一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统
技术领域
1.本实用新型属于电池储能技术领域，具体涉及一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统。
背景技术：
2.电池储能系统是由众多的小电量电池通过串并联连接构成电池组，并通过储能变流器接入电网进行充放电。由于电池单体本身不一致性的不可避免缺陷，特别是使用一段时间的电池及退役电池，其不一致性尤为突出，加之电池储能系统的电池安装与物理位置不同以及连接摆放相对固定，对电池充放电的电量产生不一致性影响进一步增加，不仅造成电池储能系统充放电产生整体效率下降的短板效应，而且容易产生个别电池电压及电量偏差过大，造成电池过充或过放乃至燃爆的不安全风险。
3.因此，需要对电池组进行灵活调节及动态维护，保障电池及电池组串充放电的电池电压及电量一致性在可控范围内，为此，电池储能系统需要随时并及时调节电池的充放电功率和充放电的电量以及及时在线切出异常的电池或电池组，避免电池过充、过放和短板效应，提高电池储能系统的安全性和利用率以及投资收益。
4.目前，用于储能的电力电子技术特别是电力变换器技术，dc/dc变换器和dc/ac变流器都已经是比较成熟的技术。其不同类型的dc/dc和dc/ac模块的内部电路结构和功能特性决定了其使用方法、连接方式和功能效果。如：常用的电流源模式，能够按照外部指令要求的输入输出电流进行工作，是电流受控的工作模式。而常用的电压源模式，响应负荷端的功率随机变化，以稳定指定的电压并自动响应负荷端的相应功率及电流需求。因此，选择不同的电力电子模块的dc/dc变换器和dc/ac变流器模块，并进行优选的结构设计和连接方式研究，使得储能系统达到预期的功能特性和设计效果。
5.为了解决和实现个性化的电池单体和电池包，以及电池组串和储能单元系统运行过程中的一致性控制和储能系统安全、健康、高效运行，减少短板效应，达到更高的安全性和更好的经济性建设目的。储能系统设计与集成时，不同的部件选择与配置方法及系统架构和连接方式，以及系统部件之间的运行控制关系，决定了储能系统的实际效果。国家知识产权局公布的专利方案《一种储能系统及储能系统控制方法》专利申请号为cn201711085775，该技术方案及其附图2-4公布和提出的储能系统及储能系统控制方法，其存在明显的缺陷：
6.该专利方案权利要求1记载：“一种储能系统，其特征在于，包括：依次串联的多个储能单元，每个所述储能单元包括双向dc/dc变换器、电池管理单元和电池组；
……
所述电池管理单元，用于监测所述电池组的状态得到电池组状态，并根据所述电池组状态对所述电池组进行热管理、电量均衡和电芯状态检测及控制；”“所述双向dc/dc变换器，用于当所述储能系统处于放电模式时，切换至升压模式，将所述电池组的输出电压升压后传输至电能应用系统；以及，当所述储能系统处于充电模式时，切换至降压模式，将所述电能应用系统输出的电压降压后传输至所述电池组。”以及该专利方案权利要求2以及该专利方案权利
附图2的记载：“所述电池管理单元还用于，当检测到所述电池组的状态异常时，控制所述旁路开关导通，当检测到所述电池组状态正常时，控制所述旁路开关断开。”7.上述可知，该专利方案通过“控制切换调节dc/dc变换器的电压，相对于电能应用系统升压后放电供电，降压后充电，”，特别是采用串联的多个储能单元直接为电能应用系统供电，存在明显缺陷：该方案通过调节双向dc/dc变换器电压控制工作模式时，将影响供电电压的稳定性，尤其是“当检测到所述电池组的状态异常时，控制所述旁路开关导通，”双向dc/dc变换器电压为0电压，将影响电能应用系统的正常运行。
8.再有，该专利方案权利要求3描述了单个储能单元的架构与内部连接关系，并在权利要求4中记载：“多个所述储能单元所包含的所述双向dc/dc变换器中包括一个主dc/dc变换器和至少一个从dc/dc变换器，所述主dc/dc变换器与所述电能应用系统通过通信线电连接；所述主dc/dc变换器内的控制器，用于检测所述电能应用系统的电能需求，根据所述电能应用系统的电能需求控制各个所述储能单元切换至相应的工作模式，所述工作模式包括充电模式和放电模式；”该专利方案权利要求5进一步指出并记载：“多个所述储能单元所包含的所述电池管理单元中包括一个主电池管理单元和至少一个从电池管理单元，所述主电池管理单元与所述电能应用系统通过通信线电连接；所述主电池管理单元，用于检测所述电能应用系统的电能需求，根据所述电能应用系统的电能需求控制各个所述储能单元切换至相应的工作模式，所述工作模式包括充电模式和放电模式；”9.