CN104037899B - 一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统 - Google Patents

Abstract

一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，包括报警系统和多组蓄电池保护器，每组蓄电池保护器包括状态监控器和多个保护模块，每个保护模块包括二极管、电抗器、限流电阻和IGBT，所述二极管的阴极和阳极分别与该保护模块所对应的蓄电池模组的正极和负极连接；所述电抗器的一端与对应蓄电池模组的正极相连，另一端依次经限流电阻和IGBT与对应蓄电池模组的负极连接；IGBT的栅极接状态监控器，所述状态监控器输出的报警信号接报警系统。本发明在电池模组充电过程和放电过程中均能起到保护作用，可有效防止蓄电池提前失效，而且退出或更换失效蓄电池模组时不影响其它蓄电池的正常充放电，提高了整个储能系统的运行可靠性。

Description

一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统

技术领域

本发明涉及一种用于光伏电站中大容量储能蓄电池的运行保护系统，属于保护技术领域。

背景技术

太阳能光伏电站可集中利用太阳光能进行兆瓦级大功率发电，具有不消耗一次能源、无污染、无噪声、方便建设等优点。由于光伏电源输出特性受阳光、温度影响很大，并且输出电压随负载波动大幅变化，因此光伏电站具有发电功率不稳定和供电电能质量较差的缺点，给电网调度和稳定运行带来不利影响。所以在光伏电站运行过程中，需要根据电网调度和电能质量的要求，依靠大容量蓄电池储能系统的能量缓冲作用来集中控制光伏电站的出力和电能质量。

由于光伏电站中储能系统电压高、容量大，无论采用何种类型的蓄电池，均需要将大量的蓄电池进行串联和并联以达到电站所需要的电压和功率。因为蓄电池在生产过程中无法做到全部均匀一致，各单体之间存在一定的差异，特别是在运行一段时间以后各自的荷电状态和充放电能力不会完全相同，在流过相同电流的同一串联支路中，每块蓄电池的电压不再相等。有的蓄电池充电时电压会高于其最高充电电压，容易导致过充失效；放电时病态蓄电池的电压会低于其它蓄电池，情况严重时会出现过放电现象，加速了其失效过程。一个或几个蓄电池失效后，其它蓄电池的运行状态均会受到影响，可导致整串蓄电池提前报废，如果是锂离子电池还有可能出现高温起火事故，影响整个光伏电站的正常运行。

为了解决这一问题，一些研究人员采用电阻分压的方法解决蓄电池充电时各模块的电压不能均匀分配的问题，这种方法对于长期处于浮充状态的小容量串联连接的蓄电池组比较有效，但对于经常大功率充放电的光伏电站储能蓄电池组作用不大，而且存在一定的电能损耗。另有研究人员采用在蓄电池上并联稳压二极管的方法防止过充现象的发生，这种方法的优点是在蓄电池正常状态下不存在电能损耗，但是目前稳压二极管的最大电流只能达到几个安培，对于容量较大的储能蓄电池组同样不能起到保护作用。

为了避免光伏电站储能蓄电池提前失效带来的安全问题，电站运行人员不得不减少储能系统的出力，有的光伏电站储能系统充放电功率达不到额定功率的20%、充放电容量限制在最大荷电量的10%以内。致使光伏电站输出功率无法满足电网调度的要求，只能按照太阳光照度变化情况随机发电，输出的电能质量也无法得到有效保证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，以及时发现和排除电池故障，保证整个光伏电站正常运行。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，构成中包括报警系统和多组蓄电池保护器，每组蓄电池保护器包括状态监控器和多个保护模块，每个保护模块包括二极管、电抗器、限流电阻和IGBT，所述二极管的阴极和阳极分别与该保护模块所对应的蓄电池模组的正极和负极连接；所述电抗器的一端与对应蓄电池模组的正极相连，另一端依次经限流电阻和IGBT与对应蓄电池模组的负极连接；IGBT的栅极接状态监控器，所述状态监控器输出的报警信号接报警系统，所述光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统按如下方式运作：

