集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

郭振　詹梨梨　王冬林　陳頡

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(jìn)步的需求越來越迫切。文章通過研究微電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種用于改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括儲(chǔ)能電池簇、電池管理系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)、儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)出具有三層架構(gòu)的電池管理系統(tǒng)和多組電池獨(dú)立控制的功率變換系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng);電池管理系統(tǒng);功率變換系統(tǒng)

中圖分類號：TM732? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0177-03

Abstract： With the development of renewable energy sources and smart grid， the demand for Microgrid development is becoming more and more urgent. By studying the characteristics of Microgrid， this paper proposes a containerized battery energy storage system for improving the power quality of Microgrid， including battery racks， battery management system， power converter， energy storage supervisory， etc. The battery management system has the architecture of three layers. The power converter can realize independent control of battery racks. The power quality of the Microgrid has improved in practical run.

Keywords： Microgrid; containerized battery energy storage system; battery management system; power converter

1 微電網(wǎng)概述

近年來為了解決能源危機(jī)、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(huì)給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量帶來負(fù)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(jì)初，學(xué)術(shù)界提出了微電網(wǎng)（MicroGrid，MG）的概念[1]，既可與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)脫離主網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)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，可接受中心控制信號并在數(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)電最有效的利用方式。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(jī)、分布式光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組、微電網(wǎng)母線、配電網(wǎng)以及各類負(fù)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(jī)都屬于分布式電源;儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電能調(diào)節(jié)裝置;柴油發(fā)電機(jī)組作為輔助電源;負(fù)荷由生產(chǎn)車間、動(dòng)力供應(yīng)點(diǎn)及其他負(fù)荷組成。

微電網(wǎng)中分布式電源的運(yùn)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(dòng)，影響微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)，可以作為后備電源提供短時(shí)供電，也能夠解決電壓跌落、瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)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(shí)的低電壓穿越等維持系統(tǒng)穩(wěn)定，通過向電網(wǎng)及負(fù)荷提供有功和無功補(bǔ)償、維持電壓穩(wěn)定等改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)成為調(diào)節(jié)微電源性能，保證負(fù)荷供電質(zhì)量，抑制系統(tǒng)振蕩的重要環(huán)節(jié)，研究儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的意義[2]。

2 集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)

集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池簇、電池管理系統(tǒng)（BMS）、功率變換系統(tǒng)（PCS）、儲(chǔ)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(jì)、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(jì)等。

圖2中，儲(chǔ)能電池簇、電池簇控制單元、PCS以及電網(wǎng)構(gòu)成動(dòng)力主回路，進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換和輸入輸出。儲(chǔ)能電池管理模塊（BMU）、組端采集模塊（BCMU）、儲(chǔ)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(bào)警信息和控制信號，實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)能系統(tǒng)的即時(shí)控制。BMU與儲(chǔ)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(jìn)行均衡維護(hù)。BCMU連接至整組電池及動(dòng)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(hù)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(chǔ)能系統(tǒng)介紹

某地區(qū)為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與光伏能源互補(bǔ)，平滑隨機(jī)氣象、技術(shù)原因引起的新能源間隙性波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清潔能源高效利用，同時(shí)達(dá)到針對峰谷電價(jià)策略，按照夜儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，見圖3。該集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是以40尺標(biāo)準(zhǔn)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(gè)特制箱體內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)高集成度、大容量、可移動(dòng)的儲(chǔ)能裝置，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風(fēng)沙等特點(diǎn)，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(huì)因過充、過放、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。同時(shí)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(dá)到系統(tǒng)功率和容量要求，電池簇設(shè)計(jì)時(shí)采用8簇電池并聯(lián)，每簇96個(gè)6.4V320Ah電池模塊串聯(lián)，串并聯(lián)后總?cè)萘窟_(dá)到1.57MWh。

3.2 BMS

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(chǔ)能系統(tǒng)管理單元BAMS、充/放電保護(hù)單元組成。

