安科瑞 宣依依
【摘要】隨著分布式新能源和智能電網(wǎng)的發(fā)展,，微電網(wǎng)技術(shù)進步的需求越來越迫切。文章通過研究微電網(wǎng)的特點,，提出了一種用于改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的集裝箱儲能系統(tǒng),，包括儲能電池簇、電池管理系統(tǒng),、功率變換系統(tǒng),、儲能監(jiān)控系統(tǒng)等，設(shè)計出具有三層架構(gòu)的電池管理系統(tǒng)和多組電池獨立控制的功率變換系統(tǒng),，經(jīng)過實際運行證明能夠改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量,。
【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng)；集裝箱儲能系統(tǒng),；電池管理系統(tǒng),；功率變換系統(tǒng)
1微電網(wǎng)概述
近年來為了解決能源危機、環(huán)境問題以及提高電力供應(yīng)的可靠性,，分布式發(fā)電技術(shù)得到廣泛關(guān)注,。但是大量分布式電源的接入會給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量帶來負面影響,。為了解決電網(wǎng)和分布式發(fā)電之間的矛盾,，充分發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢，本世紀初,，學(xué)術(shù)界提出了微電網(wǎng)（MicroGrid,，MG）的概念，既可與電網(wǎng)并網(wǎng)運行,，也可在電網(wǎng)故障或需要時脫離主網(wǎng)獨立運行,。微電網(wǎng)扮演著雙重角色：對于電網(wǎng)來說是單一可控的單元，可接受控制信號并在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)來滿足系統(tǒng)的需要,；對于用戶,，微電網(wǎng)是可定制的電源,，能滿足用戶多樣化的需求。因此,，微電網(wǎng)已成為分布式發(fā)電*有效的利用方式,。典型微電網(wǎng)系統(tǒng)組成見圖1。
微電網(wǎng)系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機,、分布式光伏,、儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組,、微電網(wǎng)母線,、配電網(wǎng)以及各類負荷組成。其中光伏和光伏逆變器構(gòu)成光伏電源系統(tǒng),，與風(fēng)力發(fā)電機都屬于分布式電源,；儲能系統(tǒng)作為電能調(diào)節(jié)裝置；柴油發(fā)電機組作為輔助電源,；負荷由生產(chǎn)車間,、動力供應(yīng)點及其他負荷組成。
微電網(wǎng)中分布式電源的運行狀態(tài)很容易受到外界環(huán)境影響,，導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生波動,，影響微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。儲能系統(tǒng)接入微電網(wǎng),，可以作為后備電源提供短時供電,，也能夠解決電壓跌落、瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題,，通過調(diào)壓,、調(diào)頻以及系統(tǒng)故障時的低電壓穿越等維持系統(tǒng)穩(wěn)定，通過向電網(wǎng)及負荷提供有功和無功補償,、維持電壓穩(wěn)定等改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此儲能系統(tǒng)成為調(diào)節(jié)微電源性能,，保證負荷供電質(zhì)量,，抑制系統(tǒng)振蕩的重要環(huán)節(jié)，研究儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的意義,。
2集裝箱儲能系統(tǒng)
集裝箱儲能系統(tǒng)主要由儲能電池簇,、電池管理系統(tǒng)（BMS）、功率變換系統(tǒng)（PCS）,、儲能監(jiān)控系統(tǒng)（EMS）等組成,，見圖2。其技術(shù)核心是電池模塊和電池簇結(jié)構(gòu)設(shè)計,、電池管理系統(tǒng)技術(shù),、電池系統(tǒng)的控制技術(shù),、熱管理系統(tǒng)設(shè)計等。
圖2中,，儲能電池簇,、電池簇控制單元、PCS以及電網(wǎng)構(gòu)成動力主回路,，進行電能的轉(zhuǎn)換和輸入輸出,。儲能電池管理模塊（BMU）、組端采集模塊（BCMU）,、儲能系統(tǒng)管理單元（BAMS）,、PCS以及EMS構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸采集數(shù)據(jù),、報警信息和控制信號,，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的即時控制。BMU與儲能電池直接連接,，獲取單體電池的電壓,、溫度、SOC等信息,，其中均衡模塊可以對電池進行均衡維護,。BCMU連接至整組電池及動力主回路，可采集組端電壓,、主回路電流等信息,。其中斷路器（QF）、直流接觸器（KM）和熔斷器（FU）構(gòu)成主電路的保護和控制結(jié)構(gòu),，分流器（FL）用于采集電池簇電流,。
3兆瓦級集裝箱儲能系統(tǒng)介紹
某地區(qū)為了實現(xiàn)儲能與光伏能源互補，平滑隨機氣象,、技術(shù)原因引起的新能源間隙性波動,，實現(xiàn)清潔能源高效利用，同時達到針對峰谷電價策略,，按照夜儲日供的策略,，減少單位用電支出的目的，建設(shè)了總?cè)萘繛?.5MWh的集裝箱儲能系統(tǒng),，見圖3,。該集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以40尺標準集裝箱為載體，將磷酸鐵鋰電池系統(tǒng),、PCS,、BMS、EMS,、空調(diào)系統(tǒng),、消防系統(tǒng),、配電系統(tǒng)等集中在一個特制箱體內(nèi)，以實現(xiàn)高集成度,、大容量,、可移動的儲能裝置，具有隔熱,、恒溫,、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點,，滿足復(fù)雜環(huán)境下的使用,。