每组蓄电池保护器中的状态监控器实时监测被保护的多个蓄电池模组的运行状态（包括充电状态、放电状态和待机运行状态）和端电压，并根据不同的监测信息输出不同的控制和报警信号：

a.当蓄电池模组为放电状态时，状态监控器控制本组的所有保护模块中的IGBT保持截止状态，若某蓄电池模组的放电电压低于设定的阈值，状态监控器向报警系统输出该蓄电池模组的编号信息，由报警系统通知运行人员退出或更换该蓄电池模组；

b.当蓄电池模组为充电状态时，若某蓄电池模组的端电压检测值正常，状态监控器控制其保护模块中的IGBT保持截止状态；若某蓄电池模组的充电电压高于设定的阈值，状态监控器控制该保护模块中的IGBT以脉宽调制方式导通，使多余的电流从IGBT流过，并通过报警系统给出蓄电池模组的编号，以引起运行人员对该蓄电池模组的注意；

c.当蓄电池模组为待机运行状态时，状态监控器控制本组的所有保护模块中的IGBT保持截止状态。

上述光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，所述IGBT带有反并联二极管。

上述光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，每组蓄电池保护器所包含的保护模块的数量为6个。

本发明利用保护模块中的电力电子器件实时控制被保护蓄电池模组的充电电流、充电电压和放电电流路径，有效减少了蓄电池提前失效情况的发生，而且退出或更换失效蓄电池模组时不影响其它蓄电池的正常充放电，提高了整个储能系统的运行可靠性。该保护系统反应速度快、控制精度高、功率穿透能力强、在充电过程和放电过程中均能起到保护作用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的系统结构框图；

图2是蓄电池保护器单元的电原理图。

图中各标号清单为：U _B1～U _BN、第一蓄电池模组～第N蓄电池模组，P1～P6、第一保护模块～第六保护模块，L、电抗器，R、限流电阻，T、IGBT，D、二极管。

具体实施方式

本发明根据光伏电站蓄电池储能系统的具体情况，将蓄电池组按容量和连接方式分成N个模组，每个模组所包括的蓄电池数量可自行设计、不必完全相同，既可以是单块蓄电池也可以是多块蓄电池的组合，为了安装和查找方便可以按照蓄电池连接顺序进行编号。然后为每6个蓄电池模组安装一个蓄电池保护器。

本发明包括多组蓄电池保护器和报警系统，每组蓄电池保护器包括6个保护模块和一个状态监控器。每个保护模块用来保护一个蓄电池模组，每个保护模块中包含一个二极管、一个电抗器、一个限流电阻和一个带有反并联快恢复二极管的IGBT。状态监控器实时检测被保护的6个蓄电池模组的运行状态，控制6个保护模块中的IGBT，并将运行状态失常的蓄电池模组信息传送到报警系统。

图1中，U _B1～U _B12～U _BN为被保护的蓄电池模组；第一蓄电池保护器对前6个蓄电池模组进行保护，第二蓄电池保护器对后续6个蓄电池模组进行保护，依此类推；报警系统接收各保护器中状态监控器的信息，对有问题的蓄电池模组给出报警信息。

图2中，U _B1～U _B6为被保护的6个蓄电池模组，分别由第一保护模块P1～第六保护模块P6对其进行运行状态保护；保护模块中的L为电抗器、D为大功率二极管、R为限流电阻、T为大功率IGBT；状态监控器负责对6个蓄电池模组的电压进行测量并对6个IGBT进行运行状态控制，发现有问题的蓄电池模组时将其信息传递给报警系统。

该保护系统的安装和使用按以下步骤进行：

A. 对光伏电站储能蓄电池进行模组编号，并为每6个蓄电池模组安装一个蓄电池保护器。

B. 根据每个蓄电池模组的具体连接情况设置相应状态监控器中该蓄电池模组的正常工作电压范围。

C. 安装调试工作完成后，保护系统按照如下运行方式进行相应操作。

①、每个保护器中的状态监控器实时检测被保护的6个蓄电池模组的运行状态和端电压，根据蓄电池模组的运行情况实时控制相应保护模块中IGBT的运行状态。报警系统循环检测所有状态监控器传送来的蓄电池模组信息，为运行人员提供存在问题蓄电池模组的维修建议。

