儲(chǔ)能管理系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化性能現(xiàn)場測試研究

陸海強(qiáng)，陸水錦，莫育杰

(1.嘉興市恒創(chuàng)電力設(shè)備有限公司，浙江 嘉興 314033； 2.浙江清華長三角研究院, 浙江 嘉興 314006)

面對(duì)氣候變暖、環(huán)境嚴(yán)重污染及不可再生資源枯竭等問題，當(dāng)前電力、交通及能源等部門越來越注重儲(chǔ)能技術(shù)的研究與發(fā)展。與其他類型儲(chǔ)能技術(shù)相比，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更短的建設(shè)周期與更靈活簡便的安裝方式，屬于在當(dāng)前工程應(yīng)用中適用度較高的一種技術(shù)[1-2]。其中集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)(CESS)因具備移動(dòng)靈活、占用空間小及方便安裝等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被更多領(lǐng)域關(guān)注，并將其用作一種全新的儲(chǔ)能設(shè)備[3]。集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)屬于一種針對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能市場需求所開發(fā)的集成化儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)部主要包含電池箱、儲(chǔ)能管理系統(tǒng)(EMS)、儲(chǔ)能變流器及集裝箱動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等[4-5]。

當(dāng)前由于動(dòng)力電池技術(shù)的限制影響集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的發(fā)展，其中與電池儲(chǔ)能管理相關(guān)的問題成為影響此類系統(tǒng)應(yīng)用成本、壽命、安全性及節(jié)能優(yōu)化性能的主要因素，良好的電池儲(chǔ)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為保障集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)良好運(yùn)行的關(guān)鍵[6]?，F(xiàn)階段為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)應(yīng)用，需依賴于可靠安全的儲(chǔ)能管理機(jī)制，以此達(dá)到監(jiān)測與控制集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的狀態(tài)與運(yùn)行的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)電池的實(shí)時(shí)保護(hù)與均衡控制[7]。然而當(dāng)前我國針對(duì)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)依然處于探索階段，仍需不斷給予探索與研究。

基于以上分析，本文設(shè)計(jì)了一種具有節(jié)能優(yōu)化性能的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)中實(shí)施現(xiàn)場測試研究，通過測試得知該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的充放電節(jié)能優(yōu)化及負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化，為有效保障集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的安全運(yùn)行及降低能源消耗提供有效幫助。

1 儲(chǔ)能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

開發(fā)具備節(jié)能優(yōu)化性能的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)(EMS)，通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化充放電策略。通常儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包含儲(chǔ)能管理裝置、電池管理裝置、電池箱及儲(chǔ)能變流器等[8-10]，其中由儲(chǔ)能管理裝置與電池管理裝置兩部分共同構(gòu)成儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能管理模塊。通過儲(chǔ)能管理中的儲(chǔ)能管理裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理分析、狀態(tài)監(jiān)測及充放電控制等；而儲(chǔ)能管理系統(tǒng)中的電池管理裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓均衡控制與保護(hù)，通過兩個(gè)裝置部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行，達(dá)到對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電節(jié)能優(yōu)化管理。儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)的動(dòng)態(tài)能量可表示為F(t)：

(1)

式中：F(kJ)和P(kW)分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電能量與充放電功率；Δt和t分別為采樣間隔與某個(gè)時(shí)刻；μ為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電能量所需符合的約束條件為

0

(2)

式中：Fmax為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率所需符合的約束條件為

(3)

式中：Pmax為儲(chǔ)能系統(tǒng)的最高充放電功率,kW；Pup.max和Pdown.max為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的最大升高速率與最大降低速率,kW/s。

1.2 儲(chǔ)能管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

1.2.1 儲(chǔ)能管理裝置功能設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能管理裝置主要包括數(shù)據(jù)管理分析模塊、監(jiān)測模塊、控制模塊及通信模塊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能管理裝置結(jié)構(gòu)圖

儲(chǔ)能管理裝置內(nèi)各模塊的功能設(shè)計(jì)如下：

(1)通信模塊功能設(shè)計(jì)：儲(chǔ)能管理裝置在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上將串口線作為通信介質(zhì)，經(jīng)RS-485接口將同變流器的數(shù)據(jù)通信創(chuàng)建；并在Modbus_TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上以網(wǎng)線作為通信介質(zhì)，經(jīng)RJ-45接口將同電池的數(shù)據(jù)通信創(chuàng)建。

(2)控制模塊與監(jiān)測模塊功能設(shè)計(jì)：通信報(bào)文和人機(jī)交互指令的翻譯可通過控制模塊與監(jiān)測模塊所提供的人機(jī)交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，同通信模塊相互配合達(dá)到監(jiān)測與控制儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)的目的；另外控制模塊的功能還包括設(shè)置變流器的工作時(shí)間、工作模式、各類預(yù)警與保護(hù)值等[11]；監(jiān)測模塊的功能還包括動(dòng)態(tài)監(jiān)測電池的溫度、SOC、電流與電壓以及變流器交直流側(cè)的功率、電流、電壓等狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測與呈現(xiàn)電池與變流器的故障信息。

(3)數(shù)據(jù)管理分析模塊功能設(shè)計(jì)：該模塊將儲(chǔ)能管理裝置的控制指令信息與狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入，同時(shí)分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作性能。

儲(chǔ)能管理裝置基于SQL server創(chuàng)建面向儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)管理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，將儲(chǔ)能管理張志的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制指令信息儲(chǔ)存，為數(shù)據(jù)管理分析模完成管理與分析儲(chǔ)能系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12-13]。該數(shù)據(jù)庫主要由指令信息表、調(diào)度功率信息表、電池信息表及變流器信息表四個(gè)父表構(gòu)成，各個(gè)父表實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子表屬性的記錄，如變流器信息表內(nèi)記錄了子表編號(hào)及子表名稱等字段；各父表下屬的各類子表依次用來記錄控制指令數(shù)據(jù)、調(diào)度功率數(shù)據(jù)、電池運(yùn)行狀態(tài)及變流器運(yùn)行狀態(tài)，如電池信息表下屬子表所記錄的數(shù)據(jù)為電池的直流電流與電壓等。

