安科瑞 陳聰

摘要：主要對10kW/20kWh風儲鋰電池的能量管理系統(tǒng)進行設計，所設計的系統(tǒng)共包括2部分：儲能管理單元和電池管理單元。其中的儲能管理單元不僅可控制電池儲能系統(tǒng)充電和放電、還可監(jiān)測其狀態(tài)并對所收集的數據進行分析；電池管理單元可通過監(jiān)測電池的溫度和電壓等對電池進行實時保護和均壓控制，通過這2個系統(tǒng)的相互協調可對儲能系統(tǒng)的充放電過程進行安全動態(tài)管理。通過實驗對所設計系統(tǒng)的有效性進行驗證，從而為鋰電池儲能系統(tǒng)在工程中的應用奠定一定的基礎。

關鍵詞：儲能管理；電池管理；均壓控制

0引言

由于風能的間歇性、隨機性及不可預測性，使得風電的并網對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全有一定的威脅，這在一定程度上限制了對風能的有效利用。由于電池儲能技術可使風電功率實現時空的轉移，所以該技術是提高風電并網能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理系統(tǒng)對電池儲能技術是至關重要的，通過該系統(tǒng)可對儲能系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測等，同時還可實現對蓄電池的實時保護等。目前，大規(guī)模的電池儲能技術在我國還處于發(fā)展階段，相關能量管理系統(tǒng)的設計仍需進一步的探索。

1系統(tǒng)結構

風-儲聯網系統(tǒng)的組成主要包括發(fā)電機組、電網及BESS(電池儲能系統(tǒng))等，風-儲聯網系統(tǒng)的運行圖如圖1所示。電網根據自身需求和調度周期內風電的出力大小向ESMU(儲能管理單元)發(fā)送指令，在每個控制周期內ESMU會根據所得信息向變流器的控制系統(tǒng)發(fā)送充放電指令，即通過調節(jié)儲能電池充電功率的值對BESS(電池儲能系統(tǒng))的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，根據充放電的功率和鋰電池的荷電狀態(tài)(簡稱SOC)對儲能系統(tǒng)的充放電功率進行調整，從而提高系統(tǒng)的安全性。

圖一風-儲聯網系統(tǒng)的運行圖

2能量管理系統(tǒng)設計

2.1 ESMU設計

該系統(tǒng)的ESMU主要包括控制、通信、監(jiān)測和數據管理四個模塊，如圖2所示。通信模塊的設計主要基于Modbus協議，通信介質為串口線，與變流器之間的數據通信的建立通過RS-485接口，通信介質為基于Modbus_TCP協議的網線，與電池之間的數據通信主要通過RJ-45接口建立。

通過通信模塊可以與BESS中的某些部分實現數據通信，但所使用的數據均為符合Modbus應用協議的報文，這不利于實現人機之間的交互。通過控制與監(jiān)測模塊可很好地實現人機之間的交互，完成對交互指令的翻譯和通信的報文，同時通過與通信模塊之間的配合可對BESS的狀態(tài)進行實時的監(jiān)測和控制。控制模塊還可對變流器的工作時間、工作模式等進行設定，監(jiān)測模塊可對電池的電流、電壓及溫度等狀態(tài)進行監(jiān)視，同時還可動態(tài)監(jiān)視變流器的交直流側的電流、電壓、功率等。

通過監(jiān)控和通信模塊可對BESS的狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，但無法保存其運行時的數據，同時無法對其工作性能進行分析。通過數據管理模塊可將ESMU的狀態(tài)監(jiān)測數據和控制指令信息實時導入，同時可實時地分析BESS的工作性能?？煽康臄祿A是實現對BESS數據管理和分析的前提，本文的ESMU以SQLserver為基礎建立了實時的數據庫用于對所監(jiān)測的數據進行存儲。本文所建立的數據庫中共包括電池信息表、變流器信息表、指令信息表、調度功率信息表4個父表，每個父表中還包括各子表的屬性信息，父表下屬的4個子表分別記錄電池的狀態(tài)、變流器狀態(tài)、控制指令的數據和調度功率的數據。

2.2 BMU設計

電池組中的每箱電池配備一套用于采集每節(jié)電池電流、溫度、電壓等信息的子能量管理單元，子能量管理單元負責將所采集到的信息發(fā)送到主控管理單元，從而將信息傳至ESMU。圖3所示為BMU工作原理的示意圖。

BMU將所得的電池信息與電壓、溫度的預設值相比較，當總電壓或單體電壓或溫度等高于告警值時，BMU將發(fā)出警告信號，當總電壓或單體電壓或溫度等高于保護值時，BMU內的接觸器將會被觸發(fā)，電池停止工作。

