風(fēng)儲(chǔ)電池能量管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析

馬榮華，趙 嵩，魏 鑫

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450052；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州450052；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州450052)

風(fēng)儲(chǔ)電池能量管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析

馬榮華1，趙 嵩2，魏 鑫3

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450052；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州450052；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州450052)

主要對(duì)10 kW/20 kWh風(fēng)儲(chǔ)鋰電池的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)共包括2部分：儲(chǔ)能管理單元和電池管理單元。其中的儲(chǔ)能管理單元不僅可控制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電、還可監(jiān)測(cè)其狀態(tài)并對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;電池管理單元可通過監(jiān)測(cè)電池的溫度和電壓等對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)和均壓控制，通過這2個(gè)系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)可對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程進(jìn)行安全動(dòng)態(tài)管理。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，從而為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

儲(chǔ)能管理;電池管理;均壓控制

由于風(fēng)能的間歇性、隨機(jī)性及不可預(yù)測(cè)性，使得風(fēng)電的并網(wǎng)對(duì)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(duì)風(fēng)能的有效利用。由于電池儲(chǔ)能技術(shù)可使風(fēng)電功率實(shí)現(xiàn)時(shí)空的轉(zhuǎn)移，所以該技術(shù)是提高風(fēng)電并網(wǎng)能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理系統(tǒng)對(duì)電池儲(chǔ)能技術(shù)是至關(guān)重要的，通過該系統(tǒng)可對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)等，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)保護(hù)等[1]。目前，大規(guī)模的電池儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)還處于發(fā)展階段，相關(guān)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步的探索。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)-儲(chǔ)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成主要包括發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)及BESS(電池儲(chǔ)能系統(tǒng))等，風(fēng)-儲(chǔ)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行圖如圖1所示。電網(wǎng)根據(jù)自身需求和調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電的出力大小向ESMU(儲(chǔ)能管理單元)發(fā)送指令，在每個(gè)控制周期內(nèi)ESMU會(huì)根據(jù)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(diào)節(jié)儲(chǔ)能電池充電功率的值對(duì)BESS(電池儲(chǔ)能系統(tǒng))的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)充放電的功率和鋰電池的荷電狀態(tài)(簡(jiǎn)稱SOC)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率進(jìn)行調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的安全性。

圖1 風(fēng)-儲(chǔ)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行圖

圖1中的BESS主要包括鋰電池組、儲(chǔ)能交流器和10 kW/20 kWh鋰電池的能量管理系統(tǒng)3部分[2]，其中鋰電池組由180節(jié)40 Ah磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，共包括15箱，每箱12節(jié)，鋰電池的能量管理系統(tǒng)包括2部分：BMU(電池管理單元)和ESMU。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電時(shí)：

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電時(shí)：

式中：P(t)、E(t)、P(t+Δt)、E(t+Δt)分別表示t及t+Δt時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的功率及能量；η為系統(tǒng)充放電的功率；Δt為采樣的時(shí)間間隔。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電時(shí)其功率應(yīng)滿足：

式中：Pmax表示儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)的最大功率；Pdown.max、Pup.max分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)功率下降和上升的最大速率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在充放電時(shí)的能量必須滿足：

式中：Emax表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。

2 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ESMU設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的ESMU主要包括控制、通信、監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理四個(gè)模塊，如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

通信模塊的設(shè)計(jì)主要基于Modbus協(xié)議，通信介質(zhì)為串口線，與變流器之間的數(shù)據(jù)通信的建立通過RS-485接口，通信介質(zhì)為基于Modbus_TCP協(xié)議的網(wǎng)線，與電池之間的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，但所使用的數(shù)據(jù)均為符合Modbus應(yīng)用協(xié)議的報(bào)文，這不利于實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互。通過控制與監(jiān)測(cè)模塊可很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互，完成對(duì)交互指令的翻譯和通信的報(bào)文，同時(shí)通過與通信模塊之間的配合可對(duì)BESS的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制[3]?？刂颇K還可對(duì)變流器的工作時(shí)間、工作模式等進(jìn)行設(shè)定，監(jiān)測(cè)模塊可對(duì)電池的電流、電壓及溫度等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)還可動(dòng)態(tài)監(jiān)視變流器的交直流側(cè)的電流、電壓、功率等。