3.1磷酸鐵鋰電池簇
磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性，電池不會因過充,、過放,、溫度過高、短路,、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒,。同時磷酸鐵鋰電池為綠色環(huán)保電池，不含重金屬與稀有金屬,，無毒,、無污染。為達到系統(tǒng)功率和容量要求,，電池簇設(shè)計時采用8簇電池并聯(lián),，每簇96個6.4V320Ah電池模塊串聯(lián)，串并聯(lián)后總?cè)萘窟_到1.57MWh,。
3.2BMS
電池管理系統(tǒng)具備三層架構(gòu),，主要由單體電池管理模塊BMU、組端采集模塊BCMU,、儲能系統(tǒng)管理單元BAMS,、充/放電保護單元組成。
?。?）系統(tǒng)功能
BMS通過三層模塊實時檢測和上傳電池及電池簇電壓,、溫度、電流等電池參數(shù),，估算電池SOC、SOH,、電量等能量狀態(tài),，電池報警和保護，電池簇均衡,，BMS故障診斷,，與其他系統(tǒng)通信,，實現(xiàn)電池智能管理。BMU實現(xiàn)電池電壓和溫度模擬量測量,、電池電壓和溫度異常報警和上報,、電池SOC和SOH估算、電池均衡等功能,。BCMU實現(xiàn)電池簇電壓,、電流、環(huán)境溫度,、絕緣電阻檢測,，電池簇電壓、電流,、環(huán)境溫度,、絕緣異常報警，電池簇SOC估算,，執(zhí)行電池簇保護,，單體電池信息上傳等。BAMS上傳和匯總展示電池及電池簇信息,，電量計算,，BMS系統(tǒng)內(nèi)故障診斷，BMS參數(shù)設(shè)定,，電池簇就地監(jiān)控,，與PCS和EMS通信等。
?。?）通訊
模塊BMU,、BCMU、BAMS之間通過CAN總線高速率通訊,，能夠?qū)崟r獲取電池電壓,、電流、SOC,、溫度等信息,。同時自下而上地采集信息和自上而下地控制信號都能及時送達，保證了系統(tǒng)控制的即時和準確,。BMS和PCS采用基于RS485接口的MODBUS協(xié)議通信,。BMS與上級監(jiān)控主機使用RJ45通信，數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP及MODBUS協(xié)議,。因此通過遠程服務(wù)器經(jīng)以太網(wǎng)可對集裝箱儲能系統(tǒng)進行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理,，實現(xiàn)遙測、遙信,、遙控,，使儲能系統(tǒng)得以及時的維護,，保證儲能系統(tǒng)的安全運行，提高供電系統(tǒng)的可靠性,。
3.3PCS
電池簇通過功率變換系統(tǒng)與電網(wǎng)交換能量,，起到了電池與電網(wǎng)間連接的接口作用，實現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)間的雙向交換,。該儲能系統(tǒng)需要實現(xiàn)四組電池的單獨控制,，通過投切靈活配置容量，DC/DC變換器采用下垂控制,。
由于單級型功率變換系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)容量不能隨時改變,，儲能系統(tǒng)電壓輸出不穩(wěn)定，均流特性較差,。該微電網(wǎng)中的功率變換系統(tǒng)作為光儲互補系統(tǒng)的一部分,，需要實現(xiàn)多組電池的獨立控制、系統(tǒng)容量的自由配置及根據(jù)實際情況投切電池簇,，故功率變換系統(tǒng)設(shè)計為多級型拓撲結(jié)構(gòu),。多級型功率變換系統(tǒng)將蓄電池簇產(chǎn)生的直流電能先經(jīng)過DC/DC變換器升壓，再供給PWM變流器作為直流側(cè)輸入電壓,，經(jīng)逆變后輸入電網(wǎng),。反之電網(wǎng)產(chǎn)生的交流電能，經(jīng)過PWM變流器整流成直流電壓,，經(jīng)過DC/DC變換器降壓,，輸出儲能電池簇的充電電壓。
3.4EMS
EMS搭載在控制主機上,，采用B/S架構(gòu)設(shè)計,，通過以太網(wǎng)通信獲取電池、BMS,、
PCS的基本信息以及儲能系統(tǒng)工作環(huán)境狀態(tài)信息等基本數(shù)據(jù),，并對其處理分析，智能管理,、
控制調(diào)度電池模塊充放電,；EMS具有可視化交互界面，實時更新顯示儲能系統(tǒng)狀態(tài),；EMS將運行過程中的儲能系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù),、故障報警數(shù)據(jù)、工作人員操作信息等,，記錄并存入數(shù)據(jù)庫,，以供調(diào)用、查詢。EMS還能對電池做在線的,、實時的健康狀態(tài)評估，便于用戶及時了解電池的性能,，提高工作效率,，減少工作負擔。
4優(yōu)勢
本文設(shè)計的集裝箱儲能系統(tǒng)具有可移動,、靈活性強,、可擴充、可拆卸等功能,，無論從商業(yè)角度還是技術(shù)角度都有一定的實用價值,。其主要特點有以下幾面：
（1）模塊化：集裝箱集成了完整的儲能系統(tǒng)設(shè)備,，外形上具有標準的尺寸,，方便海運和陸運。它可以用起重機吊裝,，適用于船舶,、卡車和安置地點的裝卸，可快速安裝,、投運和改造,。
（2）靈活接口：集裝箱儲能系統(tǒng)的動力,、通信等接口采用標準化設(shè)計,，適用任何接入需求，如空調(diào),、光伏,、風(fēng)機、電力電纜和其他設(shè)備的接入,。
?。?）良好的保護：集裝箱本身具備穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)和良好的密封性，能防塵,、防腐,、防潮，在運輸過程中保護內(nèi)在設(shè)備和設(shè)施,，并在儲能系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護,，免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害,。
?。?）可移動性：綜合比較其他儲能電池，鋰電池能量密度高，可移動性強,，不受地域限制,，便于裝卸和運輸。
5應(yīng)用
