一种级联储能系统的控制系统的制作方法

1.本发明涉及储能系统的控制技术领域，特别涉及一种级联储能系统的控制系统。


背景技术：

2.随着电化学储能技术的发展应用以及国家为推动电化学储能装备技术发展所发布的相关扶持政策，使得电化学储能装备得以大规模的装机应用。目前储能系统的集成厂商众多，技术能力参差不齐，绝大多数储能系统的拓扑为单级直流电源加储能逆变器。储能逆变器通过专用变压器接入电网。受限于功率器件的技术参数、应用成熟度、价格等因数，此类单级拓扑结构的储能系统单机容量小、输出电压低、需要配置一套独立控制系统。为了满足大容量储能系统的应用需求，需要多套小容量储能系统在交流侧并联汇流，因此还需要配置专门的集中控制系统用来统一协调和控制每一套储能控制系统。这样的系统组成会使大容量的储能控制系统变得冗长且繁杂，系统内部主次逻辑不清晰，不利于储能系统的大容量应用和系统的扩容改造。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种级联储能系统的控制系统，级联储能系统的级联数量可根据系统输出电压、容量来确定，级联数量越多，系统输出电压越高，储能系统容量就越大，相比于背景描述的储能系统，此类级联储能系统的控制系统仅需要一套控制系统就满足要求，简化了控制系统结构，控制逻辑更加清晰。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
5.一种级联储能系统的控制系统，所述的控制系统用于级联拓扑结构的储能系统的控制，所述的级联拓扑结构的储能系统的每一级联的储能子系统配置电池簇单元和pcs单元，每个电池簇单元包括多个电池pack设备，多个级联储能子系统级联后形成级联储能系统。
6.所述的控制系统包括多个子控制系统，多个子控制系统分级控制，每一级子控制系统独立控制本级的设备并通过通讯方式与上下级控制系统连接；扩展后子控制系统不影响原控制系统的配置，不影响原控制系统运行稳定性；若某一级子控制系统故障后可自动旁路退出，不影响其它子控制系统的运行，直至旁路的子控制系统达到预先设定的阈值后，整个储能系统退出运行。
7.进一步地，所述的控制系统包括四级子控制系统和一级监控系统；
8.第一级控制层即一级子控制系统，功能是执行储能系统的运行控制、并离网控制、核心算法控制、通讯功能，它由一台主控制器组成；
9.第二级控制层即二级子控制系统，功能是执行储能系统中各级联pcs单元的控制和通讯，包括pcs控制主板、辅助控制板；
10.第三级控制层即三级子控制系统，功能是执行电池簇的控制、保护、电池簇内参数计算，包括多个电池簇控制器；
11.第四级控制层即四级子控制系统，功能是执行电池数据的采集、状态检测，包括多个电池pack控制器；
12.一级监控系统的功能是完成人机交互，是第一级控制层的上位机。
13.进一步地，除第一级控制层架构外，其它三级控制层架构的控制子系统均由多个子控制模块并联组成，当其中一个子控制模块发生故障时，该子控制模块可自动旁路退出，不会影响本级其它子控制模块的正常运行，从而保证了整个控制系统的正常运行，只有当旁路的子控制模块达到设定的上限值，整套控制系统才退出运行。
14.进一步地，第一级控制层中，主控制器采用高达100mbps*32bit的背板高速差分总线blvds通讯技术，高达4gbps的serdes高速串行通讯，该技术能够支持多个主控制器的自由扩展；主控制器包括cpu处理单元、通讯单元、模拟量采样单元、开关量输入输出单元。
15.进一步地，主控制器采用高速工业级浮点dsp设计，具备高速浮点运输能力，并且配置fpga处理单元，使得系统具备很强的分布式计算能力，以适应越来越复杂的大型控制系统的需求。主控制器可接入多路标准化接口设计，可满足各种接口且接口数量能够扩展。
16.进一步地，第二级控制层包括pcs控制主板和辅助控制板；pcs控制主板承担级联单元的控制、保护、监测及通讯功能，板卡采用fpga或其它cpu类芯片作为处理单元，配置多路光纤通讯模块与主控制器互联，板卡还具有多路模拟信号采集电路、多组igbt控制、多路do、多路di、多路can通讯、485通讯以及旁路开关控制接口旁路开关反馈接口；
17.辅助控制板负责与辅助设备进行互联，接口丰富，支持多种类信号的输入和输出，板卡由fpga作为主控芯片，使辅助设备控制板具有高速信号处理能力以及更大的并行度；板卡同时具备多路同步模拟采样，可采集电压、电流信号；多路can通讯、多路485通讯以及多路di&do，配置多路50mbd通信速率的光纤通讯模块与主控制器互联。
18.进一步地，第二级控制层中可根据系统规模配置多级pcs控制主板和辅助控制板，单一pcs主控制板可以与多路电池簇控制器互联。