②、当蓄电池模组为放电状态时，状态监控器控制本组6个保护模块中的IGBT保持截止状态。若某蓄电池模组可以正常放电，其端电压正常，其保护模块中无任何其它动作。若某蓄电池模组放电电压过低甚至失效，状态监控器通知报警系统给出该蓄电池模组的编号信息，通知运行人员退出或更换该蓄电池模组。该保护模块中的二极管D可以为同一串联支路中其它蓄电池模组提供放电通路，所以在退出或更换该蓄电池模组的过程中可以不停电，有效避免了故障蓄电池模组对整个储能系统的影响，提高了储能系统的运行可靠性。

③、当蓄电池模组为充电状态时，若某蓄电池模组可以正常充电，其端电压检测正常，其保护模块中的IGBT保持截止状态，保护模块中无任何其它动作。若某蓄电池模组充电电压过高，状态监控器控制该保护模块中的IGBT以脉宽调制方式导通，多余的电流经IGBT流过，在保证该蓄电池模组不过充的情况下，其它蓄电池模组可以继续充电，有效提高了整个蓄电池储能系统的充电可靠性。此时，报警系统给出充电电压过高蓄电池模组的编号，以引起运行人员对该蓄电池模组的注意。

④、当蓄电池储能系统为待机运行状态时，整个保护系统无任何动作和电能损耗。

本发明将多组保护器和报警系统构成的蓄电池运行保护系统安装在光伏电站的蓄电池储能系统中，通过保护模块中的电力电子器件实时控制被保护蓄电池模组的充电电流、充电电压和放电电流路径，配合蓄电池模组运行状态报警信息，有效避免了蓄电池提前失效情况的发生以及更换失效蓄电池模组时带来的停电影响，延长了蓄电池运行年限，提高了整个储能系统的运行性能。该系统反应速度快、控制精度高、功率穿透能力强、在蓄电池充电过程中和放电过程中均能起到保护作用。

Claims (3)

1.一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，其特征是，所述系统包括报警系统和多组蓄电池保护器，每组蓄电池保护器包括状态监控器和多个保护模块，每个保护模块包括二极管（D）、电抗器（L）、限流电阻（R）和IGBT（T）；所述二极管（D）的阴极和阳极分别与该保护模块所对应的蓄电池模组的正极和负极连接；所述电抗器（L）的一端与对应蓄电池模组的正极相连，另一端依次经限流电阻（R）和IGBT（T）与对应蓄电池模组的负极连接；IGBT（T）的栅极接状态监控器，所述状态监控器输出的报警信号接报警系统，所述光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统按如下方式运作：

每组蓄电池保护器中的状态监控器实时监测被保护的多个蓄电池模组的运行状态，包括充电状态、放电状态、待机运行状态和端电压，并根据不同的监测信息输出不同的控制和报警信号：

a.当蓄电池模组为放电状态时，状态监控器控制本组的所有保护模块中的IGBT（T）保持截止状态，若某蓄电池模组的放电时的端电压低于设定的阈值，状态监控器向报警系统输出该蓄电池模组的编号信息，由报警系统通知运行人员退出或更换该蓄电池模组；

b.当蓄电池模组为充电状态时，若某蓄电池模组的端电压检测值正常，状态监控器控制其保护模块中的IGBT（T）保持截止状态；若某蓄电池模组的充电时的端电压高于设定的阈值，状态监控器控制该保护模块中的IGBT（T）以脉宽调制方式导通，使多余的电流从IGBT（T）流过，并通过报警系统给出蓄电池模组的编号，以引起运行人员对该蓄电池模组的注意；

c.当蓄电池模组为待机运行状态时，状态监控器控制本组的所有保护模块中的IGBT（T）保持截止状态。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，其特征是，所述IGBT（T）带有反并联二极管（D）。

3.根据权利要求1或2所述的一种光伏电站大容量储能蓄电池运行保护系统，其特征是，每组蓄电池保护器所包含的保护模块的数量为6个。