專利名稱：一種交流儲(chǔ)能柜及儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種儲(chǔ)能設(shè)備，尤其涉及的是一種交流儲(chǔ)能柜及儲(chǔ)能電站系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
如圖1所示，二次電池儲(chǔ)能電站通常由電池堆和PCS(逆變器)構(gòu)成，PCS中通常 包含充電電路和逆變電路。當(dāng)處于用電低谷時(shí)期，PCS中的充電電路將電網(wǎng)上的交流電轉(zhuǎn) 化為直流電，給電池堆充電。當(dāng)處于用電高峰時(shí)期，電池堆的直流電通過(guò)PCS的逆變電路被 轉(zhuǎn)化為交流電能注入電網(wǎng)。PCS中的逆變器通常還可以控制注入電網(wǎng)的電流與電網(wǎng)電壓之 間的相位，從而也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率調(diào)節(jié)的目的。儲(chǔ)能電站的發(fā)電功率要求一般至少是幾百千瓦，多數(shù)情況是要求達(dá)到數(shù)兆瓦以 上，而對(duì)儲(chǔ)能電站的電池放電時(shí)間通常也會(huì)要求達(dá)到小時(shí)級(jí)，通常要求是4-5小時(shí)以上。因 此，目前儲(chǔ)能電站通常是由龐大的電池堆和大功率的PCS構(gòu)成。例如，一個(gè)1麗，備電4小時(shí) 的儲(chǔ)能電站的典型系統(tǒng)如圖2所示，包括連接電網(wǎng)的交流匯接總配電柜、500KW的PCS、直流 匯接配電柜以及電池柜，還包括儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備。目前這種典型的二次電池儲(chǔ)能電站存在如下不足1、每臺(tái)PCS的電池堆過(guò)于巨大。每個(gè)電池堆是由眾多電池柜并聯(lián)構(gòu)成，并最終匯 總到一起，并且每個(gè)電池柜內(nèi)部也是由相當(dāng)多的單節(jié)電池串并聯(lián)組成。由此每個(gè)電池堆存 儲(chǔ)的能量可以達(dá)到上兆瓦時(shí)，萬(wàn)一出現(xiàn)意外，后果比較可怕。例如，萬(wàn)一發(fā)生短路，起火等問(wèn) 題，產(chǎn)生巨大的破壞。2、每個(gè)電池堆中的電池?cái)?shù)量過(guò)多，例如，目前磷酸鐵鋰電池的典型單體為 3. 2V/20AH左右，則上述一個(gè)電池堆中將包含近3萬(wàn)節(jié)這樣的電池單體。在充電或放電的 過(guò)程中，任何一節(jié)單體出現(xiàn)問(wèn)題，例如出現(xiàn)單體電池電壓過(guò)高或過(guò)低，很有可能造成整臺(tái) 500KW的PCS必須停止工作以防止電池故障惡化。這造成系統(tǒng)的可用性和可靠性降低。3、巨大的電池堆，一般需要由大量的單體電池進(jìn)行先進(jìn)行并聯(lián)，然后再串聯(lián)成為 電池組，并且再需要由大量的這種電池組并聯(lián)，再形成電池堆。單體電池的并聯(lián)數(shù)量過(guò)多， 或者電池組的并聯(lián)數(shù)量過(guò)多，在單體電池之間，或者并聯(lián)的電池組之間，容易存在環(huán)流，或 者不均流問(wèn)題。大量電池組并聯(lián)時(shí)，并聯(lián)投入過(guò)程中也可能因?yàn)殡姵亟M之間電壓不一致，在 投入瞬間產(chǎn)生電流沖擊。4、巨大的電池堆中會(huì)存在大量電池組的串并聯(lián)組合，在系統(tǒng)配電中會(huì)出現(xiàn)比較多 的直流電配電環(huán)節(jié)，例如直流電的匯接、分合、斷路保護(hù)等。此外，多個(gè)并聯(lián)的電池組之間 因?yàn)橹绷鞯姆謹(jǐn)嚯y以滅弧，所以可以滿足高壓直流的斷路器、熔斷器等均體積龐大，價(jià)格高 昂。用于直流的斷路器或熔斷器，通常是相同規(guī)格交流器件的幾倍至十幾倍的價(jià)格，造成系 統(tǒng)建設(shè)成本昂貴。5、儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)，維修、擴(kuò)容等，都不是特別靈活。因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種交流儲(chǔ)能柜及儲(chǔ)能電站系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的儲(chǔ) 能電站電池堆過(guò)大，并聯(lián)電池組數(shù)過(guò)多，可靠性低，系統(tǒng)配置不靈活，建設(shè)成本高，且不易維 修等問(wèn)題。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種交流儲(chǔ)能柜，包括一 PCS模塊和至少一電池模塊，所述電池模塊包括儲(chǔ)存電能的電池包；監(jiān)控電池包的多功能分充單元，其中，所述電池包至少為一個(gè)，且每個(gè)電池包配置一所述的多功能分充單元，所述 多功能分充單元連接所述電池包。