如上所述，该专利方案采用多个储能单元构成的电池组串，设置了一个主dc/dc变换器和至少一个从dc/dc变换器，所述主dc/dc变换器与所述电能应用系统通过通信线电连接，并控制各个所述储能单元；如果主dc/dc变换器所在储能单元的电池组异常时，按照如权利要求2所述“控制所述旁路开关导通”，将dc/dc变换器所在储能单元切出，这样造成多个储能单元构成的电池组串及储能系统的因缺少主dc/dc变换器，失去了与所述电能应用系统通过通信线电连接，以及从dc/dc变换器失去主dc/dc变换器的控制而造成存在储能系统瘫痪的隐患。众所周知，电池及电池组不一致及出现异常的概率远大于dc/dc 变换器出现故障的概率，由此可知，该专利方案的可靠性大大地降低了。
10.另外，由于多个储能单元构成的电池组串直接为电能应用系统供电，电能应用系统需要的电能，必须满足功率随机变化以及电压持续稳定，需要多个储能单元具备统一协调的机制，而从上述分析和该专利方案权利要求8-10的控制方法可知，其整体系统的技术方案缺乏储能单元之间的功率与电量的协调机制，特别是在主单元部件故障时，会造成系统瘫痪，其储能系统整体可靠性大打折扣。
11.为了克服现有技术的缺陷与不足，需要从系统架构、部件选择与连接以及控制上进行创新与改进，并且考虑到储能系统成本中电池与电力电子部件的费用比较，电池成本费用是电力电子部件成本费用的3-4倍以上，通过提高电力电子部件与系统架构的性能，提升储能系统整体安全性和运行效率是优选技术路线。为此本实用新型提出一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，采用多个受控dc/dc储能模块组串通过dc/dc和dc/ac电力变换电路模块连接电能应用系统并为其供电，克服储能单元的dc/dc模块电压调节变化以及0 电压切出时造成组串电压闪变或储能系统瘫痪的隐患，提高供电稳定性和可靠性；设置全组串统调统控的受控dc/dc储能模块组串控制器，实时监控和分配多个受控dc/dc储能模块的运行功率与电压，克服现有技术采用主从架构与控制的前述缺陷与不足；并
配合双路径受控dc/dc储能模块组串控制器调控受控恒压运行的受控dc/dc恒压电路模块，实现储能单元电能均衡调节和满足受控 dc/dc储能模块组串的端电压运行要求；特别是前述现有技术，在多个独立储能单元串联连接组串结构中，指定一个储能单元作为主dc/dc变换器及主电池管理单元来主导的主从控制系统架构，并且只根据所述电能应用系统的电能需求控制各个所述储能单元切换至相应的工作模式，不能及时有效协调分配与调节储能单元的电量与电压，据此可知现有技术存在明显技术缺陷与不足。
技术实现要素：
12.本实用新型具体技术方案为，一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，由多个受控dc/dc恒压电路模块依次串联构成受控dc/dc储能模块组串，受控dc/dc储能模块组串经直流电力母线，并通过电力变换电路模块连接电能应用系统，其特征在于，每一个受控dc/dc恒压电路模块挂接一个电池或电池包小组串，构成电池储能单元与电池或电池包小组串在线维护更换结构，并且每一个受控dc/dc恒压电路模块与挂接的电池或电池包小组串之间，通过电性驱动线和电池数据通信线双路径分别连接，构成电池或电池包小组串出现异常时及时驱动受控dc/dc恒压电路模块隔离切出的控制路径；
13.其特征还在于，由储能模块组串控制器通过储能监控通信线，分别连接受控dc/dc储能模块组串中的每一个受控dc/dc恒压电路模块，构成受控dc/dc 恒压电路模块电压及功率分配与调节控制路径，以及储能模块组串控制器分别连接受控dc/dc储能模块组串中的每一个电池或电池包小组串，构成电池监控与维护通信路径；同时储能模块组串控制器通过组串监控通信线，分别连接电力变换电路模块和能量管控系统ems；构成多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统；
14.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，电力变换电路模块连接直流型电能应用系统时，采用双向dc/dc电力变换电路模块；电力变换电路模块连接交流型电能应用系统时，采用双向dc/ac电力变流电路模块。
15.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，电能应用系统包括：公共电网、电源与发电系统、负荷系统以及储能系统的一种或多种。
