一种基于双尺度双控大规模电池储能系统的制作方法

1.本实用新型属于电池储能技术领域，具体涉及一种基于双尺度双控大规模电池储能系统。


背景技术：

2.新能源的广泛应用并大规模并网投运，需要电网具备更多的电力调节能力，新能源为主的新型电力系统需要储能作为调节手段。因此，储能迅速发展，特别是建设周期短、见效快的电池储能系统被广泛应用，而且规模越来越大。由于电池单体的容量和电压级别都很低，所以一个大规模电池储能系统需要大量电池单体串联成组串并接到直流母线通过换流器转换成交流并入电网。由于电池存在先天不足的易产生不一致性特点，在大量电池单体组成电池储能单元系统时其不一致性造成短板效应，影响整体储能系统的运行效率，甚至造成安全事故；因此，需要对大数量的电池单体实时监测数据进行监控、及时响应和处理。
3.大量实践得知，电池储能系统安全运行的重点之一，是在对产生短板效应的电池进行监控，并根据其运行状态及实时参数来调节整个电池储能系统的充放电功率与电量。因此，在电池存储系统中需要两个方面的监控管理，一个是电池单体层级的监控管理，实时甄别电池组串中电池运行时电压、温度、电量参数的变化；另一个层面，是对构成大规模电池储能系统的多个电池储能单元系统进行管控，满足电池储能系统整体对电网进行充放电的功率与电量需求响应的管控。
4.电池储能系统运行过程中产生不一致性，出现电池短板效应会造成充放电范围缩小，由于能量管控系统是在允许的范围上运行，并调节各个电池储能单元系统的充放电功率和电量，不论是电池单体层面，还是电池储能单元系统层面，都是针对短板效应的电池单体状况进行调控，因此，需要在及时监测和把控短板电池单体的基础上，实施电池储能系统的整体能量管控。从大量研究以及电池储能系统方案和设计的相应标准都可以了解到，现有技术采用一个秒级时间尺度的数据处理与控制方式，其对于百毫秒级时间尺度发生电池单体异常及恶性故障的实际状况不能得到及时控制处理；可以说，电池单体不一致性造成电池损伤甚至发生恶性事故是在百毫秒级时间尺度；储能充放电功率与电量调控的响应是在秒级或者是分钟级时间尺度。电池单体和电池储能系统的管控在响应时间上存在的两个不同的时间尺度，反映出电池储能系统的架构和两个层面的控制响应与处理方式的需求不同；在电池单体和电池储能单元系统的两个控制层面上，需要优选采用不同的监控响应的时间尺度，电池储能系统的管控要针对电池单体监控响应的时间尺度和电池储能单元系统充放电功率和电量调控响应的时间尺度分别处理，这样可以保障安全有效进行充放电调控并及时监控电池单体产生的短板效应，同时减少数据量传输的频度并有利于更加灵活的安排数据传输与处理，提高实时监测数据的传输质量与稳定性，确保有效数据的整体性和控制处理的及时性，使整个电池储能系统，特别是大规模电池储能系统实现扁平化直控架构和安全、高效、稳定运行。


技术实现要素：

5.为了解决大规模电池储能系统对大数量电池单体实时参数的快速响应与整体数据的有效处理，既要在毫秒级时间尺度保证响应电池单体出现异常时进行快速保护控制，又要在秒级时间尺度要保证将电池单体实时参数数据完整、全面提供给上位机能量管理系统ems，支撑电池储能系统的合理调配、健康运行。本实用新型提出一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，主要包括：双向储能逆变器pcs、上位机ems控制通信路径、ems能量管控系统、pcs直流母线、电池参数采样监控电路模块、电池组串数据处理与监控电路模块、电池组串的电控直流接触器、电池组串开关控制线、电池参数采样线束、电池组串电流采样电路、电池模块pack、电池组串监控通信线、组串开关的电性控制线路、电池组串、电池组串熔断器；其特征是针对毫秒级和秒级两个时间尺度，采用底层和上层两个独立的控制体，即：底层为，电池参数采样监控电路模块通过电池参数采样线束连接电池模块pack中的每一个电池单体，构成电池单体监测与安全保护的实时控制单元系统，并通过组串开关的电性控制线路连接电池组串的电控直流接触器，构成毫秒级时间尺度的电池层面运行保护监控路径；上层为，ems能量管控系统通过上位机ems控制通信路径分别连接电池组串数据处现与监控电路模块和双向储能逆变器pcs，构成大规模电池储能系统充放电控制架构，依据电池单体及电池组串的整体参数直接对双向储能逆变器pcs进行秒级时间尺度的功率与电量调控。
6.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是多个电池模块pack串联构成电池组串，电池组串两端分别通过电池组串的电控直流接触器和电池组串熔断器接入pcs直流母线，与双向储能逆变器pcs一并构成电池储能单元及充放电路径，其中电池模块pack的数量≥2，并满足双向储能逆变器pcs直流侧充放电的电压范围。