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述PCS模塊包括與電池模塊連接的第一過(guò)流保護(hù)電 路及緩啟動(dòng)電路；與電網(wǎng)連接的第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路；設(shè)置在直流母線上的直流母線電容；將電池模塊的能量逆變成交流電送入電網(wǎng)發(fā)電，或?qū)㈦娋W(wǎng)能量整流后提供給電池 模塊中的電池包充電的逆變電路；控制PCS模塊中各個(gè)電路工作狀態(tài)，并管理電池模塊的控制電路；與儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備和所述多功能分充單元進(jìn)行通信的通信電路；其中，第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路、直流母線電容、逆變電路、第二過(guò)流保護(hù) 電路及緩啟動(dòng)電路依次連接，控制電路連接通信電路、第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路、逆 變電路、第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述PCS模塊包括與電池模塊連接的第一過(guò)流保護(hù)電 路及緩啟動(dòng)電路；與電網(wǎng)連接的第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路；設(shè)置在直流母線上的直流母線電容；將電池模塊的能量逆變成交流電送入電網(wǎng)發(fā)電，或?qū)㈦娋W(wǎng)能量整流后提供給電池 模塊中的電池包堆充電的可雙方向工作的逆變電路；控制PCS模塊中各個(gè)電路工作狀態(tài)的第一控制電路；與儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信的第一通信電路；其中，第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路、直流母線電容、逆變電路、第二過(guò)流保護(hù) 電路及緩啟動(dòng)電路依次連接，第一控制電路連接第一通信電路、第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟 動(dòng)電路、逆變電路、第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述交流儲(chǔ)能柜還包括一電池模塊控制單元，所述電池 模塊控制單元用于接收多功能分充單元傳送的電池包內(nèi)的數(shù)據(jù)，控制多功能分充單元的工 作狀態(tài)，對(duì)電池包的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將電池?cái)?shù)據(jù)及分析處理結(jié)果傳送PCS的第一控 制電路以及外部的監(jiān)控設(shè)備；所述電池模塊控制單元包括控制電池模塊的第二控制電路；及與儲(chǔ)能電站監(jiān)控 設(shè)備、與第一控制電路、與所述多功能分充單元進(jìn)行通信的第二通信電路；其中，第二控制 電路連接第二通信電路，所述第二通信電路分別連接儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備和多功能分充單兀。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述多功能分充單元包括用于控制輸出電壓和電流，提供輸出與輸入之間的電氣隔離，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電池 包充電，同時(shí)為單片機(jī)供電的含隔離變壓器的功率變換電路；用于根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)，開(kāi)通或關(guān)斷輸出電路的輸出控制電路；用于將來(lái)自外部的通信信號(hào)通過(guò)電氣隔離后送給單片機(jī)，同時(shí)將單片機(jī)發(fā)送的通 訊信號(hào)通過(guò)電氣隔離后傳送給外部的光耦隔離電路；用于控制多功能分充單元的單片機(jī)；其中，含隔離變壓器的功率變換電路、輸出控制電路、光耦隔離電路分別連接至單 片機(jī)，含隔離變壓器的功率變換電路連接輸出控制電路。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述多功能分充單元還包括檢測(cè)多功能分充單元內(nèi)溫 度的第一溫度傳感器，其連接至單片機(jī)。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述電池堆內(nèi)設(shè)置有第二溫度傳感器，用于檢測(cè)電池的 溫度，并傳遞給所述單片機(jī)。 所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述PCS模塊還包括檢測(cè)所述交流儲(chǔ)能柜的電壓和電 流的電壓和電流檢測(cè)電路，所述電壓和電流檢測(cè)電路連接控制電路。所述的交流儲(chǔ)能柜，其中，所述PCS模塊還包括將母線電壓降低后提供給多功能 分充單元作為供電電源的降壓變換電路，所述降壓變換電路連接直流母線電容和控制電路。一種儲(chǔ)能電站系統(tǒng)，其中，所述儲(chǔ)能電站系統(tǒng)中包括上述的交流儲(chǔ)能柜。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型通過(guò)將巨大的電池堆分隔成小的電池堆，避 免了能量的存儲(chǔ)的集中存儲(chǔ)，降低了因?yàn)閱误w電池并聯(lián)數(shù)量過(guò)多，或電池組串并聯(lián)數(shù)量過(guò) 多的應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，有效提高了儲(chǔ)能電站的安全性和可靠性；減少了高壓直流配 電環(huán)節(jié)，以價(jià)格低廉并且成熟的交流配電環(huán)節(jié)取而代之，從而有效降低成本；利用模塊化的 方式實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站系統(tǒng)，從而方便了電站的設(shè)計(jì)，配置，維修和擴(kuò)容。
