CN109301850A - 一种新型储能***实验平台及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型储能***实验平台及工作方法，包括阵列仿真模块、储能元件及其管理模块、充放电控制模块、主电源模块、智能控制模块、直流负载模块、串口管理模块、LAN管理模块及上位机；阵列仿真模块用于对储能元件提供能量来源；储能元件及其管理模块包括铅酸蓄电池组与其管理模块、锂电池组与其管理模块及超级电容模组与其管理模块；充放电控制模块包括铅酸蓄电池组充放电控制模块、锂电池组充放电控制模块及超级电容模组充放电控制模块；主电源模块用于向实验平台提供工作电源；智能控制模块用于控制储能元件的充、放电策略；直流负载模块用于模拟用电设备；上位机通过串口管理模块、LAN管理模块接收并显示储能元件的运行数据及运行状态。

Description

一种新型储能***实验平台及工作方法

技术领域

本发明涉及新能源实验平台技术领域，具体涉及一种新型储能***实验平台及工作方法。

背景技术

由于新能源发电自身存在间歇性和不可控等特点，将其并入大电网会导致电能波动，对供电质量产生负面影响，而现有的单一储能技术已无法满足微电网对自身频率稳定性要求，因此，采用多元化储能技术构建混合储能***具有重要意义。

现有的储能元件主要有铅酸蓄电池、锂电池以及超级电容。其中，铅酸蓄电池价格相对低廉，但电能密度较小、循环寿命短、无法满足快速充放电的需求，并且体积及质量均较大；锂电池价格略高，但相对于铅酸蓄电池来说，使用寿命长，充电速度快、电能密度更高；超级电容充放电速度极快，循环寿命长、功率密度大、高低温性能好、无污染、零排放，但能量密度偏低。现有技术中，储能***通常采用铅酸蓄电池作为储能元件，将多余电能通过铅酸蓄电池储存起来，当微电网并网转离网运行时，由铅酸蓄电池提供能量来源，但仅仅依靠由铅酸蓄电池的储能***无法满足工况多变的频繁快速充放电环境以及微电网在孤网运行时的***稳定。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种新型储能***实验平台及工作方法，优化了由于新能源发电自身存在间歇性和随机性等特点，将其并入大电网会导致电能波动，对供电质量产生负面影响的技术问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种新型储能***实验平台：包括阵列仿真模块、储能元件及其管理模块、充放电控制模块、主电源模块、智能控制模块、直流负载模块、串口管理模块、LAN管理模块及上位机；

阵列仿真模块用于对储能元件提供能量来源；

储能元件及其管理模块包括铅酸蓄电池组与其管理模块、锂电池组与其管理模块及超级电容模组与其管理模块；

充放电控制模块包括铅酸蓄电池组充放电控制模块、锂电池组充放电控制模块及超级电容模组充放电控制模块；

主电源模块用于向实验平台提供工作电源；

智能控制模块用于控制储能元件的充、放电策略；

直流负载模块用于模拟用电设备；

上位机通过串口管理模块、LAN管理模块接收并显示储能元件的运行数据及运行状态。

作为本发明的一种优化方案，前述的一种新型储能***实验平台：储能元件运行数据及运行状态包括储能元件的单体电压、表面温度、内阻、充放电电流、荷电量SOC。

作为本发明的一种优化方案，前述的一种新型储能***实验平台：串口管理模块是以太网IP端口，LAN管理模块的接口类型是以太网。

作为本发明的一种优化方案，前述的一种新型储能***实验平台：铅酸蓄电池组与其管理模块、锂电池组与其管理模块及超级电容模组与其管理模块均包括储能元件、多路单体检测模块、储能元件管理模块，多路单体检测模块包括电压检测传感器、电流检测传感器、温度检测传感器。

作为本发明的一种优化方案，前述的一种新型储能***实验平台：还包括实验台架，阵列仿真模块、储能元件及其管理模块、充放电控制模块、主电源模块、智能控制模块、直流负载模块、串口管理模块、LAN管理模块及上位机均连接于实验台架，实验台架的下方还设有万向脚轮。

作为本发明的一种优化方案，前述的一种新型储能***实验平台：铅酸蓄电池组包括3个串联的4V的铅酸蓄电池；锂电池组包括4个串联的3.7V的锂电池；超级电容模组包括5个串联的容量为3200F、标称电压为3V的电容。

作为本发明的一种优化方案，前述的一种新型储能***实验平台：储能元件的输入端及输出端均设有继电器的常开触点，继电器的控制端连接智能控制模块。

一种新型储能***实验平台的工作方法：当上位机检测到储能元件的输入或输出电流的变化范围处于***预设的范围内时，超级电容模组不工作；当上位机检测到储能元件的输入或输出电流的变化速度超过***预设的范围时，开启超级电容模组。