7.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是多个电池参数采样监控电路模块分别通过电池参数采样线束连接多个电池模块pack中对应的每一个电池单体，构成全电池单体监测的参数采样电路与信息路径，其中电池模块pack中电池单体数量≥4，并且每一个电池单体与相邻的电池单体正负极串联。
8.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是电池组串数据处理与监控电路模块通过电池组串监控通信线分别连接多个电池参数采样监控电路模块，构成构成电池组串各电池单体实时监测与电池组串的电池参数汇集和处理的信息路径。
9.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是多个电池参数采样监控电路模块分别通过组串开关的电性控制线路连接电池组串的电控直流接触器，构成电池组串充放电电力路径通断的毫秒级控制驱动路径。
10.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是电池组串数据处理与监控电路模块通过电池组串开关控制线连接电池组串的电控直流接触器，构成电池单体及电池组串异常时中断运行的控制路径。
11.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是电池组串数据处理与监控电路模块通过电池组串电流采样电路实时采样电池组串电流参数，得到基于安时的电池荷电状态。
12.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是ems能量管控系统通过上位机ems控制通信路径连接电池组串数据处理与监控电路模块，由电池组串数据处理
与监控电路模块连接至少一个电池组串，并通过电池组串数据处理与监控电路模块控制电池组串的电控直流接触器通断，构成电池组串的电量调节和电池组串的维护与保护控制，在充电时先到达电量上限的电池组串及电池单体断开相应电池组串的电控直流接触器避免过充，在充电时先到达电量下限的电池组串及电池单体断开相应电池组串的电控直流接触器避免过放，同时完成电池组串级的电量均衡，减少短板效应、提高电池储能单元系统的整体效率。
13.本实用新型一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，针对大规模电池储能系统需要快速响应电池单体异常的及时控制和上位机管控系统对大数量电池实时采样数据的传送处理与控制，采用将毫秒级时间尺度的电池单体异常处理，由底层监测电路模块直接进行阈值比对与控制；并将秒级时间尺度的大数量电池单体实时监测数据通过作为电池组串控制器的电池组串数据处理与监控电路模块传送给上位机管控系统ems，由ems能量管控系统对电池储能单元系统实时进行功率与电量的调配及控制；通过优选采用不同的监控时间尺度，将电池单体层面监控响应的毫秒级时间尺度与电池储能单元系统充放电功率与电量调控响应的秒级时间尺度分别进行处理，即可以有效进行充放电调控又实现及时监控电池单体产生的短板效应，合理安排大数量数据传输的节奏，提高数据传输质量与稳定性，由ems能量管控系统和电池组串数据处理与监控电路模块直接交互信息，省去了bms主控装置，不仅节省了投资，也有效减少及数据的传输层级，使大规模电池储能系统实现扁平化直控的架构和安全、高效、稳定运行。
附图说明
14.图1是现有技术典型的电池储能单元系统构成原理图，主要包括：上位机ems控制通信路径(1)、ems能量管控系统(2)、pcs直流母线(3)、电池参数采样监控电路模块(4)、电池组串数据处理与监控电路模块(5)、电池组串的电控直流接触器(6)、电池组串开关控制线(7)、电池参数采样线束(8)、电池组串电流采样电路(9)、电池模块pack(10)、电池组串监控通信线(11)、bms电池组串通信线(12)、电池组串(13)、电池组串熔断器(14)、bms主控装置(15)。
15.图2是本实用新型的双尺度双控电池储能单元系统构成原理图，主要包括：双向储能逆变器pcs(0)、上位机ems控制通信路径(1)、ems能量管控系统(2)、pcs直流母线(3)、电池参数采样监控电路模块(4)、电池组串数据处理与监控电路模块(5)、电池组串的电控直流接触器(6)、电池组串开关控制线(7)、电池参数采样线束(8)、电池组串电流采样电路(9)、电池模块pack(10)、电池组串监控通信线(11)、组串开关的电性控制线路(12)、电池组串(13)、电池组串熔断器(14)。