圖1是現(xiàn)有的二次電池儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的原理框圖；圖2是現(xiàn)有的一個(gè)容量1麗，備電4小時(shí)的儲(chǔ)能電站的系統(tǒng)框圖；圖3是本實(shí)用新型儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的原理框圖；圖4是本實(shí)用新型中交流儲(chǔ)能柜的原理示意框圖；圖5是本實(shí)用新型中PCS模塊的原理示意框圖；圖6是本實(shí)用新型中電池模塊的原理示意框圖；圖7是本實(shí)用新型中電池堆的原理示意框圖；圖8是本實(shí)用新型中多功能分充單元的原理示意框圖；圖9是本實(shí)用新型另一實(shí)施例的交流儲(chǔ)能柜示意框圖；圖10是本實(shí)用新型另一實(shí)施例中的PCS模塊的原理示意框圖；圖11是本實(shí)用新型另一實(shí)施中的電池模塊控制單元的原理示意框圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施 例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖3所示是本實(shí)用新型儲(chǔ)能電站系統(tǒng)的原理框圖，該儲(chǔ)能電站系統(tǒng)包括一級(jí)交 流匯接總配電柜20、二級(jí)交流匯接配電柜30、交流儲(chǔ)能柜40 ；還包括儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備11。 其中一級(jí)交流匯接總配電柜20連接電網(wǎng)，并將電網(wǎng)上的交流電傳到與其連接的兩個(gè)二級(jí) 交流匯接配電柜30上，所述二級(jí)流匯接配電柜30將交流電匯總為500KW/2Mkwh，在每個(gè)二 級(jí)交流匯接配電柜30下并聯(lián)有10個(gè)交流儲(chǔ)能柜40且容量均為50KW/200Kwh ；所述儲(chǔ)能電 站監(jiān)控設(shè)備11連接交流儲(chǔ)能柜40的通信接口用于監(jiān)控儲(chǔ)能電站的運(yùn)行狀態(tài)。參見(jiàn)圖4，圖為交流儲(chǔ)能柜40的組成框圖。交流儲(chǔ)能柜40包括至少一個(gè)電池模 塊60以及至少一個(gè)PCS模塊50，所述電池模塊60中包括由13單體20AH的磷酸鐵鋰電池 并聯(lián)形成一個(gè)電池包61和多功能分充單元62，所述電池模塊60中包括5個(gè)串聯(lián)的電池包 61構(gòu)成(請(qǐng)參閱圖6)。在每個(gè)電池包61中并聯(lián)的單體電池的個(gè)數(shù)可以是其他數(shù)量。本實(shí)施例將交流儲(chǔ)能柜40內(nèi)置了一個(gè)較小功率的PCS模塊50 (本實(shí)施例中將其 功率設(shè)為50KW)，使交流儲(chǔ)能柜40不再直接輸出直流，而是使得每一個(gè)交流儲(chǔ)能柜40都可 以直接連接電網(wǎng)中的交流電，從而使每一個(gè)柜體都可以被單獨(dú)構(gòu)建成一個(gè)小型儲(chǔ)能電站單 元。以此可以方便維修和擴(kuò)容。每個(gè)這種小的交流儲(chǔ)能柜都可以輸出50KW的功率，交流儲(chǔ) 能柜的儲(chǔ)能容量標(biāo)稱為200千瓦時(shí)，其意味著當(dāng)其以50KW向電網(wǎng)發(fā)電時(shí)，其內(nèi)部的儲(chǔ)能電 池可以支撐4個(gè)小時(shí)的放電時(shí)間。參見(jiàn)圖5，為本實(shí)用新型中PCS模塊的原理框圖。所述的PCS模塊50中包括第一 過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路51、第二過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路52、可以雙向工作的逆變電路53、 直流母線電容54、控制電路55、輔助電源59、降壓變換電路56、通信電路57、電壓和電流檢 測(cè)電路58。 其中，第二過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路52對(duì)外連接到二級(jí)交流匯接配電柜30上，然后 依次連接逆變電路53、直流母線電容54和第一過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路51，所述第一過(guò)流保 護(hù)及緩啟動(dòng)電路51輸出直流電連接到電池模塊60上。所述降壓變換電路56 —端連接在 直流母線電容54上，另一端輸出直流電作為電池模塊的電源；控制電路55分別連接第二過(guò) 流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路52、第一過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路51、逆變電路53、降壓變換電路56、通 信電路57、電壓和電流檢測(cè)電路58，并對(duì)各電路進(jìn)行控制。通信電路分別接連在儲(chǔ)能電站 監(jiān)控設(shè)備11和電池模塊60中的多功能分充單元62上。請(qǐng)繼續(xù)參見(jiàn)圖5，交流儲(chǔ)能柜40中的電池電壓通過(guò)PCS模塊50內(nèi)部的第一過(guò)流保 護(hù)及緩啟動(dòng)電路51接入逆變電路53前的直流母線電容54上。所述的第一過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路51，包括過(guò)流保護(hù)電路，其中主要包括熔斷器， 該熔斷器的作用是以避免后級(jí)逆變電路53短路所可能造成的電池短路；還包括緩啟動(dòng)電 路，所述緩啟動(dòng)電路包括繼電器和串聯(lián)電阻，該串聯(lián)電阻的目的是當(dāng)電池模塊60中的電池 堆61與直流母線電容54連接時(shí)，能夠先通過(guò)電阻對(duì)直流母線電容54充電，待兩者電壓基 本一致時(shí)，再閉合繼電器，以避免PCS模塊50在插入機(jī)柜瞬間電池堆61對(duì)直流母線電容54 充電電流過(guò)大。