本发明所达到的有益效果：

1. 本发明的储能元件采用三种不同的储能元件，可分别对三种不同储能元件的充放电特性进行研究。

2. 当微电网并网与离网切换运行或负载突增时，由超级电容模组提供突增的大电流，使铅酸蓄电池组和锂电池组两者的端电压和流出的电流变化大大减小，从而改善微电网的稳定性与有效提升铅酸蓄电池组和锂电池组的循环寿命。

3. 由于过度充电、放电以及温度变化对储能元件性能影响较大，长时间的过充过放会导致储能元件寿命周期缩短，致使维护成本增加，现增加储能元件的管理***，对储能元件有效管理，降低维护成本，提高寿命周期及***的可靠性。

4. 充放电控制模块能够与智能控制模块相互配合，有效管理储能元件的充、放电管理策略。通过实时监测储能元件的SOC值来判断充、放电条件，并在上位机中实时显示储能元件的单体电压、单体温度、组电压、充放电电流值、SOC值等参数，动态分析单体储能元件的健康状态，及时对“短板”储能元件加以维护，降低维护成本。

附图说明

图1是本发明整体结构图；

图2是本发明工作原理图；

附图标记的含义：1-实验台架；2-阵列仿真模块；3-铅酸蓄电池组与其管理模块；4-锂电池组与其管理模块；5-超级电容模组与其管理模块；6-铅酸蓄电池组充放电控制模块；7-锂电池组充放电控制模块；8-超级电容模组充放电控制模块；9-主电源模块；10-智能控制模块；11-直流负载模块；12-串口管理模块；13-LAN管理模块；14-上位机；15-万向脚轮；16-多层框架；17-面板电源模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示：本实施例公开了一种新型储能***实验平台，包括阵列仿真模块2、储能元件及管理模块、充放电控制模块、主电源模块9、智能控制模块10、负载模块11、串口管理模块12、LAN管理模块13及上位机14。

阵列仿真模块2用于替代真实光伏电池组件，在不受环境因素变化的随机性与间歇性束缚，直接模拟大功率的光伏电池组件发电，向储能元件提供能量来源，并且该模块能够根据实验条件的需求提供不同工况下的光伏组件的外特性，充分满足实验的多样性需求。

储能元件及管理模块是将若干个同类型的储能元件单体通过串/并联方式电气连接，为避免“水桶效应”，利用其管理模块对单体储能元件的运行数据及状态实时监测与分析。主要包括铅酸蓄电池组与其管理模块3、锂电池组与其管理模块4、超级电容模组与其管理模块5。

具体的，本实施例中铅酸蓄电池组与其管理模块3设有铅酸蓄电池组、多路单体检测模块、铅酸电池组管理模块。铅酸蓄电池组由3个标称电压为4V的单体铅酸蓄电池串联电气连接。多路单体检测模块主要包括电压检测传感器、电流检测传感器、温度检测传感器，电压检测传感器一端连接于单体铅酸蓄电池极柱，另一端连接铅酸蓄电池管理模块的电压采集端；电流检测传感器一端连接于单体铅酸蓄电池极柱，另一端连接铅酸蓄电池管理模块的温度采集端；电流检测传感器贯穿于铅酸蓄电池组输出的正极或负极回路线缆上。铅酸电池组管理模块通过电流检测传感器获取充放电电流，借助多路单体检测模块采集到的数据，分析过/欠压、过充过放、过温等判断，并动态实时计算SOC、SOH值，对各路单体铅酸蓄电池进行充电均衡管理策略，最后通过RS485接口连接于串口管理模块12，经串口管理模块12自适应成标准的以太网IP端口数据，与LAN管理模块13相连接，并通过以太网方式与上位机14通讯，将实时计算、分析铅酸蓄电池组的综合信息等相关参数送至上位机14显示相关数据。

锂电池组与其管理模块4设有锂电池组、多路单体检测模块、锂电池组管理模块。锂电池组包括4个串联的3.7V的锂电池。多路单体检测模块主要包括电压检测传感器、电流检测传感器、温度检测传感器，电压检测传感器一端连接于锂电池的极柱，另一端连接锂电池组管理模块的电压采集端；电流检测传感器一端连接于单体锂电池的极柱，另一端连接锂电池组的温度采集端；电流检测传感器贯穿于锂电池组输出的正极或负极回路线缆上。锂电池组管理模块通过电流检测传感器获取充放电电流，借助多路单体检测模块采集到的数据，分析过/欠压、过充过放、过温等判断，并动态实时计算SOC、SOH值，对各路单体锂电池进行充电均衡管理策略，最后通过RS485接口连接于串口管理模块12，经串口管理模块12自适应成标准的以太网IP端口数据，与LAN管理模块13相连接，并通过以太网方式与上位机14通讯，将实时计算、分析锂电池组的综合信息等相关参数送至上位机14显示相关数据。

