一种使用锂电电池的集装箱储能设备

技术领域

本发明涉及储能系统技术领域，特别是涉及一种使用锂电电池的集装箱储能设备。

背景技术

随着能源清洁低碳转型的深入推进，各种新型能源形式不断涌现。其中，储能是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段。当前对于电源侧来说，接入储能系统后，电力系统峰谷差的持续增大使系统平衡对灵活性资源的需求增加。对于需求侧来说，用电高峰期负荷需求持续增长，已有的灵活性资源难以满足电网灵活运行的潜在需求。这就需要储能系统的灵活性资源补充，参与电力系统的调控运行，支撑电力系统安全平稳的运行。从当前实践来看，集装箱储能配合运行得到广泛的运用，主要用于扩容和削峰填谷，扩容满足新增或用电高峰的设备运行，削峰填谷可节约工业用电的费用，同时减小用电高峰期对于电力系统的压力。同时集装箱储能系统可选用B级电池、退役动力电池或库存电池，降低成本的同时解决退役电池的梯次利用。

当前锂电的集装箱储能系统已得到广泛应用，但初期投入成本过高，同时集装箱安装在室外，为保证电池系统的正常运行集装箱需配备空调系统，光照强烈的条件及电池系统自身发热使得空调系统开启运行，能耗及成本增加。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种使用锂电电池的集装箱储能设备，使其可以节约空调系统的投入成本，同时光伏系统发电可以给负载供电，节约能耗及运行成本。

本发明提供的一种使用锂电电池的集装箱储能设备，包括集装箱以及设于集装箱内底板上的电池系统，还包括光伏系统，所述光伏系统与电池系统电连接，所述光伏系统设置于集装箱顶部。

在上述技术方案中，还包括储能双向逆变器PCS；所述光伏系统包括光伏组件、控制器DC/DC和逆变器UI，所述光伏组件、控制器DC/DC和逆变器UI依次串联，所述逆变器UI的电力输出端与储能双向逆变器PCS的交流端相连、并与电网或负载相连；所述电池系统包括多个电连接的电池模组，所述电池系统的正极与储能双向逆变器PCS的直流端正极相连，所述电池系统的负极与储能双向逆变器PCS的直流端负极相连。

在上述技术方案中，还包括高压盒，所述高压盒包括电池管理系统主控模块BCU、继电器KJ和分流器RW，所述继电器KJ一端与储能双向逆变器PCS(3)的直流端负极相连，所述继电器KJ另一端与分流器RW的一端相连，所述分流器RW的另一端与电池系统的负极相连，所述电池管理系统主控模块BCU能量输入端与直流电源相连，所述电池管理系统主控模块BCU的控制端分别与继电器KJ两端相连，所述所述电池管理系统主控模块BCU的信号采集端与分流器RW一端相连、并与电池系统的负极相连。

在上述技术方案中，所述电池系统还包括与每个电池模组相对应的电池管理系统从控模块BMU，每个电池管理系统从控模块BMU的能量输入端与其对应的电池模组的能量输出端相连，每个电池管理系统从控模块BMU的信号端与其对应的电池模组的信号端相连，各个电池管理系统从控模块BMU的信号端通过CAN BUS总线通讯相连、并通过CAN BUS总线与高压盒电池管理系统主控模块BCU的信号端相连。

