一種模塊化的儲能系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種模塊化的儲能系統(tǒng)，具體而言，特別是一種模塊化的電動汽車用高壓大容量電源和一種模塊化的電網(wǎng)用高壓大容量儲能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，由于環(huán)境保護和能源安全的需要，電動汽車和光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到重視和鼓勵。
[0003]用于給電動汽車提供動力的電池包為高壓大容量直流電源，對電池的一致性要求高，電池管理系統(tǒng)也較復(fù)雜且價格較高，限制了電動汽車的推廣。
[0004]儲能能夠平滑隨機的、不穩(wěn)定的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，有利于大規(guī)模開發(fā)新能源，且在電網(wǎng)中加入儲能，能實現(xiàn)削峰填谷和調(diào)峰調(diào)頻的作用，可以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和減緩電網(wǎng)的投資，是智能電網(wǎng)的重要方向，此外，在遠離大陸的海島或沒有大電網(wǎng)的邊遠地區(qū)，建設(shè)光伏、風(fēng)力發(fā)電的離網(wǎng)電站，更需要儲能來存儲光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，并在需要供電時提供電能。
[0005]用于電網(wǎng)的大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)通常電壓和容量比用于電動汽車的電池包更大，需要更多的單體電芯串聯(lián)、并聯(lián)，對電池一致性要求更高，電池管理系統(tǒng)更復(fù)雜；目前一部分儲能項目的電池儲能系統(tǒng)由多個電池簇直接并聯(lián)組成，存在電池簇之間充電、放電不均衡的問題，降低了電池的使用壽命和使用效率，對電池管理和均衡也具有較高的要求，限制了電池儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)的推廣和應(yīng)用。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]有鑒于此，本實用新型提供了一種模塊化的儲能系統(tǒng)方案和實施實例，儲能系統(tǒng)由多I個儲能簇并聯(lián)組成，由I個監(jiān)控系統(tǒng)管理所有的儲能簇，I個儲能簇由多I個儲能模塊串聯(lián)組成，I個儲能簇控制器管理I個儲能簇的所有儲能模塊，I個儲能簇內(nèi)的儲能模塊是一致的，當(dāng)儲能系統(tǒng)內(nèi)包含2種以上的的儲能模塊時，同一種儲能模塊組成多I儲能簇后，再與其它儲能模塊組成的儲能簇并聯(lián)；所述儲能系統(tǒng)具有3級均衡功能，對儲能元件的一致性要求低，能提高儲能元件的使用壽命，便于組裝、擴展、維護，通過儲能模塊的串聯(lián)能構(gòu)成高壓儲能簇，通過儲能簇的并聯(lián)能構(gòu)成大容量的儲能系統(tǒng)，在電動汽車用高壓大容量電源和電網(wǎng)用高壓大容量的儲能系統(tǒng)具有良好前景。
[0007]儲能模塊是由儲能元件、儲能管理單元、雙向DC/DC變流器、開關(guān)組成。
[0008]I個儲能模塊內(nèi)包含2種儲能元件，2種儲能元件分別接于雙向DC/DC變流器的2端，I個儲能模塊最多包含I個能量型儲能元件且至少包含I個功率型儲能元件；能量儲能元件包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉流電池、鋅溴電池，功率儲能元件包括超級電容、電解電容、薄膜電容，其中電解電容和薄膜電容稱為普通電容。
[0009]當(dāng)儲能模塊的能量型儲能元件是電池組時，電池管理單元對電池組進行全面的管理，具有檢測電芯的電壓和溫度、電池組電壓、充放電電流、絕緣電阻并估算電池組SOC (荷電狀態(tài))、電池組SOH (健康狀態(tài))的功能，并具有和監(jiān)控系統(tǒng)和雙向DC/DC變流器的通訊接口和通訊功能。