同样，超级电容组与其管理模块8设有超级电容组、多路单体检测模块、超级电容组管理模块。超级电容组包括5个串联的容量为3200F、标称电压为3V的电容。多路单体检测模块主要包括电压检测传感器、电流检测传感器、温度检测传感器，电压检测传感器一端连接于电容的极柱，另一端连接超级电容组管理模块的电压采集端；电流检测传感器一端连接于单体电容的极柱，另一端连接超级电容组的温度采集端；电流检测传感器的贯穿于超级电容组输出的正极或负极回路线缆上。超级电容组管理模块通过电流检测传感器获取充放电电流，借助多路单体检测模块采集到的数据，分析过/欠压、过充过放、过温等判断，并动态实时计算SOC、SOH值，对各路单体超级电容进行充电均衡管理策略，最后通过RS485接口连接于串口管理模块12，经串口管理模块12自适应成标准的以太网IP端口数据，与LAN管理模块13相连接，并通过以太网方式与上位机14通讯，将实时计算、分析超级电容组的综合信息等相关参数送至上位机14显示相关数据。

储能元件及管理模块特征在于采用分级管理模式对储能元件进行实时监控，如图2所示： 充放电控制模块主要包括铅酸蓄电池组充放电控制模块6、锂电池组充放电控制模块7、超级电容模组充放电控制模块8，充放电控制模块的直流输入端与负载输出端均设有两组继电器常开触点，通过实时监测各储能元件的SOC值，衡量各储能元件的SOC充、放电判断条件，实现储能元件自主充、放电管理策略。具体方法：正常情况下铅酸蓄电池组和锂电池组均在充电初期选用恒流充电，待监测到其SOC值及端电压满足预先设定的阈值时，转入恒压限流充电，待监测到其SOC值满足饱和阈值时，进行浮充阶段，直到监测到其SOC值满足上限阈值时，再停止充电；当接到放电命令时，铅酸蓄电池组和锂电池组均会根据负载电流的大小，决定放电时间，若监测到其SOC满足下限阈值，立即停止放电。只有当微电网并网与离网切换运行或者负载突增时，这时由超级电容模组提供突增的大电流，使铅酸蓄电池组和锂电池组两者的端电压和流出的电流变化大大减小，从而改善微电网的稳定性与有效提升铅酸蓄电池组和锂电池组的循环寿命。

主电源模块9用于为实验平台的各个模块及电路提供交流或直流电源。

智能控制模块10用于控制储能元件的充、放电策略，通过在储能元件的充放电控制模块的光伏输入端与负载输出端均设置两组常开触点，利用智能控制模块10向继电器发出命令，从而驱动继电器线圈，使相应的继电器触点做出闭合或断开响应，实现不同储能元件的充、放电管理策略。

直流负载模块11连接储能元件的充放电控制模块，用于模拟用电设备，研究不同储能元件的充放电特性。

串口管理模块12是将串口RS485/RS232/RS422接口数据自适应成标准的以太网IP端口数据，将多路串口接口，转化成一路以太网与LAN管理模块13相连接进行组网，且无须淘汰已有的串口设备。

LAN管理模块13采用以太网方式快速组网，即插即用，传输效率快。

上位机14内置软件用于接收并显示储能元件运行数据及运行状态，包括储能元件的单体电压、表面温度、内阻、充放电电流、荷电量SOC值以及充放电曲线。

本实施还包括实验台架1，前述的各个模块、单元及电路均用多层框架16隔开设置在实验台架1，为了便于移动，实验台架1的下方还设有万向脚轮15，实验台架桌面上方还设有面板电源模块17，综合考虑，在面板电源模块17还设置了多个大电流设备使用的插座电源。

本实施例还公开了一种新型储能***实验平台的工作方法，具体如下；

工作时，阵列仿真模块2用于替代真实光伏电池组件，在不受环境因素变化的随机性与间歇性束缚，直接模拟大功率的光伏电池组件发电，向储能元件提供能量来源，并且该模块能够根据实验条件的需求提供不同工况下的光伏组件的外特性，充分满足实验的多样性需求。

直流负载模块11用于模拟用电设备。

上位机14内置软件用于接收并显示来自由串口管理模块12、LAN管理模块13上传的有关储能元件运行数据及状态的数据，主要包括储能元件的单体电压、表面温度、内阻、充放电电流、荷电量SOC值。

上位机14对于储能元件的智能控制可采用两种方式：

一是电压，上位机14接收根据储能元件的电压U，然后比较U与***预设的最低电压U1及最高电压U2，当U大于或等于U2时，储能元件停止充电；当U小于或等于U1时，则储能元件停止放电。