雙向工作的逆變電路53，以實(shí)現(xiàn)把掛接在逆變電路53直流母線上的電池側(cè)直流電壓逆變成交流并向電網(wǎng)側(cè)發(fā)電，以及將電網(wǎng)側(cè)的交流轉(zhuǎn)換成直流并給電池組充電的功 能。直流母線電容54對(duì)逆變電路53工作過(guò)程中起到直流濾波作用。逆變電路53由三相全 橋或半橋電路構(gòu)成，在本實(shí)施例中采用了三相三電平半橋逆變電路的設(shè)計(jì)，其中包括功率 開(kāi)關(guān)管，高頻電感以及交流濾波電容。逆變電路53輸出三相三線或三相四線，通過(guò)二級(jí)和 一級(jí)交流匯總電柜匯接后連接至電網(wǎng)。一個(gè)降壓變換電路56連接在直流母線電容54上， 在這里采用了帶變壓器隔離的半橋降壓電路，對(duì)母線電壓降壓，將降壓后的電壓提供給多 功能分充單元62做電源。PCS模塊50的輔助電源59由第二過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路側(cè)取 電，當(dāng)PCS模塊的交流輸出與電網(wǎng)連接后，輔助電源即啟動(dòng)上電，用于給PCS模塊供電。控制電路55令第二過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路52工作，市電可以先通過(guò)電阻流經(jīng)逆 變電路53整流后給直流母線電容54充電，以避免市電接入后對(duì)直流母線電容54的瞬間電 流沖擊。待直流母線電容54電壓穩(wěn)定后，第二過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路52中的串聯(lián)電阻被 繼電器短路掉，逆變電路53反向工作于整流模式，將母線電壓泵升至接近電池堆電壓，隨 后在啟動(dòng)第一過(guò)流保護(hù)及緩啟動(dòng)電路51，通過(guò)串聯(lián)電阻將電池堆與母線連接起來(lái)，電流穩(wěn) 定后再將串聯(lián)電阻用繼電器閉合。啟動(dòng)過(guò)程完成后，PCS模塊50根據(jù)儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備11 傳送過(guò)來(lái)的指令，令PCS模塊50工作于充電模式、放電模式、調(diào)功模式或待機(jī)模式。在充電 或放電模式，PCS模塊50通過(guò)與電池模塊60中的多功能分充單元62之間的通訊(具體詳 見(jiàn)后文)，獲得交流儲(chǔ)能柜40內(nèi)的電池包61的各電池的狀態(tài)，并將這些電池的數(shù)據(jù)傳送給 儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備11。同時(shí)PCS模塊50的控制電路55根據(jù)電池模塊60上傳的電池?cái)?shù)據(jù)， 控制電池模塊60中連接到特定電池的多功能分充單元62的輸出，調(diào)節(jié)電池之間剩余容量 差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包61的電池均衡管理。參見(jiàn)圖6，每個(gè)電池模塊60內(nèi)部包含有多個(gè)由磷酸鐵鋰單體電池并聯(lián)組成的電池 包61以及與電池包61相同數(shù)量的多功能分充單元62，其中，所述多功能分充單元62用于 給電池包61提供電量補(bǔ)充?？梢愿鶕?jù)電池模塊60中的電池包61數(shù)量的不同靈活增減多 功能分充單元62的個(gè)數(shù)，方便的實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同規(guī)格電池模塊的配置，提供靈活的電池管理 功能。所述交流儲(chǔ)能柜40內(nèi)的多個(gè)電池模塊60通過(guò)機(jī)柜內(nèi)的電纜串聯(lián)組成具有高電壓值 的電池組，然后連接到PCS模塊50上。如圖7所示，其中5個(gè)電池包61串聯(lián)形成一個(gè)大電池包63，達(dá)到合適的電壓和容 量，例如本實(shí)施例中采用單體容量為20AH，單體電壓為3. 2V的磷酸鐵鋰電池，先由13節(jié)并 聯(lián)，組成3. 2V260AH容量的電池包61，然后再5節(jié)串聯(lián)，組成16V，260AH的大電池包63。每 個(gè)多功能分充單元可以引出一個(gè)檢測(cè)電池包61內(nèi)溫度的第二溫度傳感器(圖中未示出該 溫度傳感器)，檢測(cè)出的溫度數(shù)據(jù)被傳遞到多功能分充單元62內(nèi)。5個(gè)電池包61串聯(lián)之后的總輸出通過(guò)連接端子(本實(shí)施例中使用的是熱插拔端 子，以方便電池模塊的在線插拔更換)被送到電池模塊外部，以便通過(guò)交流儲(chǔ)能柜中的電 纜再對(duì)電池模塊進(jìn)行串并連接。本實(shí)施例中所有的48個(gè)電池模塊被串聯(lián)起來(lái)，并引出中 線，組成了正負(fù)384V的直流電壓送給逆變器。組成這個(gè)電壓的原因是對(duì)于大多數(shù)無(wú)變壓 器的半橋型逆變器，若需要能夠輸出三相220V左右的交流電壓，則母線電壓通常處在正負(fù) 320V-400V之間，因此產(chǎn)生這樣的母線電壓方便實(shí)現(xiàn)逆變器工作，同時(shí)也方便逆變器反向工 作時(shí)給電池充電。