[0010]雙向DC/DC變流器2端具有電壓差，低壓端的電壓始終低于高壓端電壓，儲能多的儲能元件位于低壓端，當(dāng)儲能模塊含有能量型儲能元件時，能量型儲能元件位于雙向DC/DC變流器的低壓端，功率型儲能元件位于雙向DC/DC變流器的高壓端，當(dāng)儲能模塊不含有能量型儲能元件時，儲能多的功率型儲能元件位于雙向DC/DC變流器的低壓端，儲能少的功率型儲能元件位于雙向DC/DC變流器的高壓端；雙向DC/DC變流器自動控制能量在2種儲能元件之間交換，其拓撲結(jié)構(gòu)包括Boost-Buck結(jié)構(gòu)，當(dāng)雙向DC/DC變流器低壓端的儲能元件放電時，雙向DC/DC變流器升壓運行，當(dāng)雙向DC/DC變流器低壓端的儲能元件充電時，雙向DC/DC變流器降壓運行；一般來說，能量型儲能元件比功率型儲能元件儲能多但功率特性與之相比弱，功率型儲能元件比能量型儲能元件儲能少但功率特性與之相比強，因此，儲能容量少但功率特性強的儲能元件位于高壓端，使儲能系統(tǒng)具有功率特性，儲能容量多的儲能元件位于低壓端，使儲能系統(tǒng)具有能量特性，2種儲能元件形成互補提高了儲能系統(tǒng)的性能。
[0011]儲能模塊的正極和負極通過I個開關(guān)相連；I個儲能簇內(nèi)，雙向DC/DC變流器的高壓端正極與位于此高壓端的功率型儲能元件的正極相連，并通過I個開關(guān)與儲能模塊正極相連，雙向DC/DC變流器的高壓端負極與位于此高壓端的功率型儲能元件的負極相連；儲能模塊正常運行時，雙向DC/DC變流器控制閉合雙向DC/DC變流器的高壓端正極與儲能模塊正極之間的開關(guān)，斷開儲能模塊正極和儲能模塊負極之間的開關(guān)；當(dāng)儲能模塊與儲能簇需要隔離時，雙向DC/DC變流器控制斷開雙向DC/DC變流器的高壓端正極與儲能模塊正極之間的開關(guān)，閉合儲能模塊正極和儲能模塊負極之間的開關(guān)；當(dāng)儲能模塊重新接入儲能簇時，雙向DC/DC變流器控制閉合雙向DC/DC變流器的的高壓端正極與儲能模塊正極之間的開關(guān)，斷開儲能模塊正極和儲能模塊負極之間的開關(guān)。
[0012]儲能模塊正常運行時，其輸出端是具有模擬內(nèi)阻的電壓源，具有2個控制變量，I個是開路電壓U。，一個是模擬內(nèi)阻R，當(dāng)儲能模塊的輸出電流為1_時(儲能模塊放電為正，充電為負)，儲能模塊的輸出電壓為U，以下公式成立=U=U13-1ciut*!^
[0013]雙向DC/DC變流器具有檢測儲能模塊的輸出電流、雙端DC/DC變流器2端儲能元件的輸出電壓和雙向DC/DC變流器高壓端的輸出電流功能，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式，自動控制能量在2種儲能元件之間交換。
[0014]默認I個儲能簇內(nèi)的每個儲能模塊的2個控制變量U。、R是相同的，這2個控制變量通過雙向DC/DC變流器和儲能簇控制器更改設(shè)置，I個儲能簇運行時，儲能簇的輸出電流Iciut就是儲能簇內(nèi)每個儲能模塊的輸出電流，每個儲能模塊的輸出功率就是U*I out,因此，通過改變U。、R就可以改變儲能模塊的輸出電壓U和儲能模塊輸出功率υ*Ι_，間接改變位于雙向DC/DC變流器低壓端的儲能元件的充電功率和放電功率。
[0015]I個儲能簇的開路電壓等于I個儲能簇的所有儲能模塊的開路電壓之和，I個儲能簇的輸出電壓等于I個儲能簇的所有儲能模塊的輸出電壓之和，I個儲能簇的模擬內(nèi)阻等于I個儲能簇的所有儲能模塊的模擬內(nèi)阻之和。
[0016]儲能簇具有2種控制模式，第I種是電壓源，在儲能簇的功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)穩(wěn)定直流母線的電壓于直流母線電壓設(shè)定值，直流母線電壓設(shè)定值由監(jiān)控系統(tǒng)或儲能簇控制器給出，儲能簇控制器通過與其管理的每個雙向DC/DC變流器通信并更改設(shè)置每個儲能模塊的開路電壓U。和模擬內(nèi)阻R來實現(xiàn)對儲能簇輸出電壓即直流母線電壓的實時控制；第2種是電流源，儲能簇的充電功率或放電功率由監(jiān)控系統(tǒng)或儲能簇控制器給出，儲能簇控制器通過與其管理的每個雙向DC/DC變流器通信并更改設(shè)置每個儲能模塊的開路電壓U。和模擬內(nèi)阻R來實現(xiàn)對儲能簇功率的實時控制。
[0017]儲能系統(tǒng)具有3級均衡，第I級是儲能模塊內(nèi)儲能元件的單體之間的均衡，由儲能管理單元均衡儲能元件的單體之間的電壓差，第2級是一個儲能簇內(nèi)的儲能模塊之間均衡，由儲能簇控制器或監(jiān)控系統(tǒng)均衡同一個儲能簇的雙向DC/DC變流器低壓端儲能元件之間的電壓差，第3級是儲能簇之間的均衡，由監(jiān)控系統(tǒng)均衡不同儲能簇的雙向DC/DC變流器低壓端儲能元件之間的電壓差。
[0018]通過儲能簇控制器或監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置，在同一