一種可擴展的組串式大規模儲能系統的製作方法

2023-04-24 15:15:36 1

本發明涉及儲能系統，尤其涉及一種可擴展的組串式大規模儲能系統。

背景技術：

大規模儲能技術是智能電網、電力調度、電網削峰填谷、調峰調頻的關鍵技術。鋰離子電池由於其具有能量密度高、自放電率低、放電電壓平穩、循環壽命長等優點在多個領域得到了廣泛的應用，在大規模儲電系統中應用鋰電池將成為技術發展的必然趨勢。大規模儲能系統需要幾千隻鋰離子單體電芯通過串並聯組成系統，任一單體發生故障都會對整個儲能系統的運行造成影響，因此如何確保儲能系統的安全、可靠、高效的運行，是大規模儲能系統的關鍵技術。

同時，現有的儲能系統都不是獨立運作，在需要提高容量時需要將系統暫停運做，重新上設計，且子系統的接入會導致個電池組之間存在總電壓差異，損壞高壓器件。

技術實現要素：

為克服現有技術的缺陷，本發明提供了一種可擴展的組串式大規模儲能系統，可以降低單體電芯故障對整個儲能系統運行造成的影響，降低逆變器等器件的單一故障影響整個儲能系統的運行，有效保證整個儲能系統的安全穩定運行。

本發明揭示了一種可擴展的組串式大規模儲能系統，由多個單簇儲能系統並聯而成，每一簇儲能系統由4~13個電池模組以及一個高壓箱和逆變器串聯而成，其中4~13個電池模組的電源正負端以及高壓箱輸入正負端依次串聯形成迴路，所述高壓箱的輸出正負端與逆變器的直流正負端連接，且各個電池模組及高壓箱之間通過通信電源總線連接通信埠通信，高壓箱與逆變器之間通過485總線通信，多簇儲能系統的逆變器之間通過交流火線和交流零線實現並聯連接。

所述電池模組具有直流正負輸出端，2並16串單體電芯，多路電壓採集模塊，多路溫度採集模塊，主控單片機，主動均衡模塊，can通信模塊及保險絲，其中2並16串單體電芯正極串聯保險絲與直流正輸出端連接，多路電壓採集模塊對各個單體電芯的電壓值進行採集，並發送至主控單片機，多路溫度採集模塊通過溫度傳感器對各個單體電芯的溫度進行採集，並發送至主控單片機，主控單片機將各個單體電芯的電壓值和溫度值通過can通信模塊發送至高壓箱，同時接收高壓箱發過來的控制信號，主控單片機根據接收的控制信號調節主動均衡模塊對各個單體電芯進行升壓或降壓處理。

所述高壓箱具有直流正負輸入端，直流正負輸出端，塑殼斷路器，ac斷路器，主繼電器，預充繼電器，預充電阻，交流/直流供電模塊，主控管理模塊及能量管理模塊，其中塑殼斷路器串聯在直流輸入端和直流輸出端之間，預充繼電器和預充電組串聯後與主繼電器並聯，然後再串聯在直流輸入端和直流輸出端之間，交流/直流供電模塊的直流輸入端連接直流正負輸入端，輸出端連接主控管理模塊及能量管理模塊，主控管理模塊通過內置的繼電器驅動模塊控制主繼電器和預充繼電器，且通過內置的can通信模塊與電池模組通信，以及與能量管理模塊通信，所述能量管理模塊通過內置的485通信模塊與逆變器通信。

所述交流/直流供電模塊內置有dc/dc模塊和ac/dc模塊，且dc/dc模塊的輸入端連接直流正負輸入端，ac/dc模塊輸入端通過ac斷路器連接電網。

所述主控管理模塊內置有主控管理單片機，與主控管理單片機連接的電源轉換模塊，繼電器驅動模塊，can通信模塊，電流傳感器，交流/直流供電模塊的輸出端與電源轉換模塊連接，主控管理單片機通過can通信模塊與電池模組及能量管理模塊通信，電流傳感器對輸出電路的電流進行檢測，並送入主控管理單片機。

所述能量管理模塊內置有能量管理單片機，與能量管理單片機連接的電源轉換模塊，can通信模塊及485通信模塊，交流/直流供電模塊的輸出端與電源轉換模塊連接，能量管理單片機通過can通信模塊與主控管理模塊通信，通過485通信模塊與逆變器通信。

塑殼斷路器為雙路高壓塑殼斷路器。

與現有技術相比，本發明的一種可擴展的組串式大規模儲能系統，具有如下有益之處：

通常的大規模儲能系統採用集中式方案，即多組電池系統直接在直流側並聯，外接一個250kw或500kw的大功率逆變器，無法保證不同並聯電池組的均流性，易對高壓器件和電芯造成損傷；本發明採用組串式方式，在逆變器的交流側並聯，通過逆變器主動調節充放電電流，可以很好的保證不同並聯繫統的電流均流性。

通常的大規模儲能系統採用集中式方案，當任一單體電芯出現故障時，整套系統都必須停止工作；本發明採用組串式方案，當任一單體電芯出現故障時，可以斷開此電芯所在簇的主繼電器和高壓塑殼斷路器，切斷充放電電路，保證其它簇繼續工作。

通常的大規模儲能系統採用集中式方案，當逆變器出現故障時，整套系統也必須停止工作；本發明採用組串式方案，當一臺逆變器出現故障時，可以關閉此臺逆變器，其它簇繼續工作。