同時(shí)，所述大電池包63中5節(jié)串聯(lián)的電池包61還送出了 5對(duì)平衡充電電線，如圖7所示通過(guò)任何一對(duì)充電電線，可以檢測(cè)這對(duì)線之間所連電池的單體電壓，也可以通過(guò)這 對(duì)線單獨(dú)給這個(gè)電池包提供平衡電量。所述5對(duì)平衡充電電線的另外一端連接到5個(gè)多功能分充單元62上，同時(shí)，電池 包中會(huì)埋入一些溫度傳感器，溫度傳感器的信號(hào)線也被送至多功能分充單元62上。此外，在電池模塊60前端設(shè)計(jì)有一插銷，當(dāng)要把電池模塊從機(jī)柜中拔出時(shí)，必須 先拉開(kāi)插銷，拉開(kāi)插銷的同時(shí)會(huì)觸動(dòng)一個(gè)輔助觸點(diǎn)動(dòng)作，多功能分充單元62及PCS模塊50 的控制電路檢測(cè)到后，可以立即停止充電或放電電路的工作，使交流儲(chǔ)能柜40轉(zhuǎn)入待機(jī)模 式，確保電池模塊60可以安全的從機(jī)柜中拔出。每一個(gè)多功能分充單元62可以通過(guò)對(duì)所 連溫度傳感器的信號(hào)檢測(cè)獲知其所連接的電池溫度，也可以通過(guò)這平衡充電電線，對(duì)所連 電池包進(jìn)行電壓的檢測(cè)，這方面的檢測(cè)電路已經(jīng)很成熟，在本說(shuō)明書(shū)中不做詳細(xì)說(shuō)明。如圖8所示為本實(shí)用新型的多功能分充單元62的原理框圖，所述多功能分充單元 62包括含隔離變壓器的功率變換電路621、輸出控制電路622、光耦隔離電路623、檢測(cè)多功 能分充單元62內(nèi)部溫度的第一溫度傳感器624和單片機(jī)627。其中含隔離變壓器的功率變 換電路621用于控制輸出電壓和電流，提供輸出與輸入之間的電氣隔離，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)電 池充電。同時(shí)也為單片機(jī)等控制電路提供供電電源；所述輸出控制電路622用于根據(jù)單片 機(jī)的控制信號(hào)，可以處于開(kāi)通或關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)通時(shí)，分充單元可以對(duì)電池提供充電電流； 所述光耦隔離電路623用于將來(lái)自外部的通信信號(hào)通過(guò)電氣隔離后送給單片機(jī)。同時(shí)單片 機(jī)627發(fā)送的通訊信號(hào)通過(guò)電氣隔離后傳送給PCS模塊；所述單片機(jī)627用于檢測(cè)對(duì)應(yīng)的 電池電壓，溫度以及分充單元內(nèi)部溫度和分充單元輸出電流。把這些數(shù)據(jù)通過(guò)通訊送給PCS 模塊。同時(shí)，根據(jù)PCS模塊發(fā)送的指令，控制是否讓分充單元內(nèi)功率變換器的輸出給電池充 H1^ ο在電池的生產(chǎn)過(guò)程中，由于批量生產(chǎn)的電池?zé)o法做到百分之百的特性一致，這就 造成很多電池串聯(lián)使用時(shí)，如果對(duì)這個(gè)電池堆串聯(lián)充電，則因所串聯(lián)的電池之間特性的細(xì) 小差異，導(dǎo)致其中有的電池會(huì)較其它電池先充飽，盡管總電池堆電壓還未達(dá)到充飽電壓，如 果此時(shí)繼續(xù)充電，則該電池可能會(huì)過(guò)壓損壞，如果停止充電，則其它電池又未能充飽。放電 時(shí)也一樣，也可能出現(xiàn)有的電池先被放空，而其他電池還有剩余容量的情況，則要么繼續(xù)放 電，但會(huì)造成先被放空的電池過(guò)度放電，要么停止放電，則電池堆容量又不能被充分利用。 如果對(duì)這種情況放任不管，電池堆非常容易被損壞，電池堆也無(wú)法達(dá)到單節(jié)鋰電池的循環(huán) 壽命。針對(duì)上述情況，大多數(shù)的鋰電池堆的應(yīng)用被加入系統(tǒng)中，通?？梢砸匀缦逻@些方法提 供改善措施1、在對(duì)串聯(lián)的電池包充電或放電過(guò)程中，通過(guò)對(duì)單體電壓進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)單 體出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓，則停止充電或放電。這種方法最簡(jiǎn)單，但多次充放后容易造成不平衡的 加劇，并且使電池堆有效容量降低，造成浪費(fèi)。。2、在充電過(guò)程中監(jiān)控單體充電電壓，如果發(fā)現(xiàn)某節(jié)電池先被充飽，則在這節(jié)電池 上并入一個(gè)電阻分流回路，令原本流入該節(jié)電池的一部分或全部充電電流被電阻旁路掉， 這樣就有可能使該電池的充電電壓不再繼續(xù)上升，而使電池串中的其它電池有機(jī)會(huì)繼續(xù)充 電至充飽為止。這種方法的問(wèn)題在于電阻旁路充電電流的過(guò)程實(shí)際上是對(duì)充電能量進(jìn)行消 耗，如果要旁路掉的充電電流過(guò)大，則會(huì)造成嚴(yán)重的發(fā)熱，并且產(chǎn)生不必要的損耗。對(duì)于大 容量電池，這種損耗相當(dāng)大。[0076]3、把大電池包的串聯(lián)充電改成對(duì)每個(gè)電池包分別充電，即所謂的分充方式，這種 方法可以單獨(dú)控制電池包的充電電壓，但對(duì)于一個(gè)有數(shù)百節(jié)電池串聯(lián)組成的電池堆，需要 數(shù)百個(gè)這樣的充電器，除非對(duì)每個(gè)充電器的充電功率要求很小，否則會(huì)非常昂貴。4、比較理想的方法是利用電力電子變換技術(shù)，在充電或放電的過(guò)程中，隨時(shí)可以 將某些電池的部分電量倒換到電池堆中的其他一些電量偏少的電池上，從而實(shí)現(xiàn)所有電池 同時(shí)被充飽，也同時(shí)被放空，實(shí)現(xiàn)電池堆的最大化利用，避免出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放以及欠充和欠 放的情況。