電池儲能電站電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

楊瑋琰

摘 要：電池儲能電站由于建設(shè)周期短、響應(yīng)迅速，已成為解決電力系統(tǒng)削峰填谷、新能源消納、調(diào)峰調(diào)頻等問題的重要措施。為了保障大型電池儲能電站的電池安全可靠性和循環(huán)壽命，須深入研究電池管理系統(tǒng)技術(shù)。本文介紹大型電池儲能電站電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，分析電池管理系統(tǒng)的控制及保護策略，并梳理了電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)試內(nèi)容，以期為相關(guān)行業(yè)人員及工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：電池儲能電站;電池管理系統(tǒng);控制策略;保護策略;調(diào)試

1 電池儲能電站設(shè)備調(diào)試

1.1分系統(tǒng)調(diào)試

電池儲能電站根據(jù)功能不同，存在多個子系統(tǒng)：電池儲能子系統(tǒng)、繼電保護及安全自動裝置子系統(tǒng)、時鐘同步子系統(tǒng)、交直流一體化電源子系統(tǒng)、儲能電站輔助監(jiān)控子系統(tǒng)、計量子系統(tǒng)、遠動通信子系統(tǒng)和二次安全防護子系統(tǒng)等。其中，電池儲能子系統(tǒng)由電池及BMS、PCS和EMS組成，是電池儲能電站最核心的部分。在分系統(tǒng)調(diào)試階段，電池儲能子系統(tǒng)的主要調(diào)試內(nèi)容包括：

①BMS、PCS和EMS三大系統(tǒng)之間通信測試;②BMS、PCS和EMS三大系統(tǒng)之間遙測、遙信、遙控和遙調(diào)量測試;③BMS、PCS和EMS三大系統(tǒng)之間對時功能測試;④BMS與PCS協(xié)同保護邏輯測試;⑤EMS對BMS、PCS控制功能測試。

1.2 系統(tǒng)調(diào)試

當電池儲能電站各子系統(tǒng)功能驗證正確，且完成與各級調(diào)度主站的通信調(diào)試后，還需要進行儲能電站接入變電站并網(wǎng)點的線路光纖差動保護聯(lián)調(diào)試驗，為電池儲能電站接入電網(wǎng)的系統(tǒng)調(diào)試提供安全保障。根據(jù)電池儲能電站接入電網(wǎng)測試規(guī)程要求，測試項目應(yīng)包括：

①電網(wǎng)適應(yīng)性測試;②功率控制測試;③過載能力測試;④低電壓/高電壓穿越測試;⑤電能質(zhì)量測試;⑥保護功能測試;⑦充放電響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)時間、轉(zhuǎn)換時間測試;⑧能量效率測試。

2 電池管理系統(tǒng)控制策略

電池管理系統(tǒng)主要有自動運行模式、維護模式兩種。自動運行模式下，BAU根據(jù)下屬BCU電池簇狀態(tài)，進行自動控制吸合與斷開。

2.1 自動運行模式控制策略

2.1.1 上電BCU數(shù)量檢測

BAU上電檢測BCU就位數(shù)量，當全部n組BCU都就位，BAU允許滿功率充放電;當BCU就位數(shù)少于n組就位時，BAU根據(jù)具體就位數(shù)進行限功率運行（BMS給PCS/EMS發(fā)最大充放電電流）。少于最少支持組數(shù)（上位機可設(shè)置）時，BAU不就位，不能進行充放電。

2.1.2 上電總壓差檢測

當BAU檢測就位通過后，進行總壓壓差判斷。當電池組最大總壓與最小總壓之間壓差小于電池組允許吸合最大總壓差，BMS判斷，所有就位電池組壓差較小，符合繼電器吸合條件，則閉合所有BCU主負繼電器，進入預(yù)充均衡流程。當BAU檢測當前就位總壓差超過允許值，BAU報總壓差大故障，需人工干預(yù)，關(guān)閉故障組電池組，或啟用維護模式，人工對電池組進行均衡。

2.1.3 上電預(yù)充控制

在繼電器每次閉合之前，都必須對與電池簇相連的高壓系統(tǒng)中的電容進行預(yù)充電，在判定預(yù)充電過程完成后，才能閉合繼電器，否則，繼電器易因過流產(chǎn)熱而發(fā)生觸點粘連損壞現(xiàn)象。BAU在進行預(yù)充控制時，先控制所有BCU，閉合預(yù)充繼電器。當BCU檢測到預(yù)充電流、預(yù)充前后電壓差小于一定值，預(yù)充時間大于一定值，則BCU報預(yù)充完成，此時BAU檢測所有預(yù)充完成后，控制吸合主正繼電器，斷開預(yù)充電路。