在上述技术方案中，还包括能量管理系统EMS，所述能量管理系统EMS的信号端与储能双向逆变器PCS的信号端相连。

在上述技术方案中，所述能量管理系统EMS还设有向其供电的不间断电源UPS，所述不间断电源UPS的输出端还与电池管理系统主控模块BCU的输入端相连。

在上述技术方案中，还包括风扇系统，所述风扇系统的信号端与能量管理系统EMS的信号端相连，所述风扇系统的输入端与电网相连，所述风扇系统的风扇设置于集装箱顶部内侧。

在上述技术方案中，所述高压盒还包括熔断器FU，所述熔断器FU的一端与储能双向逆变器PCS的直流端正极相连，所述熔断器FU的另一端与电池系统的负极相连。

在上述技术方案中，还包括监控系统，所述监控系统的输入端与电网相连，所述监控系统的信号端与能量管理系统EMS的信号端相连。

在上述技术方案中，还包括消防系统、照明系统和智能电表，所述消防系统的输入端与电网相连，所述消防系统的信号端与能量管理系统EMS的信号端相连；所述照明系统的输入端与电网相连，所述照明系统的信号端与能量管理系统EMS的信号端相连；所述智能电表一端与逆变器UI相连、并与电网或负载相连，所述智能电表的另一端与储能双向逆变器PCS的交流端相连；所述电池系统设置于集装箱的一端，所述储能双向逆变器PCS和能量管理系统EMS设置于集装箱的另一端，所述消防系统和高压盒位于集装箱的中部；所述电池管理系统主控模块BCU的能量输入端与输出12/24V的不间断电源UPS相连；所述电池系统包括17个电连接的电池模组和17个电池管理系统从控模块BMU。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备，具有以下有益效果：

1、在集装箱箱顶配备光伏组件，可起到遮阳防晒吸收光源的作用，一定程度上降低集装箱内部的环境温度；2、因光伏组件遮阳，集装箱内部可直接适配风扇系统替代空调系统，降低前期投入成本及运行能耗成本；3、光伏系统发电可直接供负载使用，减少工业用电成本；4、高压盒的电池管理系统主控模块BCU低压电源直接由EMS系统的UPS供电，节约成本及安装空间。

附图说明

图1为本发明使用锂电电池的集装箱储能设备的整体结构示意图；

图2为本发明使用锂电电池的集装箱储能设备的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1至图2，本发明使用锂电电池的集装箱储能设备，包括集装箱2以及设于集装箱2内底板上的电池系统1，还包括光伏系统8，所述光伏系统8与电池系统1电连接，所述光伏系统8设置于集装箱2顶部。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备还包括储能双向逆变器PCS3；所述光伏系统8包括光伏组件8.1、控制器DC/DC和逆变器UI，所述光伏组件8.1、控制器DC/DC和逆变器UI依次串联，所述逆变器UI的电力输出端与储能双向逆变器PCS3的交流端相连、并与电网或负载相连；所述电池系统1包括多个电连接的电池模组1.1，所述电池系统1的正极与储能双向逆变器PCS3的直流端正极相连，所述电池系统1的负极与储能双向逆变器PCS3的直流端负极相连。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备还包括高压盒6，所述高压盒6包括电池管理系统主控模块BCU、继电器KJ和分流器RW，所述继电器KJ一端与储能双向逆变器PCS3的直流端负极相连，所述继电器KJ另一端与分流器RW的一端相连，所述分流器RW的另一端与电池系统1的负极相连，所述电池管理系统主控模块BCU能量输入端与直流电源相连，所述电池管理系统主控模块BCU的控制端分别与继电器KJ两端相连，所述所述电池管理系统主控模块BCU的信号采集端与分流器RW一端相连、并与电池系统1的负极相连。

所述电池系统1还包括与每个电池模组1.1相对应的电池管理系统从控模块BMU，每个电池管理系统从控模块BMU的能量输入端与其对应的电池模组1.1的能量输出端相连，每个电池管理系统从控模块BMU的信号端与其对应的电池模组1.1的信号端相连，各个电池管理系统从控模块BMU的信号端通过CAN BUS总线通讯相连、并通过CAN BUS总线与高压盒6电池管理系统主控模块BCU的信号端相连。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备还包括能量管理系统EMS4，所述能量管理系统EMS4的信号端与储能双向逆变器PCS3的信号端相连。

所述能量管理系统EMS4还设有向其供电的不间断电源UPS，所述不间断电源UPS的输出端还与电池管理系统主控模块BCU的能量输入端相连。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备还包括风扇系统7，所述风扇系统7的信号端与能量管理系统EMS4的信号端相连，所述风扇系统7的输入端与电网相连，所述风扇系统7的风扇设置于集装箱2顶部内侧。

所述高压盒6还包括熔断器FU，所述熔断器FU的一端与储能双向逆变器PCS3的直流端正极相连，所述熔断器FU的另一端与电池系统1的负极相连。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备还包括监控系统9，所述监控系统9的输入端与电网相连，所述监控系统9的信号端与能量管理系统EMS4的信号端相连。

本发明使用锂电电池的集装箱储能设备还包括消防系统5、照明系统10和智能电表11，所述消防系统5的输入端与电网相连，所述消防系统5的信号端与能量管理系统EMS4的信号端相连；所述照明系统10的输入端与电网相连，所述照明系统10的信号端与能量管理系统EMS4的信号端相连；所述智能电表11一端与逆变器UI相连、并与电网或负载相连，所述智能电表11的另一端与储能双向逆变器PCS3的交流端相连；