（1）系統(tǒng)功能

BMS通過三層模塊實(shí)時(shí)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(bào)警和保護(hù)，電池簇均衡，BMS故障診斷，與其他系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)電池智能管理。BMU實(shí)現(xiàn)電池電壓和溫度模擬量測量、電池電壓和溫度異常報(bào)警和上報(bào)、電池SOC和SOH估算、電池均衡等功能。BCMU實(shí)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(bào)警，電池簇SOC估算，執(zhí)行電池簇保護(hù)，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(jì)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。

（2）通訊

模塊BMU、BCMU、BAMS之間通過CAN總線高速率通訊，能夠?qū)崟r(shí)獲取電池電壓、電流、SOC、溫度等信息。同時(shí)自下而上地采集信息和自上而下地控制信號都能及時(shí)送達(dá)，保證了系統(tǒng)控制的即時(shí)和準(zhǔn)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(jī)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(yuǎn)程服務(wù)器經(jīng)以太網(wǎng)可對集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控，使儲(chǔ)能系統(tǒng)得以及時(shí)的維護(hù)，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高供電系統(tǒng)的可靠性。

3.3 PCS

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(shí)現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)間的雙向交換[3]。該儲(chǔ)能系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)四組電池的單獨(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)容量不能隨時(shí)改變，儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓輸出不穩(wěn)定，均流特性較差[4]。該微電網(wǎng)中的功率變換系統(tǒng)作為光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)的一部分，需要實(shí)現(xiàn)多組電池的獨(dú)立控制、系統(tǒng)容量的自由配置及根據(jù)實(shí)際情況投切電池簇，故功率變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多級型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。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(chǔ)能電池簇的充電電壓。

3.4 EMS

EMS搭載在控制主機(jī)上，采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過以太網(wǎng)通信獲取電池、BMS、PCS的基本信息以及儲(chǔ)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(shí)時(shí)更新顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài);EMS將運(yùn)行過程中的儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報(bào)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(shí)時(shí)的健康狀態(tài)評估，便于用戶及時(shí)了解電池的性能，提高工作效率，減少工作負(fù)擔(dān)。

4 優(yōu)勢

本文設(shè)計(jì)的集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可移動(dòng)、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)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(shí)用價(jià)值。其主要特點(diǎn)有以下幾面：

（1）模塊化：集裝箱集成了完整的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備，外形上具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，方便海運(yùn)和陸運(yùn)。它可以用起重機(jī)吊裝，適用于船舶、卡車和安置地點(diǎn)的裝卸，可快速安裝、投運(yùn)和改造。

（2）靈活接口：集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)力、通信等接口采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適用任何接入需求，如空調(diào)、光伏、風(fēng)機(jī)、電力電纜和其他設(shè)備的接入。

（3）良好的保護(hù)：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(yùn)輸過程中保護(hù)內(nèi)在設(shè)備和設(shè)施，并在儲(chǔ)能系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護(hù)，免受天氣、運(yùn)輸及其他環(huán)境的侵害。

（4）可移動(dòng)性：綜合比較其他儲(chǔ)能電池，鋰電池能量密度高，可移動(dòng)性強(qiáng)，不受地域限制，便于裝卸和運(yùn)輸。

5 應(yīng)用

集裝箱儲(chǔ)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(jìn)行充電，將多余電能儲(chǔ)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(shí)，可以將風(fēng)電、光伏等能量儲(chǔ)存起來，真正實(shí)現(xiàn)了“負(fù)荷調(diào)節(jié)、配合新能源接入、彌補(bǔ)線損、功率補(bǔ)償、提高電能質(zhì)量”，也可以實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行功能。儲(chǔ)能電池簇充電結(jié)束處于備用狀態(tài)，可由后臺(tái)統(tǒng)一控制回饋電網(wǎng)。以兆瓦級儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)單元，適用范圍廣，可以通過多個(gè)單元并聯(lián)組合擴(kuò)充容量。

6 結(jié)論

本文提出了一套適用于微電網(wǎng)的集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)，該集裝箱儲(chǔ)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(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了每個(gè)系統(tǒng)的作用及相互間的聯(lián)系。本文提出的集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在1.5MWh微電網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目中投入使用，在長期運(yùn)行過程中證實(shí)了該方案的實(shí)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。

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