16.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，受控dc/dc恒压电路模块采用受控恒压输入输出的升降压dc/dc电路模块，包括：受控直流恒压模块控制器、受控dc/dc恒压电路、dc/dc模块输入输出旁路开关、dc/dc模块旁路开关与保护的电性驱动线、dcdc电路调控线、 dc/dc模块外部通信接口、外接电性驱动接线端子、dc/dc模块的电池或电池包正极连接端子、dc/dc模块电池或电池包负极连接端子、dc/dc模块正极输入输出端子、dc/dc模块负极输入输出端子，其中，受控直流恒压模块控制器通过dcdc电路调控线连接受控dc/dc恒压电路，构成dc/dc模块输入输出电压调节控制路径；受控直流恒压模块控制器通过dc/dc模块旁路开关与保护的电性驱动线连接dc/dc模块输入输出旁路开关，构成旁路通断控制路径，并且分别通过dc/dc模块外部通信接口和外接电性驱动接线端子与电池或电池包小组串连接。
17.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，电池或电池包小组串包括：电池及电池串联模组、电池参数采样与监控模块、电池参数采样传感器及线束、电池或电池包正极开关与保护电路、电池或电池包负极开关与保护电路、电池或电池包
正极端子、电池或电池包负极端子、电池或电池包外部通信连接端子、电性驱动接线端子；其中，电池参数采样与监控模块通过电池参数采样传感器及线束连接电池及电池串联模组的每一个电池单体，构成电池电压、温度及电流参数实时采样与监控的通信链路，并分别通过电池参数采样与监控模块设置的电池或电池包外部通信连接端子和电性驱动接线端子与受控dc/dc恒压电路模块连接通信，构成双路径动态监控与安全保护架构；同时电池及电池串联模组的正极通过电池或电池包正极开关与保护电路连接电池或电池包正极端子，以及电池及电池串联模组的负极通过电池或电池包负极开关与保护电路连接电池或电池包负极端子，构成挂接式结构的电池或电池包小组串。
18.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，受控dc/dc恒压电路模块通过dc/dc模块的电池或电池包正极连接端子与电池或电池包小组串的电池或电池包正极端子连接，同时受控dc/dc恒压电路模块通过dc/dc模块的电池或电池包负极连接端子与电池或电池包小组串的电池或电池包负极端子连接，以及受控dc/dc恒压电路模块通过dc/dc模块外部通信接口与电池或电池包小组串的电池或电池包外部通信连接端子连接，同时受控 dc/dc恒压电路模块通过外接电性驱动接线端子与电池或电池包小组串的电性驱动接线端子；构成受控dc/dc储能模块组串的电池储能单元。
19.本实用新型提出的一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，从系统架构、部件选择与连接以及控制上进行创新与改进，通过提高电力电子部件与系统架构的性能，提升储能系统整体安全性和运行效率；并采用多个储能单元构成的电池组串通过dc/dc和dc/ac电力变换电路模块连接电能应用系统并为其供电，克服储能单元的dc/dc模块电压调节变化以及0电压切出时，存在储能模块组串电压闪降或储能系统瘫痪的隐患；并且创新的设置全组串统调统控的受控dc/dc储能模块组串控制器，监控和分配多个受控dc/dc储能模块的运行功率与电压，配合受控dc/dc储能模块组串控制器对储能模块组串的受控dc/dc恒压电路模块进行统调统控，并采用电量权值动态分配dc/dc直流模块的输入输出电压，实现储能单元电能均衡调节和满足受控dc/dc储能模块组串的端电压运行要求；克服前述现有技术由多个独立储能单元串联连接的组串结构，并指定一个储能单元中作为主dc/dc变换器及主电池管理单元来主导的主从控制系统架构的缺陷与不足，以及创新采用通过电池或电池包外部通信连接端子和电性驱动接线端子与受控dc/dc恒压电路模块连接通信，构成双路径动态监控与安全保护架构；能够将异常故障电池或电池包及时隔离切出，并进行在线维护与更换，有效预防燃爆风险及恶性事故发生，达到安全、经济、高效的储能系统建设目标，取得实质性有益效果。
附图说明
20.图1是一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统的原理示意框图。
21.图2是同一受控dc/dc恒压电路模块(200)构成原理示意图。
22.图3是同一电池或电池包小组串(300)构成原理示意图。
23.图4是同一电池储能单元(100)构成原理示意图。