19.进一步地，第三级控制层中，包括多个并联的电池簇控制器，它不仅要采集电池簇的端电压和电流，还要完成电池簇的均衡控制策略、电池及电池簇的故障诊断、电池簇的控制和保护、上下级通讯；电池簇控制器不仅与下级电池pack通讯，还要与上一级pcs控制主板通讯；它与电池pack控制器采用can通讯方式，与上一级pcs控制主板采用can、rs485通信功能。电池簇控制器支持掉电存储和数据存储功能；
20.单一电池簇控制器也可以与多路电池pac控制器互联。
21.进一步地，第四级控制架构中，包括多个并联的电池pack控制器，它内部集成数据采集模块和运算模块，将采集到的电池电压、温度等信号经过运算后，通过can通讯数据传输给电池簇控制器，电池pack控制器实时对单体电池的电压和温度监测，也可以对电池进行均衡管理来延长电池的使用寿命和提高电池的一致性。
22.进一步地，在监控层中，上位机安装储能监控软件，运行人员可以通过监控软件修改和下设相关的参数来进行日常操作，也可以实时查看储能系统运行状态，包括电池参数、级联pcs设备状态、录波数据、各层级设备之间的通讯状态信息、实时和历史的故障信息。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.1、本发明的控制系统架构呈树状结构，结构简单，每一层子控制系统相对独立，特别适用于大容量级联储能系统。
25.2、本发明的控制系统可根据储能系统的需求，通过扩展每一层的子控制系统的数量来进行储能控制系统的扩容。
26.3、对于某一级的子控制系统发生故障时可自动旁路退出，不影响整个储能系统的运行，提高了储能系统整体稳定性。
附图说明
27.图1是本发明中用于级联储能系统的控制系统控制框图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
29.一种级联储能系统的控制系统，所述的控制系统用于级联拓扑结构的储能系统的控制，所述的级联拓扑结构的储能系统的每一级联的储能子系统配置电池簇单元和pcs单元，每个电池簇单元包括多个电池pack设备，多个级联储能子系统级联后形成级联储能系统。
30.所述的控制系统包括多个子控制系统，多个子控制系统分级控制，每一级子控制系统独立控制本级的设备并通过通讯方式与上下级控制系统连接；扩展后子控制系统不影响原控制系统的配置，不影响原控制系统运行稳定性；若某一级子控制系统故障后可自动旁路退出，不影响其它子控制系统的运行，直至旁路的子控制系统达到预先设定的阈值后，整个储能系统退出运行。
31.如图1所示，本实施例中，所述的控制系统包括四级子控制系统和一级监控系统；
32.第一级控制层即一级子控制系统，功能是执行储能系统的运行控制、并离网控制、核心算法控制、通讯功能，它由一台主控制器组成；
33.第二级控制层即二级子控制系统，功能是执行储能系统中各级联pcs单元的控制和通讯，包括pcs控制主板、辅助控制板；
34.第三级控制层即三级子控制系统，功能是执行电池簇的控制、保护、电池簇内参数计算，包括多个电池簇控制器；
35.第四级控制层即四级子控制系统，功能是执行电池数据的采集、状态检测，包括多个电池pack控制器；
36.一级监控系统的功能是完成人机交互，是第一级控制层的上位机。
37.除第一级控制层架构外，其它三级控制层架构的控制子系统均由多个子控制模块并联组成，当其中一个子控制模块发生故障时，该子控制模块可自动旁路退出，不会影响本级其它子控制模块的正常运行，从而保证了整个控制系统的正常运行，只有当旁路的子控制模块达到设定的上限值，整套控制系统才退出运行。
38.1、第一级控制层中，主控制器采用高达100mbps*32bit的背板高速差分总线blvds通讯技术，高达4gbps的serdes高速串行通讯，该技术能够支持多个主控制器的自由扩展；主控制器包括cpu处理单元、通讯单元、模拟量采样单元、开关量输入输出单元。
39.主控制器采用高速工业级浮点dsp设计，具备高速浮点运输能力，并且配置fpga处理单元，使得系统具备很强的分布式计算能力，以适应越来越复杂的大型控制系统的需求。主控制器可接入多路标准化接口设计，可满足各种接口且接口数量能够扩展。
40.2、第二级控制层包括pcs控制主板和辅助控制板；pcs控制主板承担级联单元的控制、保护、监测及通讯功能，板卡采用fpga作为处理单元，配置多路光纤通讯模块与上位机互联，板卡还具有多路模拟信号采集电路、多组igbt控制、多路do、多路di、多路can通讯、485通讯以及旁路开关控制接口旁路开关反馈接口；
41.辅助控制板负责与辅助设备进行互联，接口丰富，支持多种类信号的输入和输出，板卡由fpga作为主控芯片，使辅助设备控制板具有高速信号处理能力以及更大的并行度；板卡同时具备多路同步模拟采样，可采集电压、电流信号；多路can通讯、多路485通讯以及多路di&do，配置多路50mbd通信速率的光纤通讯模块与上位机互联。