整體為可擴展的組串式大規模儲能系統提供了一種可安全、可靠、高效運行的方案。

附圖說明

圖1是本發明所揭示的可擴展的組串式大規模儲能系統的電路模塊圖；

圖2是本發明所揭示的電池模組的電路模塊圖；

圖3是本發明所揭示的高壓箱的電路模塊圖。

具體實施方式

下面將結合本發明的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。

如圖1所示，本發明所揭示的一種可擴展的組串式大規模儲能系統，由多個單簇儲能系統並聯而成，具體說來，每一簇儲能系統由4~13個電池模組以及一個高壓箱和逆變器串聯而成，其中4~13個電池模組的電源正負端以及高壓箱輸入正負端依次串聯形成迴路，所述高壓箱的輸出正負端與逆變器的直流正負端連接，且各個電池模組及高壓箱之間通過通信電源總線連接通信埠通信，高壓箱與逆變器之間通過485總線通信，多簇儲能系統的逆變器之間通過交流火線和交流零線實現並聯連接。

如圖2所示，所述電池模組具有直流正負輸出端，2並16串單體電芯，多路電壓採集模塊，多路溫度採集模塊，主控單片機，主動均衡模塊，ad轉換模塊，can通信模塊，電源轉換模塊及保險絲，其中2並16串單體電芯組成額定電壓為51.2v，額定容量為112ah的電池包，且正極串聯保險絲與直流正輸出端連接，多路電壓採集模塊為max14921，對各個單體電芯的電壓值進行採集，並通過ad轉換模塊發送至主控單片機，多路溫度採集模塊通過溫度傳感器對各個單體電芯的溫度進行採集，並通過ad轉換模塊發送至主控單片機，主控單片機將各個單體電芯的電壓值和溫度值通過can通信模塊發送至高壓箱，同時接收高壓箱發過來的控制信號，主控單片機根據接收的控制信號調節主動均衡模塊對各個單體電芯進行升壓或降壓處理，電源轉換模塊接收高壓箱提供的24v電壓對主控單片機進行供電。

如圖3所示，所述高壓箱具有直流正負輸入端，直流正負輸出端，塑殼斷路器，ac斷路器，主繼電器，預充繼電器，預充電阻，交流/直流供電模塊，主控管理模塊，能量管理模塊及電流傳感器，其中交流/直流供電模塊內置有dc/dc模塊和ac/dc模塊，且dc/dc模塊的輸入端連接直流正負輸入端，ac/dc模塊輸入端通過ac斷路器連接電網，所述主控管理模塊內置有主控管理單片機，與主控管理單片機連接的電源轉換模塊，繼電器驅動模塊，can通信模塊及ad採樣模塊，所述能量管理模塊內置有能量管理單片機，與能量管理單片機連接的電源轉換模塊，can通信模塊及485通信模塊。

具體說來，所述塑殼斷路器為雙路高壓塑殼斷路器，其串聯在直流輸入端和直流輸出端之間，預充繼電器和預充電組串聯後與主繼電器並聯，然後再串聯在直流輸入端和直流輸出端之間，所述dc/dc模塊和ac/dc模塊的輸出端分別連接主控管理模塊的電源轉換模塊和能量管理模塊的電源轉換模塊，將輸出的24v直流電轉換成5v直流電給單片機供電，所述主控管理模塊內的can通信模塊實現與電池模組的can通信，以及與能量管理模塊的can通信，所述主控管理單片機通過繼電器驅動模塊驅動主繼電器或預充繼電器，電流傳感器對輸出電路的電流進行檢測，通過ad採樣模塊轉換後送入主控管理單片機，所述能量管理單片機通過485通信模塊與逆變器通信。

本發明所揭示的一種可擴展的組串式大規模儲能系統，其工作過程為：

閉合各簇高壓箱內塑殼斷路器，高壓箱內直流供電電源輸出24v電壓，並供電給簇內所有電池模組；

電池模組內的電壓採集模塊和溫度採集模塊實時測量各個單體電芯的電壓和溫度，並通過通信電源總線發送給高壓箱內的主控管理模塊，從而實時判斷電芯的一致性；若任意一節電芯的電壓顯著高於其它電芯，觸發該電芯所在電池模組內的主動均衡模塊，將電壓高的電芯升壓至該電池模組總壓，給電池模組充電；若任意一節電芯的電壓顯著低於其它電芯，主動均衡模塊會將電池模組總壓降壓給電壓低的電芯充電；

簇內所有電池模組與高壓箱同一路通信電源總線通信；高壓箱採集簇內所有電芯的狀態數據，若無故障，先閉合預充繼電器，延遲5秒，閉合主繼電器，延遲1秒，再斷開預充繼電器，直流供電給逆變器。若有故障，則通信報警，不閉合預充和主繼電器。

若高壓箱根據檢測的電壓值判斷電池模組間電壓不一致，高壓箱內主控管理模塊會通過通信電源總線通信，發送給電壓高的電池模組，由電壓高的電池模組自開啟電阻消耗式被動均衡功能，降低其電壓。

高壓箱內主控管理模塊與能量管理模塊之間通過can總線通信，實時將簇內所有電池的電壓、溫度、荷電狀態信息和當前電池系統最大允許充放電電流發送給能量管理模塊，能量管理模塊根據接收到的信息，經過計算、管理策略，通過rs485總線與逆變器通信，控制逆變器的充放電行為。

當系統有交流電輸入時，高壓箱閉合ac斷路器，內部的直流/交流供電電源自動切換至交流供電，不消耗電池本身的電量。

當單簇中電芯存在電壓過高、電壓過低、充電電流過大、放電電流過大、溫度過高、溫度過低時，能量管理模塊採用降功率和告警等方式控制逆變器的充放電電流。

當單簇中電芯發生故障時，高壓箱內主控管理單元控制雙路高壓塑殼斷路器斷開此簇電池系統的充放電電路，保證不影響整個儲能系統。

本發明的技術內容及技術特徵已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基於本發明的揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾，因此，本發明保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，並為本專利申請權利要求所涵蓋。