具体实施方式
24.作为实施例子，结合附图对一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统给
模块电池或电池包负极连接端子(10)、dc/dc模块正极输入输出端子(13)、 dc/dc模块负极输入输出端子(14)，其中，受控直流恒压模块控制器(210) 通过dcdc电路调控线(250)连接受控dc/dc恒压电路(220)，构成dc/dc 模块输入输出电压调节控制路径；受控直流恒压模块控制器(210)通过dc/dc 模块旁路开关与保护的电性驱动线(240)连接dc/dc模块输入输出旁路开关 (230)，构成旁路通断控制路径，并且分别通过dc/dc模块外部通信接口(260) 和外接电性驱动接线端子(270)与电池或电池包小组串(300)连接。
34.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，电池或电池包小组串(300)包括：电池及电池串联模组(310)、电池参数采样与监控模块(320)、电池参数采样传感器及线束(330)、电池或电池包正极开关与保护电路(340)、电池或电池包负极开关与保护电路(350)、电池或电池包正极端子(360)、电池或电池包负极端子(370)、电池或电池包外部通信连接端子(380)、电性驱动接线端子(390)；其中，电池参数采样与监控模块(320) 通过电池参数采样传感器及线束(330)连接电池及电池串联模组(310)的每一个电池单体，构成电池电压、温度及电流参数实时采样与监控的通信链路，并分别通过电池参数采样与监控模块(320)设置的电池或电池包外部通信连接端子(380)和电性驱动接线端子(390)与受控dc/dc恒压电路模块(200)连接通信，构成双路径动态监控与安全保护架构；同时电池及电池串联模组(310) 的正极通过电池或电池包正极开关与保护电路(340)连接电池或电池包正极端子(360)，以及电池及电池串联模组(310)的负极通过电池或电池包负极开关与保护电路(350)连接电池或电池包负极端子(370)，构成挂接式结构的电池或电池包小组串(300)。
35.所述一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，其特征在于，受控dc/dc恒压电路模块(200)通过dc/dc模块的电池或电池包正极连接端子 (9)与电池或电池包小组串(300)的电池或电池包正极端子(360)连接，同时受控dc/dc恒压电路模块(200)通过dc/dc模块的电池或电池包负极连接端子(10)与电池或电池包小组串(300)的电池或电池包负极端子(370)连接，以及受控dc/dc恒压电路模块(200)通过dc/dc模块外部通信接口(260)与电池或电池包小组串(300)的电池或电池包外部通信连接端子(380)连接，同时受控dc/dc恒压电路模块(200)通过外接电性驱动接线端子(270)与电池或电池包小组串(300)的电性驱动接线端子(390)；构成受控dc/dc储能模块组串(1)的电池储能单元(100)。
36.本实用新型提出的一种多个受控dc/dc储能模块组串架构的储能系统，从系统架构、部件选择与连接以及控制上进行创新与改进，通过提高电力电子部件与系统架构的性能，提升储能系统整体安全性和运行效率；并采用多个储能单元构成的电池组串通过dc/dc和dc/ac电力变换电路模块连接电能应用系统并为其供电，克服储能单元的dc/dc模块电压调节变化以及0电压切出时，存在储能模块组串电压闪降或储能系统瘫痪的隐患；并且创新的设置全组串统调统控的受控dc/dc储能模块组串控制器，监控和分配多个受控dc/dc储能模块的运行功率与电压，配合受控dc/dc储能模块组串控制器对储能模块组串的受控dc/dc恒压电路模块进行统调统控，并采用电量权值动态分配dc/dc直流模块的输入输出电压，实现储能单元电能均衡调节和满足受控dc/dc储能模块组串的端电压运行要求；克服前述现有技术由多个独立储能单元串联连接的组串结构，并指定一个储能单元中作为主dc/dc变换器及主电池管理单元来主导的主从控制系统架构的缺陷与不足，以及创新采用通过电池或电池包外部通信连接端子和电性驱动接线端子与受控dc/dc恒压电路模块连接通信，构
成双路径动态监控与安全保护架构；能够将异常故障电池或电池包及时隔离切出，并进行在线维护与更换，有效预防燃爆风险及恶性事故发生，达到安全、经济、高效的储能系统建设目标，取得实质性有益效果。
37.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。