42.第二级控制层中可根据系统规模配置多级pcs控制主板和辅助控制板，单一pcs主控制板可以与多路电池簇控制器互联。
43.3、第三级控制层中，包括多个并联的电池簇控制器，它不仅要采集电池簇的端电压和电流，还要完成电池簇的均衡控制策略、电池及电池簇的故障诊断、电池簇的控制和保护、上下级通讯；电池簇控制器不仅与下级电池pack通讯，还要与上一级pcs控制主板通讯；它与电池pack控制器采用can通讯方式，与上一级主控制采用can、rs485通信功能。电池簇控制器支持掉电存储和数据存储功能；
44.单一电池簇控制器也可以与多路电池pac控制器互联。
45.4、第四级控制架构中，包括多个并联的电池pack控制器，它内部集成数据采集模块和运算模块，将采集到的电池电压、温度等信号经过运算后，通过can通讯数据传输给电池簇控制器，电池pack控制器实时对单体电池的电压和温度监测，也可以对电池进行均衡管理来延长电池的使用寿命和提高电池的一致性。
46.5、在监控层中，上位机安装储能监控软件，运行人员可以通过监控软件修改和下设相关的参数来进行日常操作，也可以实时查看储能系统运行状态，包括电池参数、级联pcs设备状态、录波数据、各层级设备之间的通讯状态信息、实时和历史的故障信。
47.监控层上位机网口与主控制器的录波板网口连接，设置两个网口的ip地址为同一网段，通讯协议为私有协议，传输的数据为主控制器上传的系统录波数据，用于记录储能系统的运行状态、设备参数等。另外，监控层上位机的另一网口与交换机、主控制器通讯板的网口连接，设置两个网口的ip地址为另一网段，通讯协议为iec103，主要传输数据为监控层下发的控制命令、保护参数、运行模式等。
48.如上所述，主控制器的录波板和通讯板都与上位机连接，但两个网口的ip地址设置为不同网段，用来传输不同的数据。主控制器了包括电源板、主控板、通讯板、录波板、模拟量采集板、脉冲板等，其中模拟量采样板用来采集外部模拟量信号，如系统电压、电流信号，一块模拟量采集板可采集12路外部模拟量信号。主控制器配置了三块脉冲板，可与多路pcs控制主板和辅助控制板进行光纤通讯，每一路pcs控制主板和辅助控制板使用一对光纤与脉冲板传输数据。脉冲板可根据pcs控制主板的级联数量来扩展板卡数量。主控制器配置了双路电源供电，满足控制器冗余电源配置，保证在单一回路失电后，控制器仍然能正常运行。
49.对于级联储能系统由多组pcs单元级联后接入，多级pcs单元级联后会使pcs单元对地电位很高，为了满足pcs控制主板供电电源的隔离需求，pcs控制主板供电前端采用隔离电源模块供电，从而保证了pcs控制系统供电的稳定性。pcs控制主板通过光纤与上级主
控制器脉冲板连接接收主控制器的指令，并且pcs控制主板采集pcs单元内部的电压、电流、温度等信号，经运算后完成pcs的控制和保护。
50.pcs控制主板与下级控制层电池簇控制器分别通过can和rs485通讯协议进行数据交换，电池簇控制器通过can通讯上传电池簇设备状态和故障信息，接收pcs对电池簇控制器的指令。电池簇控制器通过rs485上传经汇总后的电池状态信息。包括了电池单体电芯的电压、温度、soc/soh等。
51.辅助控制板的主要功能是采集辅助设备的信号(如风扇、排水阀等)、与pcs冷却设备进行通讯，辅助控制板将辅助设备的信息、pcs冷却设备的信息通过光纤通讯传输给上级主控制器，用于辅助设备的控制，辅助控制板通过光纤通讯接收来自主控制器的指令，指令包含了辅助控制设备的控制命令和pcs冷却单元的控制命令等。pcs控制主板与同一层级辅助控制板之间的通讯光纤通讯，通讯协议为私有协议。
52.电池簇控制器与电池pack控制器通过内部can通讯连接，电池簇控制器实现对电池的充放电管理、故障诊断、均衡控制策略等功能。每一个电池簇控制器可互连多路电池pack控制器。
53.电池pack控制器主要功能是对电池pack内的电芯控制和管理，采集电芯电压、电流、温度等参数，并将上述状态信息通过can通讯传输给电池簇控制器。电池簇控制器可以对每一路电池pack控制器进行内部地址分配和参数在线设置。
54.本发明中所述的每一级控制系统的程序更新、地址分配、参数设定都可以在线完成。
55.如上所述，本发明的级联储能系统的控制系统采用树状结构，系统结构简单，控制逻辑清晰，每一层的子控制功能模块化，易于开发和维护。不仅适用于级联结构的储能系统，而且有利于储能控制系统的扩容。
56.以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。