通過監(jiān)控和通信模塊可對(duì)BESS的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，但無法保存其運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)無法對(duì)其工作性能進(jìn)行分析。通過數(shù)據(jù)管理模塊可將ESMU的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制指令信息實(shí)時(shí)導(dǎo)入，同時(shí)可實(shí)時(shí)地分析BESS的工作性能。

可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)對(duì)BESS數(shù)據(jù)管理和分析的前提，本文的ESMU以SQL server為基礎(chǔ)建立了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)庫用于對(duì)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。本文所建立的數(shù)據(jù)庫中共包括電池信息表、變流器信息表、指令信息表、調(diào)度功率信息表4個(gè)父表，每個(gè)父表中還包括各子表的屬性信息，父表下屬的4個(gè)子表分別記錄電池的狀態(tài)、變流器狀態(tài)、控制指令的數(shù)據(jù)和調(diào)度功率的數(shù)據(jù)[4]。

2.2 BMU設(shè)計(jì)

電池組中的每箱電池配備一套用于采集每節(jié)電池電流I、溫度T、電壓U等信息的子能量管理單元，子能量管理單元負(fù)責(zé)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。

圖3 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(yù)設(shè)值相比較，當(dāng)總電壓或單體電壓或溫度等高于告警值時(shí)，BMU將發(fā)出警告信號(hào)，當(dāng)總電壓或單體電壓或溫度等高于保護(hù)值時(shí)，BMU內(nèi)的接觸器將會(huì)被觸發(fā)，電池停止工作。

3 能量管理系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 ESMU功能實(shí)現(xiàn)

ESMU中主要包括監(jiān)測(cè)、控制、數(shù)據(jù)管理3個(gè)主界面，通過這3個(gè)主界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充放電控制及數(shù)據(jù)管理。

ESMU控制主要由4部分組成。其中第一部分對(duì)BESS的控制模式進(jìn)行設(shè)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(dǎo)入的調(diào)度指令功率為依據(jù)控制BESS，同時(shí)通過調(diào)整BESS的充放電功率來滿足相應(yīng)的約束條件，避免電池充放電過度；第二部分主要對(duì)電流、功率及充放電的時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；第三部分主要用于顯示系統(tǒng)時(shí)間；第四部分主要對(duì)電池及變流器運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

ESMU的監(jiān)測(cè)共包括2部分。其中第一部分用于顯示變流器的相關(guān)信息，如電壓、交直流側(cè)電流及故障信息等；第二部分主要用于顯示電池的單體電壓、荷電狀態(tài)及故障信息等。

ESMU數(shù)據(jù)管理主要包括4部分。其中第一部分主要用于導(dǎo)入調(diào)度功率等，對(duì)充放電的電流、電壓等進(jìn)行選擇；第二部分主要對(duì)查看的時(shí)間段進(jìn)行設(shè)置；第三部分用于顯示所查看的結(jié)果；第四部分用于導(dǎo)出結(jié)果。

3.2 BMU功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的壽命受電池電壓的影響很大，本研究中對(duì)每箱電池均進(jìn)行均勻控制。均勻控制的過程為，對(duì)箱體內(nèi)每節(jié)電池的電壓進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行充電時(shí)，如果箱體中單節(jié)電池的最高端電壓與箱體中電池電壓的平均值相差20 mV以上時(shí)，啟動(dòng)均衡電路，此時(shí)單體電池中電壓值最高的會(huì)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20 mV；若二者之間的差值小于20 mV時(shí)，則不啟動(dòng)均衡電路[5]。當(dāng)系統(tǒng)放電時(shí)，與充電時(shí)所采用策略類似，圖4所示為控制的具體方法。最大放電與充電均衡的電流均為10 A。