二是电量：上位机14采集储能元件的荷电量SOC，若采集的储能元件的荷电量SOC大于***预设的上限阈值SOCmax，则储能元件停止充电；若储能元件的荷电量SOC小于***预设的下限阈值SOCmin，则停止放电。

当上位机14检测到储能元件的输入或输出电流的变化范围处于***预设的范围内时，超级电容模组不工作；当上位机14检测到储能元件的输入或输出电流的变化速度超过***预设的范围时，开启超级电容模组。

只有当微电网并网与离网切换运行或者负载突增时，这时由超级电容模组提供突增的大电流，使铅酸蓄电池组和锂电池组两者的端电压和流出的电流变化大大减小，从而改善微电网的稳定性与有效提升铅酸蓄电池组和锂电池组的循环寿命。

利用三种储能特性，铅酸蓄电池和锂电池属于能量型储能器件，超级电容属于功率型储能器件，三者之间扬长避短，互相弥补，加以配合。在提高储能***动态响应速度的同时，还能充分发挥超级电容模组快速响应和较高的功率密度的优点，合理控制超级电容模组能够有效改善铅酸蓄电池和锂电池储能的工作环境，优化铅酸蓄电池和锂电池运行状态，延长使用寿命。

具体方法：正常情况下铅酸蓄电池组和锂电池组均在充电初期选用恒流充电，待监测到其SOC值及端电压满足预先设定的阈值时，转入恒压限流充电，待监测到其SOC值满足饱和阈值时，进行浮充阶段，直到监测到其SOC值满足上限阈值时，再停止充电；当接到放电命令时，铅酸蓄电池组和锂电池组均会根据负载电流的大小，决定放电时间，若监测到其SOC满足下限阈值，立即停止放电。只有当微电网并网与离网切换运行或者负载突增时，这时由超级电容模组提供突增的大电流，使铅酸蓄电池组和锂电池组两者的端电压和流出的电流变化大大减小，从而改善微电网的稳定性与有效提升铅酸蓄电池组和锂电池组的循环寿命。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型储能***实验平台，其特征在于：包括阵列仿真模块（2）、储能元件及其管理模块、充放电控制模块、主电源模块（9）、智能控制模块（10）、直流负载模块（11）、串口管理模块（12）、LAN管理模块（13）及上位机（14）；

所述阵列仿真模块（2）用于对储能元件提供能量来源；

所述储能元件及其管理模块包括铅酸蓄电池组与其管理模块（3）、锂电池组与其管理模块（4）及超级电容模组与其管理模块（5）；

所述充放电控制模块包括铅酸蓄电池组充放电控制模块（6）、锂电池组充放电控制模块（7）及超级电容模组充放电控制模块（8）；

所述主电源模块（9）用于向实验平台提供工作电源；

所述智能控制模块（10）用于控制储能元件的充、放电策略；

所述直流负载模块（11）用于模拟用电设备；

所述上位机（14）通过串口管理模块（12）、LAN管理模块（13）接收并显示储能元件的运行数据及运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种新型储能***实验平台，其特征在于：所述储能元件运行数据及运行状态包括储能元件的单体电压、表面温度、内阻、充放电电流、荷电量SOC。

3.根据权利要求1所述的一种新型储能***实验平台，其特征在于：所述串口管理模块（12）是以太网IP端口，所述LAN管理模块（13）的接口类型是以太网。

4.根据权利要求1所述的一种新型储能***实验平台，其特征在于：所述铅酸蓄电池组与其管理模块（3）、锂电池组与其管理模块（4）及超级电容模组与其管理模块（5）均包括储能元件、多路单体检测模块、储能元件管理模块，所述多路单体检测模块包括电压检测传感器、电流检测传感器、温度检测传感器。

5.根据权利要求1所述的一种新型储能***实验平台，其特征在于：还包括实验台架（1），所述阵列仿真模块（2）、储能元件及其管理模块、充放电控制模块、主电源模块（9）、智能控制模块（10）、直流负载模块（11）、串口管理模块（12）、LAN管理模块（13）及上位机（14）均连接于实验台架（1），所述实验台架（1）的下方还设有万向脚轮（14）。

6.根据权利要求1所述的一种新型储能***实验平台，其特征在于：铅酸蓄电池组包括3个串联的4V的铅酸蓄电池；锂电池组包括4个串联的3.7V的锂电池；超级电容模组包括5个串联的容量为3200F、标称电压为3V的电容。

7.根据权利要求1所述的一种新型储能***实验平台，其特征在于：储能元件的输入端及输出端均设有继电器的常开触点，继电器的控制端连接智能控制模块（10）。

8.一种新型储能***实验平台的工作方法，其特征在于：当上位机（14）检测到储能元件的输入或输出电流的变化范围处于***预设的范围内时，超级电容模组不工作；当上位机（14）检测到储能元件的输入或输出电流的变化速度超过***预设的范围时，开启超级电容模组。