3能量管理系統(tǒng)各功能的實現

3.1 ESMU功能實現

ESMU中主要包括監(jiān)測、控制、數據管理3個主界面，通過這3個主界面可以實現對儲能系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、充放電控制及數據管理。

ESMU控制主要由4部分組成。可以對BESS的控制模式進行設置，主要包括恒流、恒功率、恒壓充/放電及自定義充放電7種模式，自定義充放電模式以所導入的調度指令功率為依據控制BESS，同時通過調整BESS的充放電功率來滿足相應的約束條件，避免電池充放電過度；可以對電流、功率及充放電的時間進行設置；也可以用于顯示系統(tǒng)時間；以及對電池及變流器運行時的參數進行設置。

ESMU的監(jiān)測共包括2部分。可以用于顯示變流器的相關信息，如電壓、交直流側電流及故障信息等；也可以用于顯示電池的單體電壓、荷電狀態(tài)及故障信息等。

ESMU數據管理主要包括4部分。主要用于導入調度功率等，對充放電的電流、電壓等進行選擇；對查看的時間段進行設置；用于顯示所查看的結果；用于導出結果。

3.2 BMU功能實現

系統(tǒng)的壽命受電池電壓的影響很大，本研究中對每箱電池均進行均勻控制。均勻控制的過程為，對箱體內每節(jié)電池的電壓進行定時監(jiān)測，當系統(tǒng)進行充電時，如果箱體中單節(jié)電池的電壓與箱體中電池電壓的平均值相差20mV以上時，啟動均衡電路，此時單體電池中電壓值較高的會向整箱電池放電，直至箱體中電壓的平均值與其端電壓的差值小于20mV；若二者之間的差值小于20mV時，則不啟動均衡電路。

當系統(tǒng)放電時，與充電時所采用策略類似，圖4所示為控制的具體方法。較大放電與充電均衡的電流均為10A。

電池組充電時，當電池組的總電壓大于690V或單體電壓值大于3.60V時，BMU會發(fā)出告警信號；當電池組的總電壓大于700V或單體電壓值大于3.65V時，BMU會向電池組與變流器間的斷路器發(fā)出相應信號，斷開變流器與電池組之間的連接，同時停止對儲能系統(tǒng)的充電。電池組放電時，當電池組的總電壓大于550V或單體電壓值大于2.90V時，BMU會發(fā)出告警信號；當電池組的總電壓大于520V或單體電壓值大于2.70V時，BMU會向電池組與變流器間的斷路器發(fā)出相應信號，斷開變流器與電池組之間的連接，同時停止對儲能系統(tǒng)的放電。當單節(jié)電池的溫度小于15℃或大于35℃時，BMU會發(fā)出告警信號；當單節(jié)電池的溫度小于10℃或大于40℃時，BMU內的接觸器會產生相應動作，停止充放電。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)解決方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能，涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統(tǒng)對電池組性能進行實時監(jiān)測及歷史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優(yōu)化了電池性能，提高電池壽命。系統(tǒng)支持Windows操作系統(tǒng)，數據庫采用SQLServer。本系統(tǒng)既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

4.2適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

工商業(yè)儲能四大應用場景

1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

2）光儲充電站：光伏自發(fā)自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業(yè)園區(qū)微網、海島微網、偏遠地區(qū)微網為主，儲能起到平衡發(fā)電供應與用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業(yè)儲能探索融合發(fā)展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖2系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統(tǒng)PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統(tǒng)BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界面

圖13風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統(tǒng)信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.4.2發(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖16光伏預測界面

4.4.3策略配置

系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態(tài)擴容等。

圖17策略配置界面

4.4.4運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備規(guī)定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

4.4.5實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

4.4.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣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。

圖20歷史事件查詢

4.4.7電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統(tǒng)應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網系統(tǒng)電能質量界面

4.4.8遙控功能

應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

4.4.10統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統(tǒng)計報表

4.4.11網絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統(tǒng)拓撲界面

本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.12通信管理

可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖26通信管理

4.4.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

4.4.14故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

4.4.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故前*個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶規(guī)定和隨意修改。

圖29事故追憶

4.5系統(tǒng)硬件配置清單

5結　論

在設計和實現風儲電池能量管理系統(tǒng)的過程中,除了著眼于基本的控制策略功能實現以外,還需對其他影響系統(tǒng)可用性的因素加以關注。為避免電池、PCS、BMS、EMS、溫控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)的能量損耗導致儲能系統(tǒng)的能量持續(xù)降低,在風儲能量管理系統(tǒng)的設計中需要對上述損耗加以補償,選擇性功率偏置可以起到良好的效果。通過該系統(tǒng)可控制對電池的充放電、狀態(tài)監(jiān)測和運行狀態(tài)、性能的分析，同時可對電池的溫度、電壓進行實時保護及告警，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定及安全。

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