這方面已經(jīng)有一些研究，比如通過(guò)能量從“組到單體”或“單體到組”的方式，將 整個(gè)電池堆的能量通過(guò)功率變換器注入某節(jié)或某幾節(jié)電池，或者將某節(jié)電池的能量通過(guò)功 率變換器注入整個(gè)電池堆，通過(guò)這些方法實(shí)現(xiàn)電池堆中各電池之間的容量均衡。在本實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)電池包的均衡，采用了大功率串聯(lián)充電和小功率均衡充電 相結(jié)合的方式1、大功率串充交流儲(chǔ)能柜中的電池模塊被串聯(lián)起來(lái)，形成正負(fù)384V的電池組，所述電池包的輸 出掛接到交流儲(chǔ)能柜內(nèi)的PCS模塊中的逆變電路的直流母線上。當(dāng)PCS模塊的逆變電路 反向工作時(shí)，逆變電路可以給交流儲(chǔ)能柜中的電池包進(jìn)行串聯(lián)充電。采用這種方法實(shí)際上 完全節(jié)省了充電器的成本，同時(shí)可以獲得比較大的充電功率(因?yàn)槌潆姽β逝c逆變功率相 同)，在本實(shí)施例中，50KW的逆變電路在充電的時(shí)候也可以輸出50KW的充電功率，對(duì)正負(fù) 384V的電池堆而言最大充電電流可以達(dá)到65A。2、小功率均衡充本實(shí)施例的每個(gè)電池模塊中包含了 5個(gè)多功能分充單元，每個(gè)分充單元的輸出都 通過(guò)圖7所示的平衡充電電線連接到電池包中。如圖8所示，在PCS模塊內(nèi)，正負(fù)384V的母線電壓被通過(guò)DC/DC降壓電路降壓至 48VDC。該降壓變換電路的作用是為交流儲(chǔ)能柜中的48個(gè)電池模塊內(nèi)的總共240個(gè)多功能 分充單元提供輸入電源。每個(gè)多功能分充單元的設(shè)計(jì)輸出功率大約為15W，其電路采用恒壓 限流控制的反激變換器，這些多功能分充單元可以分別對(duì)每個(gè)電池包提供均衡電量來(lái)平衡 電池之間剩余容量的差異。對(duì)每一節(jié)電池提供均衡的多功能分充單元的能量是來(lái)自于PCS模塊的母線，放電 過(guò)程中，PCS模塊的母線的能量來(lái)自于電池組，也就是放電時(shí)的均衡是將能量從整個(gè)電池組 轉(zhuǎn)移到電池組中的某幾節(jié)電池。充電過(guò)程中，母線能量來(lái)自與作為充電器工作的逆變器。也 就是充電時(shí)能量由對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行串聯(lián)充電的充電器轉(zhuǎn)移到電池組中的某幾節(jié)電池。在本實(shí)施例中，分充和串充相組合方式的工作原理如下1)充電初期采用串充，由反向工作的逆變器提供大電流進(jìn)行充電，以在最短時(shí)間 內(nèi)將電池充至接近充飽。在本例充，串充階段可以最大以65A電流進(jìn)行充電。2)在充電后期，電池模塊控制單元根據(jù)多功能分充單元上傳的的單體電池電壓， 若發(fā)現(xiàn)有電池先達(dá)到的充飽電壓，則電池模塊控制單元通知PCS模塊停止逆變器的大電流 串充，通知多功能分充單元啟動(dòng)分充，以小電流將所有電池充飽。3)在充電或放電過(guò)程中，電池模塊控制單元若發(fā)現(xiàn)某些電池電壓明顯低于平均電 壓，則通知對(duì)應(yīng)的多功能分充單元提供均衡電流，使這些電池電壓逐步接近平均電壓。4)電池模塊控制單元根據(jù)前一次的充電或放電后期的各節(jié)電池的電壓數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)本次充放電過(guò)程中各個(gè)分充單元提供均衡電流的工作周期。通過(guò)遞歸逼近的方式，可以在 進(jìn)行多次充放電后對(duì)每節(jié)電池找到一個(gè)合理的分充單元工作周期，達(dá)到最佳的均衡效果。 參見(jiàn)圖9為本實(shí)用新型的交流儲(chǔ)能柜的另一實(shí)施例，所述交流儲(chǔ)能柜40包括PCS 模塊50、電池模塊60和電池模塊控制單元100。所述電池模塊控制單元100分別與PCS模 塊50內(nèi)的第一通信電路、儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備和電池模塊60內(nèi)的多功能分充單元62建立通參見(jiàn)圖10為本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中的PCS模塊，該P(yáng)CS模塊與前一實(shí)施例中 的PCS模塊的區(qū)別在于，本實(shí)施例中的第一控制電路955與控制電路55的功能不一樣，第 一控制電路955只包括了控制電路55中控制PCS模塊內(nèi)的電路的功能，并沒(méi)有控制電池模 塊中多功能分充單元的功能。第一通信電路957與通信電路57的作用也有所不同，本實(shí)施 例中第一通信電路用于與儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備11和電池模塊控制單元100建立通信。參見(jiàn)圖11為本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中控制電池模塊中多功能分充單元的電 池模塊控制單元100，所述電池模塊控制單元100包括第二控制電路110和第二通信電路 120。所述第二控制電路110用于控制多功能分充單元的工作狀態(tài)；所述第二通信電路120 用于和多功能分充單元62，PCS控制電路55以及儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備11的通信。