集裝箱儲能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)母線,，微電網(wǎng)根據(jù)峰谷特性,，在谷段對電池進行充電，將多余電能儲存起來,，在峰段將能量回饋給電網(wǎng),。風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)控制選擇接入母線,；接入母線時,，可以將風(fēng)電、光伏等能量儲存起來,，真正實現(xiàn)了“負荷調(diào)節(jié),、配合新能源接入、彌補線損,、功率補償,、提高電能質(zhì)量"，也可以實現(xiàn)孤網(wǎng)運行功能,。儲能電池簇充電結(jié)束處于備用狀態(tài),，可由后臺統(tǒng)一控制回饋電網(wǎng)。以兆瓦級儲能系統(tǒng)作為一個單元,，適用范圍廣,，可以通過多個單元并聯(lián)組合擴充容量。
Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)
6.1系統(tǒng)概述
安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES,，專門針對工商業(yè)儲能柜,、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS,、BMS,、電表、消防,、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲,、數(shù)據(jù)查詢與分析,、可視化監(jiān)控、報警管理,、統(tǒng)計報表等功能,。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制,、防逆流等控制功能,。
6.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
6.3系統(tǒng)功能
6.3.1實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機界面友好,，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS,、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量,、溫度,、濕度等。實時顯示有關(guān)故障,、告警,、收益等信息。
6.3.2設(shè)備監(jiān)控
系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS,、BMS,、電表、空調(diào),、消防,、除濕機等設(shè)備的運行狀態(tài)及運行模式。
PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置,；運行模式設(shè)置,；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流,、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示,；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài),、開關(guān)狀態(tài),、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。
BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置,；實現(xiàn)儲能電池的電芯,、電池簇的溫度、電壓,、電流的監(jiān)測,；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓,、電流及溫度異常狀態(tài)的告警,。
空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù),，以曲線形式進行展示,。
UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。
6.3.3曲線報表
系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線,、SOC變換曲線,、及電壓、電流,、溫度等歷史曲線的查詢與展示,。
6.3.4策略配置
滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)置,、控制策略的選擇,。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷,、需量控制等,。
6.3.5實時報警
儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限,、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
6.3.6事件查詢統(tǒng)計
儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位,，溫濕度,、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯,，查詢統(tǒng)計,、事故分析。
6.3.7遙控操作
可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS,、風(fēng)機,、除濕機、空調(diào)控制器,、照明等設(shè)備進行相應(yīng)的控制,，但是當設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài),。
6.3.8用戶權(quán)限管理
儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作,，數(shù)據(jù)庫修改等）,。可以定義不同級別用戶的登錄名,、密碼及操作權(quán)限,，為系統(tǒng)運行,、維護、管理提供可靠的安全保障,。
7結(jié)束語
本文提出了一套適用于微電網(wǎng)的集裝箱儲能系統(tǒng),，該集裝箱儲能系統(tǒng)主要包含磷酸鐵鋰電池簇、電池管理系統(tǒng),、功率變換系統(tǒng)和儲能監(jiān)控系統(tǒng),，詳細介紹了每個系統(tǒng)的作用及相互間的聯(lián)系。本文提出的集裝箱儲能系統(tǒng)設(shè)計方案已經(jīng)在1.5MWh微電網(wǎng)儲能項目中投入使用,，在長期運行過程中證實了該方案的實用性及可行性,，對改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量起到了積極作用。
參考文獻
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