所述电池系统1设置于集装箱2的一端，所述储能双向逆变器PCS3和能量管理系统EMS4设置于集装箱2的另一端，所述消防系统5和高压盒6位于集装箱2的中部；

所述电池管理系统主控模块BCU的能量输入端与输出12/24V的不间断电源UPS相连；

所述电池系统1包括17个电连接的电池模组1.1和17个电池管理系统从控模块BMU。

本发明包括集装箱系统及光伏系统8，所述集装箱系统由电池系统1、集装箱2、能量管理系统EMS4、储能双向逆变器PCS3、智能电表11、监控系统10、消防系统5、风扇系统7、高压盒6、照明系统10组成。所述集装箱系统的接口为380V交流电网和负载。

所述集装箱系统在用电高峰时放电，用于给工业园区的设备提供电力，在用电低谷期一般为夜间给电池系统1充电，削峰填谷使用节约工业用电成本。

光伏系统8由光伏组件8.1、控制器DC/DC及逆变器UI组成。安装于集装箱2的箱顶，光伏系统8在有光照的条件下发电直接给负载供电，节约用电成本。同时光伏组件8.1安装于集装箱2的箱顶，遮阳防晒吸收光源，可一定程度上降低集装箱2内部的运行温度，故集装箱2内部采用风扇系统7即可满足电池系统1适宜的放电运行温度条件要求。

所述电池系统1由电芯、结构件、连接铜排、采集线束及电池管理系统从控模块BMU组成。电池系统1负责储存和释放电能，由电池管理系统从控模块BMU监测电池信息及相关故障报警，保证系统正常运行。

所述集装箱2用于承载和安装固定内部各子系统，同时可满足一定的防水、防尘和保温性能，保证系统正常运行。

所述能量管理系统EMS4为微电网控制中心提供数据管理、监视、控制和优化，保障储能系统的稳定高效运行。所述能量管理系统EMS4为本发明内部的能源控制器提供功率和电压设定点，确保满足系统负荷需求；确保本发明使用锂电电池的集装箱储能设备满足与主网系统间的运行协议；尽可能使能源消耗与系统损耗最小；提供本发明在系统故障条件下孤岛运行与重合闸的逻辑与控制方法，包含并离网切换单元。能量管理系统4由不间断电源UPS供电，同时该电源为动力柜的电池管理系统主控模块BCU提供低压供电电源。

所述储能双向逆变器PCS3在放电阶段将电池系统1侧的直流电逆变为交流电给负载侧供电，在充电阶段将电网侧的交流电整流为直流电为电池系统1充电。同时可平衡分配电源模块的功率，保证电网系统的稳定运行，提供短时抗冲击能力，平滑供电。

所述智能电表11用于用电电量的数据采集，用于原始电能数据的采集、计量和传输。

所述监控系统9用于能量管理系统EMS4的信息实时显示及历史数据查看。

所述消防系统5是一种智能型自动灭火设备，当火灾探测器检测到火灾信号时，控制启动警铃及声光报警器，可通过手动启动或自动启动灭火设备，自动启动方式为检测到信号后联动关闭防护区开口，进入灭火启动延时，达到设定的延时时间后自动启动灭火设备。

所述风扇系统7用于集装箱2内部散热，使电池系统1在合适的温度范围内工作，通过温度传感器(图中未示出)检测的温度条件控制风扇的启动或关断。与空调系统相比可节约前期投入成本及后期能耗运营成本。

所述高压盒6包含电池管理系统主控模块BCU、继电器KJ、熔断器FU和分流器RW。电池管理系统主控模块BCU低压电源由能量管理系统EMS4的UPS提供，电池管理系统主控模块BCU进行电压、温度监测，具有故障诊断及保护功能。分流器RW用于电流检测，继电器KJ用于电池系统回路的吸合与断开，熔断器FU用于电池回路的短路保护。

