对PCC处三相电压的幅值、相位、畸变率、不平衡度进行实时检测。
[0069](4)充放电电流
[0070]PCS应具有充放电电流检测电路，该电路能够对充放电电流的幅值、相位进行实时检测。
[0071]网侧滤波器应采用LCL滤波器，需要设计两个电感的电感值和一个电容的电容值。网测滤波器的主要功能是滤除高次谐波，滤波电感越大，滤波效果越好，但随着电感增大，系统的动态性能会变差，系统造价和体积也会升高。当滤波电容增大时，滤波效果会加强，但是系统谐振频率会减小，如果谐振频率减小到基频，会影响系统的稳定性。并且，增大电容会使LCL滤波器吸收更多的无功。 [0072]设计时要满足谐波电流值和总谐波畸变系数(THD)的要求，尤其是对变流器在开关频率处产生的谐波要有很好的滤除效果，通常用谐波衰减比d来衡量非正弦周期量中某特定次谐波的含量，一般要求网侧电流的谐波衰减比限制在0.2以下。在满足上述设计要求的前提下，应尽量减小所使用的电感、电容值，从而节约成本、减小设备体积，另一方面提高系统的动态性能。
[0073]LCL滤波器的设计遵循上述设计标准，通常采用下述分布设计法:
[0074](I)确定总电感LT的取值范围:为提高电流的跟踪能力及系统的响应速度，电感LT的值越小越好。但电感的值越大，滤波器的滤波效果会更好。因此，需要综合考虑选择合适的值:
【权利要求】
1.应用于电网的移动储能系统，其特征在于:包括蓄电池、电池管理系统、功率转换系统和能量管理系统； 所述的蓄电池由若干电池模块串联组成，每个所述的电池模块由若干电池单体并联构成，所述的电池管理系统包括采集每个电池单体信号的电池管理模块和采集每个电池模块信号的电池管理单元； 所述功率转换系统包括主电路和控制器，其主电路的直流母线连接蓄电池并经开关元件、滤波电容连接至电压源变换器，所述的电压源变换器经网侧滤波器、并网开关连接至电网，所述的滤波电容并联有预充电电路； 所述的控制器包括核心控制器，以及与核心控制器连接的网侧ADC模块、直流侧ADC模块、驱动及功率保护电路，所述的网侧ADC模块连接VSC网侧电流采集单元、PCS网侧的电流采集单元、PCS网侧的并网开关，以及电网上的电压采集单元，所述的直流侧ADC模块连接蓄电池电压采集单元、蓄电池输出端电流采集单元、蓄电池输出端的开关以及直流侧电源采集单元，所述的驱动及功率保护电路连接VSC ； 所述的功率转换系统输入信号至电池管理系统，所述的电池管理系统和功率转换系统均与能量管理系统通信。
2.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:一个电池管理模块采集一个电池模块内每个电池单体的信号，所述的电池单体为磷酸铁锂电池。
3.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于: 所述的电池管理系统控制采样按照以下参数执行: 单体电池电压和端电压采样周期:< 0.2s ; 单体电池电压采样各采样点时间允许误差2ms ； 单体电池采样分辨率:3mV ； 单体电池电压采样精度:< ±0.2% ; 模块电压采样分辨率:0.01V ; 模块电压采样精度±0.5% ; 温度测量精度:≤±2°C ; 电池组充放电电流测量精度:≤±0.3A(≤30A)，≤±1% O30A)； SOC 估算精度:≤ 6% (SOC ^ 85%), ^ 10% (85% >S0C>30% ), ^ 6% (SOC ^ 30%)； 均衡放电电流最大值:80mA。
4.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:所述的网侧滤波器为是由两个电感和一个电容构成的LCL滤波器，L为变流器侧电感值取值145-155 μ H，LS为网侧电感值取值295-305 μ H，电容取值6.2-6.5 μ F ;所述的滤波电容取值2.5mF ;所述的开关元件和并网开关采用IGBT，每个所述的IGBT采用型号为富士 2MBI600VN- 120 -50，其耐压值为1200V，最大允许直流电流为600A。
5.根据权利要求4所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:所述的核心控制器包括FPGA芯片、DSP、电源电路和实时以太网接口，所述的核心控制器还设有RS232接口，并通过RS232接口连接输入设备。
6.根据权利要求1所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:所述的电池管理系统和功率转换系统中分别设有光纤从站，并相互通过光纤连接，所述的光纤从站分别连接到能量管理系统中的光纤模块主站；电池管理系统中的主控制器、功率转换系统中的主控制器分别与各自的接口单元间以及能量管理系统主控制器与光纤模块主站间均采用EnterCAT以太网连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:移动储能系统安装在车载集装箱内，密封的车载集装箱本体内部两侧固定有机架，中间设有检修通道，并在一端设有检修门，每侧机架有若干层，蓄电池分别固定在机架内，与所述的蓄电池连接的交流电缆和信号光纤连接至集装箱外，所述的集装箱设有通气排风口和空调，且功率转换系的交流电缆接口和电池管理系统的信号光纤的出口置于集装箱底面。
8.根据权利要求7所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:所述的集装箱内的空调系统和照明系统；所述空调系统的空调管道设置在集装箱壳体内，所述空调管道的主送风段内沿送风方向依次设有进风阀(I)、过滤网(2)、风机(3)和表冷段(4)； 所述照明系统的内顶灯(11)安装在集装箱内的顶部，所述的内顶灯(11)由照明配电柜(10)供电，所述照明 配电柜(10)设有照明开关(9)。
9.根据权利要求8所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:所述的空调管道还设有送风支管，其出风口设在集装箱顶部和四壁，所述的移动储能设备的蓄电池通过位于集装箱内两侧的机架固定，所述的蓄电池与集装箱内壁之间具有散热间隙，所述的蓄电池的每个电池组单元所对应的集装箱内壁上均设有送风支管的出风口，且每个电池组单元上均固定有温度传感器，所述的温度传感器均将采集的温度信号输送至控制器。
10.根据权利要求9所述的应用于电网的移动储能系统，其特征在于:每个电池组单元旁安装有电池组照明灯(15)，每个所述的电池组照明灯(15)由电池组照明灯开关(14)中的一个开关控制，且控制相应电池组照明灯(15)的电池组照明灯开关(14)设在该照明灯旁边的机架上，所述的电池组照明灯开关(14)与控制器连接。
【文档编号】H02M7/797GK203774800SQ201320775252
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】蔡旭, 姜广宇, 王海松, 李睿, 曹云峰 申请人:安徽启光能源科技研究院有限公司