所述電池 模塊控制單元100可以設(shè)置在PCS模決內(nèi)部也可以單獨(dú)設(shè)置在PCS模塊外成為一個(gè)單獨(dú)的 單元。在實(shí)際使用中，可以設(shè)置在交流儲(chǔ)能柜中作為一個(gè)獨(dú)立的單元使用。綜上所述，本專利中的交流儲(chǔ)能柜所采取的這種大功率串充結(jié)合小功率分充的鋰 電池均衡充電設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)1)利用逆變器的反向整流工作模式提供大功率的充電電流，節(jié)省了大功率充電器 的成本。2)利用降壓變換電路和多功能分充單元，將來(lái)自電池組的能量或來(lái)自PCS模塊串 充的能量，分別提供給交流儲(chǔ)能柜中特定的3. 2V電池包。以較小能量損耗實(shí)現(xiàn)電池均衡。3)通過(guò)在串充電過(guò)程中或電池放電過(guò)程中，控制特定的多功能分充單元的工作周 期，使一個(gè)即使由存在明顯差異的電池所構(gòu)成的電池堆，也能夠表現(xiàn)為一個(gè)平均化的無(wú)差 異的電池堆的工作特性。從而大大改善了儲(chǔ)能電站電池堆的可用性和可靠性。通過(guò)以上實(shí)施例，所帶來(lái)的有益技術(shù)效果如下1、將現(xiàn)有的匯聚能量達(dá)到數(shù)兆瓦時(shí)的大電池堆分割成一些小的只有幾百千瓦時(shí) 的交流儲(chǔ)能柜，降低了儲(chǔ)能電站的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。2、沒(méi)有了高壓直流配電環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。3、儲(chǔ)能電站系統(tǒng)中任何一節(jié)電池故障，最多只導(dǎo)致一臺(tái)交流儲(chǔ)能柜退出，在本實(shí) 施例中，這種情況下儲(chǔ)能電站的輸出功率僅從1麗降低到0. 95麗。4、使儲(chǔ)能電站系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加所并聯(lián)的交流儲(chǔ)能柜 的數(shù)量，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率擴(kuò)容或后備時(shí)間擴(kuò)容。在本實(shí)施例的基礎(chǔ)上還考慮過(guò)如下變形方案1、構(gòu)架相同，但具體實(shí)現(xiàn)方法可能不同。比如PCS模塊的設(shè)計(jì)功率可能不同，分充 單元的充電功率可能不同，電池模塊輸出電壓可能不同，電池模塊電池容量可能不同，交流 儲(chǔ)能柜中電池模塊的數(shù)量可能不同，電池堆總電壓可能不同，電池堆輸出電壓方式也可能 不同(本方案是采用帶中點(diǎn)的正負(fù)384V，也可以采用單母線768V)，PCS模塊中的三相逆變電路拓?fù)淇赡懿煌?，降壓變換電路拓?fù)淇赡懿煌?、構(gòu)架有細(xì)微差異，比如交流儲(chǔ)能柜中用兩個(gè)并聯(lián)的25KW模塊代替本方案中的 一個(gè)50KW模塊。3、構(gòu)架相同，比如，由于電池尺寸的限制，本方案中的交流儲(chǔ)能柜是由四個(gè)并排的 標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)架組成，但也可以是由5個(gè)或一個(gè)機(jī)柜構(gòu)成。本方案中多功能分充單元和電池 包是放在一起構(gòu)成電池模塊，也可以把多個(gè)多功能分充單元放在機(jī)柜里，而電池模塊中只 有電池包，當(dāng)電池模塊插入后，在令電池模塊內(nèi)的電池包和儲(chǔ)能柜機(jī)架上安裝的多功能分 充單元通過(guò)線纜連接起來(lái)。4、PCS模塊中的降壓變換電路56也可以不放在PCS模塊內(nèi)部，單獨(dú)做成一個(gè)模塊。應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)用新型的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái) 說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán) 利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種交流儲(chǔ)能柜，包括一PCS模塊和至少一電池模塊，其特征在于，所述電池模塊包括儲(chǔ)存電能的電池包；監(jiān)控電池包的多功能分充單元，其中，所述電池包至少為一個(gè)，且每個(gè)電池包配置一所述的多功能分充單元，所述多功能分充單元連接所述電池包。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述PCS模塊包括與電池模塊連 接的第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路；與電網(wǎng)連接的第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路； 設(shè)置在直流母線上的直流母線電容；將電池模塊的能量逆變成交流電送入電網(wǎng)發(fā)電，或?qū)㈦娋W(wǎng)能量整流后提供給電池模塊 中的電池包充電的逆變電路；控制PCS模塊中各個(gè)電路工作狀態(tài)，并管理電池模塊的控制電路； 與儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備和所述多功能分充單元進(jìn)行通信的通信電路； 其中，第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路、直流母線電容、逆變電路、第二過(guò)流保護(hù)電路 