16.图3是一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，主要包括：双向储能逆变器pcs(0)、上位机ems控制通信路径(1)、ems能量管控系统(2)、pcs直流母线(3)、电池参数采样监控电路模块(4)、电池组串数据处理与监控电路模块(5)、电池组串的电控直流接触器(6)、电池组串开关控制线(7)、电池参数采样线束(8)、电池组串电流采样电路(9)、电池模块pack(10)、电池组串监控通信线(11)、组串开关的电性控制线路(12)、电池组串(13)、电池组串熔断器(14)。
具体实施方式
17.作为实施例子，结合附图对一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统给予说明，但是，所描述的实施例是本实用新型应用于一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型的技术与方案不限于本实施例子给出的内容。
18.如图1所示，现有技术典型的电池储能单元系统采用ems能量管控系统(2)通过三个层级的bms主控装置(15)以及作为电池组串控制器的电池组串数据处理与监控电路模块(5)和电池参数采样监控电路模块(4)，完成采集电池单体实时运行参数并进行处理控制，现有技术的三层架构造成大规模电池储能系统的海量电池单体实时数据汇集与处理的成功率与稳定性降低，特别是对百毫秒级电池单体异常故障需要电池组串数据处理与监控电路模块(5)和电池参数采样监控电路模块(4)两个层级的传输与处理处理，影响处理控制的及时性，易造成电池单体的损伤乃至产生燃爆的恶性事故。由于现有技术对电池单体层面的监控，采用至少由电池组串数据处理与监控电路模块(5)和和电池参数采样监控电路模块(4)两个层级的响应处理架构，需要秒级时间尺度的数据处理与控制，面对电池单体异常及恶性故障百毫秒级时间尺度发生的实际状况，现有技术不能满足及时处理控制响应要求，造成大规模电池储能系统易于发生电池损伤甚至发生恶性事故的风险。
19.如图2所示，一种双尺度双控电池储能单元系统，克服了现有技术典型的电池储能单元系统的缺陷，采用ems能量管控系统(2)直接与作为电池组串控制器的电池组串数据处理与监控电路模块(5)交互信息，减少了实时数据传输与处理的层级环节，同时采用增加了组串开关的电性控制线路(12)，由电池参数采样监控电路模块(4)直接进行阈值比对与控制，实现毫秒级时间尺度的电池单体异常处理与控制，实现电池参数采样监控电路模块(4)进行电池层面的实时监测与快速控制，同时实现了ems能量管控系统(2)在进行海量电池实时数据处理和对电池组串与电池储能单元系统层面的实时调配控制，通过分别运行在毫秒级时间尺度和秒级时间尺度两个响应与管控的处理频度；即可有效进行充放电调控又实现及时监控电池单体产生的短板效应，防止电池单体的恶性事故发生，在有效减少数据的传输层级的同时，实现了合理安排海量数据的传输处理频度，确保有效数据得到稳定传输和及时完成采集电池单体实时运行参数处理和快速响应与控制，有效降低和避免大规模电池储能系统发生电池损伤甚至发生恶性事故的风险。
20.如图3所示，一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，主要包括：双向储能逆变器pcs(0)、上位机ems控制通信路径(1)、ems能量管控系统(2)、pcs直流母线(3)、电池参数采样监控电路模块(4)、电池组串数据处理与监控电路模块(5)、电池组串的电控直流接触器(6)、电池组串开关控制线(7)、电池参数采样线束(8)、电池组串电流采样电路(9)、电池模块pack(10)、电池组串监控通信线(11)、组串开关的电性控制线路(12)、电池组串(13)、电池组串熔断器(14)；其特征是针对毫秒级和秒级两个时间尺度，采用底层和上层两个独立的控制体，即：底层为，作为电池单体管控器的电池参数采样监控电路模块(4)通过电池参数采样线束(8)连接电池模块pack(10)中的每一个电池单体，构成电池单体监测与安全实时控制单元，并通过组串开关的电性控制线路(12)连接电池组串的电控直流接触器(6)，构成毫秒级时间尺度的电池储能运行保护监控路径；上层为，ems能量管控系统(2)通
过上位机ems控制通信路径(1)分别连接作为电池组串控制器的电池组串数据处理与监控电路模块(5)和双向储能逆变器pcs(0)，构成大规模电池储能系统充放电控制单元，对电池储能整体参数实时处理并进行秒级时间尺度的功率与电量的调控。
21.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是多个电池模块pack(10)串联构成电池组串(13)，电池组串(13)两端分别通过电池细串的电控直流接触器(6)和电池组串熔断器(14)接入pcs直流母线(3)，与双向储能逆变器pcs(0)一并构成电池储能单元及充放电路径，其中电池模块pack(10)数量≥2，并满足双向储能逆变器pcs(0)直流侧充放电的电压范围。