所述照明系统10主要用于集装箱2内部照明，为安装及后期检修维护提供照明。

本发明技术原理如下：

如图1所示，本发明的结构设置：电池系统1电量、容量、电压等级均可以根据实际需求设计选配。电池系统1含电池管理系统BMS(由电池管理系统主控模块BCU和电池管理系统从控模块BMU组成)，实时监控电池模组1.1的电压、温度、电流信息，具有过充、过放保护、故障诊断及报警功能。电池箱体的固定支架可选用方管，通过焊接的方式固定在集装箱2的底板上，所述集装箱2保证有足够的强度来支撑电池包和固定支架的整体重量。所述集装箱2的尺寸根据电池系统1的额定电量和空间尺寸选定，有不同尺寸的标准集装箱2可供选用，内部结构根据实际需求布置。能量管理系统EMS4、储能双向逆变器PCS3、智能电表11、监控系统9、消防系统5、风扇系统7、高压盒6、照明系统10均安装在集装箱2内，保证整个储能系统的安全和正常运行。光伏系统8包含光伏组件8.1、控制器DC/DC和逆变器UI，光伏组件8.1安装于集装箱2箱顶，起到遮阳防晒的作用，同时能够发电经逆变器UI逆变后供负载使用。立柱在集装箱2箱顶生根固定，支架用镀锌方管焊接搭建，光伏组件8.1平放在支架胶条表面，使用幕墙结构胶固定，防水且吸收光能。

如图2所示，本发明的原理框图：电池系统1选用17个标准电池模组1.1串联成一个电池簇，每个电池模组1.1自带电池管理系统从控模块BMU，对电池模组1.1的单体电压、温度实时监控与通过CAN BUS总线与高压盒6内的电池管理系统主控模块BCU实时通讯，上报电池信息，对电池系统1进行保护及故障报警。所述电池系统1的对外接口直接与380V交流电网相连，所述光伏系统8发电经过逆变器UI后直接并入电网，供负载使用。电池系统1的直流电在用电高峰期根据负载功率，通过储能双向逆变器PCS3逆变为交流电后对外放电，供负载侧使用，达到设定的截止条件后停止放电；在用电低谷时，市电通过储能双向逆变器PCS3将交流电整流为直流电，对电池系统1充电，充满后停止。本发明使用锂电电池的集装箱储能设备削峰填谷，节约工业用电成本。在市电失压的情况下，可以利用本发明使用锂电电池的集装箱储能设备给负载供电，维持负载侧设备的基础运行。所述能量管理系统EMS4是本发明的重要组成部分，所述能量管理系统EMS4负责对系统运行情况实时监控，对重要历史数据处理并存入数据库(图中未示出)。储能双向逆变器PCS3接收能量管理系统EMS4的命令，进行并、离网操作；能量管理系统EMS4监测储能双向逆变器PCS3的相关参数，对直流侧、交流侧的相关参数实时监测，以及对日、累计充放电电量数据采集。能量管理系统EMS4负责接收监控电池管理系统BMS的电压、温度、电流、SOC、SOH等常用信息，并在电池系统1异常时上报告警，保护电池使用安全。能量管理系统EMS4同时监控负荷的电压、电流、功率等信息，且监控照明系统10、消防系统5，所述能量管理系统EMS4配置有UPS，提供自身及电池系统的低压供电电源。风扇系统7的子系统负责接收并执行辅助系统相关的指令包括开、关状态，反馈集装箱2内温度条件等。集装箱2内各系统协调配合，保障整个设备的安全稳定运行。

本发明是一种使用锂电电池的集装箱储能设备，可保障系统的稳定运行，有如下优势：

优点一：光伏组件8.1安装于集装箱2箱顶起到遮阳及吸收太阳光能的作用，可一定程度上降低集装箱2内部的温度；

优点二：因光伏系统8的安装，可选用风扇系统7替代空调系统，可有效降低前期因安装工业空调的投入成本及后期能耗运营成本；

优点三：光伏系统8的发电可直接通过逆变器UI给负载供电，减少工业用电电费，光伏系统8的发电量计算Ep＝HA*PAZ*K，其中Ep-为上网发电量(kW·h)，HA-为水平面太阳能年总辐照量(kW·h/m2)，PAZ-系统安装容量(kW)，K-综合效率系数，K的取值一般在75％-85％之间，视情况而定，可根据实际装机容量计算节约的电费成本；

优点四：高压盒6内电池管理系统BMS的电池管理系统主控模块BCU的低压电源直接由能量管理系统EMS4的UPS供电，节约成本及安装空间。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。