及緩啟動(dòng)電路依次連接，控制電路連接通信電路、第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路、逆變電 路、第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述PCS模塊包括與電池模塊連 接的第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路；與電網(wǎng)連接的第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路； 設(shè)置在直流母線上的直流母線電容；將電池模塊的能量逆變成交流電送入電網(wǎng)發(fā)電，或?qū)㈦娋W(wǎng)能量整流后提供給電池模塊 中的電池包堆充電的可雙方向工作的逆變電路；控制PCS模塊中各個(gè)電路工作狀態(tài)的第一控制電路； 與儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信的第一通信電路；其中，第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路、直流母線電容、逆變電路、第二過(guò)流保護(hù)電路 及緩啟動(dòng)電路依次連接，第一控制電路連接第一通信電路、第一過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電 路、逆變電路、第二過(guò)流保護(hù)電路及緩啟動(dòng)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述交流儲(chǔ)能柜還包括一電池模 塊控制單元，所述電池模塊控制單元用于接收多功能分充單元傳送的電池包內(nèi)的數(shù)據(jù)，控 制多功能分充單元的工作狀態(tài)，對(duì)電池包的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將電池?cái)?shù)據(jù)及分析處理 結(jié)果傳送PCS的第一控制電路以及外部的監(jiān)控設(shè)備；所述電池模塊控制單元包括控制電池模塊的第二控制電路；及與儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè) 備、與第一控制電路、與所述多功能分充單元進(jìn)行通信的第二通信電路；其中，第二控制電 路連接第二通信電路，所述第二通信電路分別連接儲(chǔ)能電站監(jiān)控設(shè)備、第一控制電路和多 功能分充單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述多功能分充單元包括 用于控制輸出電壓和電流，提供輸出與輸入之間的電氣隔離，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)電池充電，同時(shí)為單片機(jī)供電的含隔離變壓器的功率變換電路；用于根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)，開(kāi)通或關(guān)斷輸出電路的輸出控制電路；用于將來(lái)自外部的通信信號(hào)通過(guò)電氣隔離后送給單片機(jī)，同時(shí)將單片機(jī)發(fā)送的通訊信 號(hào)通過(guò)電氣隔離后傳送給外部的光耦隔離電路；用于控制多功能分充單元的單片機(jī)；其中，含隔離變壓器的功率變換電路、輸出控制電路、光耦隔離電路分別連接至單片 機(jī)，含隔離變壓器的功率變換電路連接輸出控制電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述多功能分充單元還包括檢測(cè) 多功能分充單元內(nèi)溫度的第一溫度傳感器，其連接至單片機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述電池堆內(nèi)設(shè)置有第二溫度傳 感器，用于檢測(cè)電池的溫度，并傳遞給所述單片機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述PCS模塊還包括檢測(cè)所述交 流儲(chǔ)能柜的電壓和電流的電壓和電流檢測(cè)電路，所述電壓和電流檢測(cè)電路連接控制電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流儲(chǔ)能柜，其特征在于，所述PCS模塊還包括將母線電壓降 低后提供給多功能分充單元作為供電電源的降壓變換電路，所述降壓變換電路連接直流母 線電容和控制電路。
10.一種儲(chǔ)能電站系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)能電站系統(tǒng)中包括權(quán)利要求1至9中任意 一項(xiàng)所述的交流儲(chǔ)能柜。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種交流儲(chǔ)能柜及儲(chǔ)能電站系統(tǒng)，所述交流儲(chǔ)能柜包括一PCS模塊和至少一電池模塊，其中，所述電池模塊包括儲(chǔ)存電能的電池包；監(jiān)控電池包的多功能分充單元，所述電池包至少為一個(gè)，且每個(gè)電池包配置一所述的多功能分充單元，所述多功能分充單元連接所述電池包。采用本實(shí)用新型可有效提高儲(chǔ)能電站的安全性和可靠性；減少了高壓直流配電環(huán)節(jié)，以價(jià)格低廉并且成熟的交流配電環(huán)節(jié)取而代之，從而有效降低成本。
文檔編號(hào)H02H7/18GK201726205SQ20102022622
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者王新保 申請(qǐng)人:王新保