22.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是多个电池参数采样监控电路模块(4)分别通过电池参数采样线束(8)连接多个电池模块pack(10)中每一个电池单体，构成全电池单体监测的参数采样电路与信息路径，其中电池模块pack(10)中电池单体数量≥4，并且每一个电池单体与相邻的电池单体正负极串联。
23.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是电池组串数据处理与监控电路模块(5)通过电池组串监控通信线(11)分别连接多个电池参数采样监控电路模块(4)，构成构成电池组串各电池单体实时监测与电池组串的电池参数汇集和处理的信息路径。
24.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是多个电池参数采样监控电路模块(4)分别通过组串开关的电性控制线路(12)连接电池组串的电控直流接触器(6)，构成电池组串充放电电力路径通断的毫秒级控制驱动路径。
25.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是电池组串数据处理与监控电路模块(5)通过电池组串开关控制线(7)连接电池组串的电控直流接触器(6)，构成电池单体及电池组串异常时中断运行的控制路径。
26.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是电池组串数据处理与监控电路模块(5)通过电池组串电流采样电路(9)实时采样电池组串(13)电流参数，得到基于安时的电池荷电状态。
27.所述一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，其特征是ems能量管控系统(2)通过上位机ems控制通信路径(1)连接电池组串数据处理与监控电路模块(5)，由电池组串数据处理与监控电路模块(5)连接至少一个电池组串(13)，并通过电池组串数据处理与监控电路模块(5)控制电池组串的电控直流接触器(6)通断，构成电池组串(13)的电量调节和电池组串(13)的维护与保护控制，在充电时先到达电量上限的电池组串(13)及电池单体断开相应电池组串的电控直流接触器(6)避免过充，在充电时先到达电量下限的电池组串(13)及电池单体断开相应电池组串的电控直流接触器(6)避免过放，同时完成电池组串级的电量均衡，减少短板效应、提高电池储能单元系统的整体效率。
28.本实用新型一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统，针对大规模电池储能系统需要快速响应电池单体异常的及时控制和上位机管控系统对大数量电池实时采样数据的传送处理与控制，采用将毫秒级时间尺度的电池单体异常处理在底层监测电路模块直接进行阈值比对与控制；并将秒级时间尺度的大数量电池单体实时监测数据通过电池组串控制器传送给上位机管控系统，支撑ems对大规模电池储能系统实时合理调配功率与电量、控制大规模电池储能系统的健康、高效运行；优选电池参数采样监控电路模块(4)进行电池层
面的实时监测与控制，以及ems能量管控系统(2)进行电池组串与电池储能单元系统层面的实时调配控制，分别运行在毫秒级时间尺度和秒级时间尺度两个响应与管控的处理频度；通过采用不同的监控时间尺度，针对电池单体监控响应的时间尺度和电池储能单元系统充放电的功率、电量调控响应的时间尺度分别处理，即可以有效进行充放电调控又实现及时监控电池单体产生的短板效应，防止电池单体的恶性事故发生，实现了合理安排大数量数据传输频度，能够有效减少数据的传输层级，确保有效数据的稳定传输和及时处理，使整个电池储能系统，特别是大规模电池储能系统实现直控与个性化调节，保证了大规模电池储能系统安全、高效、健康运行。
29.上述给出了一种基于双尺度双控的大规模电池储能系统构成部件和组织关系与架构以及控制方法，但是，电池储能单元系统与电池组串簇及其内部构成不限于说明的相应部件，如电控直流接触器可以选用其他同等功能的电控开关，基本构思在于上述的技术方案以及功能部件与连接关系所实现的系统架构和系统整体效果。
30.以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的技术方案，设计出各种变形的组配、公式、参数并不需要花费创造性劳动，在不脱离本实用新型的原理和构思架构的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。