圖4 BMU均壓的控制流程

電池組充電時(shí)，當(dāng)電池組的總電壓大于690 V或最大的單體電壓值大于3.60 V時(shí)，BMU會(huì)發(fā)出告警信號(hào)；當(dāng)電池組的總電壓大于700 V或最大的單體電壓值大于3.65 V時(shí)，BMU會(huì)向電池組與變流器間的斷路器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，斷開變流器與電池組之間的連接，同時(shí)停止對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電。電池組放電時(shí)，當(dāng)電池組的總電壓大于550 V或最小的單體電壓值大于2.90 V時(shí)，BMU會(huì)發(fā)出告警信號(hào)；當(dāng)電池組的總電壓大于520 V或單體電壓值大于2.70 V時(shí)，BMU會(huì)向電池組與變流器間的斷路器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，斷開變流器與電池組之間的連接，同時(shí)停止對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電。當(dāng)單節(jié)電池的溫度小于15℃或大于35℃時(shí)，BMU會(huì)發(fā)出告警信號(hào)；當(dāng)單節(jié)電池的溫度小于10℃或大于40℃時(shí)，BMU內(nèi)的接觸器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，停止充放電。

4 實(shí)驗(yàn)分析

通過所設(shè)計(jì)的ESMU，實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kW/20 kWh鋰電池的能量管理及對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的控制，通過充電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，本文主要分析了箱體內(nèi)的壓差實(shí)驗(yàn)和自定義的充放電的實(shí)驗(yàn)。

4.1 自定義充放電實(shí)驗(yàn)的分析

按圖5中的調(diào)度指令功率控制BESS的充放電，調(diào)度的周期設(shè)置為1 min，以所測(cè)得的變流器直流側(cè)的電壓及電流為依據(jù)計(jì)算所得功率，圖5(a)所示為實(shí)際功率，圖5(b)所示為鋰電池的SOC變化。觀察圖5可知，當(dāng)鋰電池的SOC或調(diào)度指令功率不在BESS的約束范圍內(nèi)時(shí)，ESMU則可實(shí)時(shí)地對(duì)BESS的充放電功率進(jìn)行調(diào)整，以滿足約束條件，同時(shí)提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性[6]。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

4.2 箱體內(nèi)的壓差分析

壓差分析是驗(yàn)證BMU均壓效果的一種有效手段，主要應(yīng)用ESMU中的數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)箱體內(nèi)某一時(shí)刻的壓差進(jìn)行分析。BMU工作時(shí)箱體內(nèi)的壓差如圖6所示，觀察可發(fā)現(xiàn)壓差的最大值為16 mV。關(guān)閉BMU后，對(duì)電池以20 A的電流進(jìn)行持續(xù)1.5 h的放電，圖7所示為放電完成后電池的壓差，觀察發(fā)現(xiàn)此時(shí)壓差的最大值為39.5 mV(遠(yuǎn)大于20 mV)，其他每節(jié)電池的壓差也均大于20 mV。通過這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BMU對(duì)電池的均壓控制和對(duì)電池一致性的保持的有效性。

圖6 BMU工作時(shí)箱體內(nèi)的壓差

圖7 放電完成后電池的壓差

5 結(jié)論

本文中設(shè)計(jì)了鋰電池的能量管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可控制對(duì)電池的充放電、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)、性能的分析，同時(shí)可對(duì)電池的溫度、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)及告警，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定及安全。最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)可使電池組中單節(jié)電池的壓差保持在20 mV之內(nèi)。

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Function design and experimental analysis of tenergy management system of wind energy storage battery

MA Rong-hua1,ZHAO Song2,WEI Xin3
(1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical Colleg,Zhengzhou Henan 450052,China;2.Zhengzhou University of Aeronautics,Zhengzhou Henan 450052,China;3.Seventh thirteen Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Zhengzhou Henan 450052,China)

This article mainly discusses the 10 kW/20 kWh lithium-ion battery energy management system to carry on the design,the design of the system includes two parts:storage management unit and battery management unit.The energy storage unit management not only can control the battery energy storage system charging and discharging,also can monitor the status and analyze the collected data; Battery management unit is by monitoring the temperature and voltage of the battery to protect the battery and equalizing control, through the two systems of coordinates safety on the charging and discharging process of energy storage system for dynamic management.In this paper,through experiments to validate the effectiveness of design system,so as to lay the ground for lithium battery energy storage system in the engineering application of certain basis.

energy storage management;battery management;pressure control

TM 614

A

1002-087 X(2017)07-1048-04

2016-12-31

國(guó)家自然科學(xué)基金(71371173)

馬榮華(1979—)，女，湖南省人，工學(xué)碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件及理論研究。