2.1.4 均衡控制

電池的容量、內(nèi)阻和電壓等參數(shù)不可能完全一致，電池單體間微小的內(nèi)部性能差異會隨著充放電運行而不斷累積，并明顯地體現(xiàn)為電池系統(tǒng)一致性變差、電池系統(tǒng)充放電性能劣化、電池系統(tǒng)可用容量大幅衰減等缺陷。均衡控制根據(jù)電池電壓進行電池間的均衡充電，能夠提高成組電池一致性，緩解電池短板效應(yīng)引起的電池系統(tǒng)性能劣化問題。均衡控制分為被動均衡和主動均衡兩種。被動均衡是電阻耗能式，在每一顆單體電池并聯(lián)一個電阻分流，耗能均衡就是將電池中多余的能量消耗掉，實現(xiàn)整組電池電壓的均衡。主動均衡為能量轉(zhuǎn)移式，將單體能量高的轉(zhuǎn)移到單體能量低的，或用整組能量補充到單體最低電池，在實施過程中需要一個儲能環(huán)節(jié)，使得能量通過這個環(huán)節(jié)重新進行分配。

2.1.5 充放電管理

系統(tǒng)運行時，實時監(jiān)測每個單體電壓以及電池包溫度。根據(jù)電池系統(tǒng)狀態(tài)評估充電上限電壓值、放電下限電壓值、可充電最大電流、可放電最大電流，通過報文發(fā)給PCS。PCS進行充放電操作，控制充放電電流不能超過BMS請求最大值。

在充電模式：當單體電壓充到“充電降流單體電壓”，BMS根據(jù)當前PCS充電電流，進行降流請求。當多次達到“充電降流單體電壓”后，電流會達到“最小限制充電電流”，BMS不再控制降流，維持PCS充電，直至充電達到“充電停止單體電壓”，BMS將充滿標志置位，充電限制電流限制為0。PCS停止進行充電。只有當“充電一級報警消失”，BMS才允許進行再次充電。

3 電池儲能電站系統(tǒng)通信故障應(yīng)急策略

電池儲能電站中后臺監(jiān)控系統(tǒng)EMS對電池的監(jiān)測、對PCS的監(jiān)控都是通過通信系統(tǒng)實現(xiàn)，EMS與BMS之間、EMS與PCS之間都采用的IEC 61850雙網(wǎng)冗余通信，BMS與PCS之間采用了Modbus通信協(xié)議，儲能電站的運行控制對通信系統(tǒng)依賴度高。

為了防止在通信鏈路發(fā)生故障時，系統(tǒng)不失控，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定及可控性，制定通信故障時的響應(yīng)策略。當PCS檢測到與EMS通信中斷時，PCS應(yīng)立即采取停機措施，否則該PCS繼續(xù)運行，而AGC會對剩下的PCS重新進行功率分配，此時實際的總功率值將大于目標功率值。當BMS與EMS通信中斷時，EMS檢測到通信中斷則在一定延時后向該BMS對應(yīng)的PCS發(fā)停機命令。當PCS檢測到與BMS通信中斷時，立即控制PCS轉(zhuǎn)為停機。

此外從通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上分析，站內(nèi)所有BMS和PCS數(shù)據(jù)都接入到間隔層交換機，是一種集中布置方式，數(shù)據(jù)負荷大，若間隔層交換機發(fā)生故障，將導致站內(nèi)所有儲能設(shè)備通信中斷。由于每個儲能單元都配置了就地監(jiān)控裝置，目前承擔著儲能單元通信匯集和就地監(jiān)控的功能。因此考慮利用就地監(jiān)控裝置與儲能單元層交換機在整站儲能設(shè)備通信中斷時，構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，承擔緊急情況下的就地控制作用。

通過在就地監(jiān)控裝置中安裝AGC和AVC等功能模塊，使其具備與后臺監(jiān)控系統(tǒng)相同的功率控制功能。電池儲能電站應(yīng)急通信方案，各儲能單元采用環(huán)網(wǎng)型交換機組成局域環(huán)網(wǎng)。在系統(tǒng)通信正常時，儲能設(shè)備通過正常網(wǎng)絡(luò)與后臺監(jiān)控系統(tǒng)通信，就地監(jiān)控裝置存儲整站的控制命令。一旦所有的儲能單元都判斷通信中斷，則指定地址編號最小的就地監(jiān)控裝置為主控裝置，通過局域環(huán)網(wǎng)控制儲能設(shè)備繼續(xù)運行。

結(jié)束語：國內(nèi)電源側(cè)及電網(wǎng)側(cè)儲能電站建設(shè)數(shù)量及規(guī)模逐年增長，在電池管理、系統(tǒng)保護、運行控制等方面都需要進一步深入研究及優(yōu)化。本文介紹了當前大型電池儲能電站的電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，分析研究了電池管理系統(tǒng)的控制及保護策略，并梳理了電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)試內(nèi)容，以為電池儲能站建設(shè)提供借鑒參考。

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