1.2.2 電池管理裝置功能設(shè)計(jì)

電池管理裝置由數(shù)個(gè)電池管理控制器(LECU)經(jīng)CAN通信構(gòu)成，其功能是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的總電流與電壓實(shí)施采集，并預(yù)估儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)電池的荷電狀態(tài)，完成絕緣監(jiān)測與高壓管理[14]；同時(shí)該裝置還負(fù)責(zé)保護(hù)電流充放電，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)是否存在故障以及故障狀態(tài)實(shí)施判別，向儲(chǔ)能管理裝置及時(shí)上報(bào)所得判別狀態(tài)，并在電池管理裝置內(nèi)的LECU協(xié)同下均衡控制儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組，運(yùn)用CAN通信實(shí)現(xiàn)LECU與儲(chǔ)能管理裝置的數(shù)據(jù)交互。電池管理裝置控制結(jié)構(gòu)見圖3。

其中LECU作為電池管理裝置的關(guān)鍵部分，其重點(diǎn)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池部分的電壓采集、電壓均衡控制及多點(diǎn)溫度測量等，并經(jīng)CAN總線實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能管理裝置的信息交互，具有檢測精度高且通信可靠的特點(diǎn)[15]。LECU部分的控制結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 LECU控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 儲(chǔ)能管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

通過儲(chǔ)能管理系統(tǒng)中的儲(chǔ)能管理裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)各電池箱體中每節(jié)電池的電壓，并設(shè)定各電池箱體內(nèi)電池壓差不可高于22 mV，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電和放電狀態(tài)下的電壓實(shí)時(shí)均衡控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的節(jié)能優(yōu)化，具體控制過程如圖5所示。

圖5 充放電節(jié)能優(yōu)化控制過程圖

具體實(shí)現(xiàn)過程為：

(2)當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處在放電狀態(tài)時(shí)，控制過程同充電狀態(tài)時(shí)類似。如果電池箱體內(nèi)最低端電壓單節(jié)電池(B)同電池箱體電壓均值的差UΔ比-22 mV低，通過整個(gè)電池箱體為該單節(jié)電池實(shí)施充電，待電壓之差UΔ比-22 mV高時(shí)結(jié)束充電。控制過程中的最高充放電均衡電流均為12 A。

2 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

現(xiàn)場測試中將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某儲(chǔ)能項(xiàng)目的集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)內(nèi)，測試應(yīng)用本文系統(tǒng)后實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的節(jié)能優(yōu)化效果，以此研究本文系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化性能。

2.1 電壓采集精度測試

影響本文系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素之一即為本文系統(tǒng)的電壓采集精準(zhǔn)度，為此需先測試本文系統(tǒng)的電壓采集精度。集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)電池電壓對(duì)電池的健康狀況有著直接的影響作用，過高或過低的電池電壓均會(huì)對(duì)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)產(chǎn)生較大影響，需通過本文系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的電池電壓實(shí)施精準(zhǔn)采集監(jiān)控。由實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)內(nèi)全部電池箱體內(nèi)隨機(jī)挑選12節(jié)電池作為電壓采集對(duì)象，通過Agilent 34401A數(shù)字繁用表對(duì)其實(shí)施測量，以測量所得的實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)12節(jié)電池電壓作為實(shí)際電壓值，將經(jīng)本文系統(tǒng)采集所得的實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)12節(jié)電池電壓值與之對(duì)比，并運(yùn)算兩者的差值，所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 電池電壓采集精度測試結(jié)果

通過圖6能夠看出，通過本文系統(tǒng)所采集的實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)各電池電壓值與實(shí)際電壓值十分相近，電壓差值范圍為0.2～ 1.5 mV，可見，本文系統(tǒng)的電壓采集精度較高，可滿足集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的使用需求。

2.2 充放電節(jié)能優(yōu)化性能測試

將經(jīng)過電池電壓采集精度測試的本文系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)內(nèi)，對(duì)運(yùn)用本文系統(tǒng)后實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的箱體內(nèi)壓差與充放電實(shí)施測試，通過實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的測試結(jié)果，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的充放電節(jié)能優(yōu)化性能。

2.2.1 箱體內(nèi)電池壓差測試

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)在本文系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與關(guān)閉狀態(tài)下的箱體內(nèi)壓差實(shí)施測試，能夠有效檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的均壓作用效果。設(shè)定實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)箱體內(nèi)電池壓差上限為22 mV，以實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)隨機(jī)一個(gè)電池箱體內(nèi)的16節(jié)電池壓差為例，對(duì)測試過程中某個(gè)時(shí)刻實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)該箱體內(nèi)16節(jié)電池壓差實(shí)施分析。首先獲取到在本文系統(tǒng)始終運(yùn)行的情況下，實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)該箱體內(nèi)16節(jié)電池壓差情況；然后關(guān)閉本文系統(tǒng)，并以22 A電流對(duì)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)該箱體內(nèi)16節(jié)電池實(shí)施持續(xù)1.6 h的恒流放電，獲取到完成放電后該箱體內(nèi)此部分電池的壓差。本文系統(tǒng)運(yùn)行與關(guān)閉狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)箱體內(nèi)電池壓差對(duì)比情況如表1所示。

表1 本文系統(tǒng)運(yùn)行與關(guān)閉時(shí)箱體內(nèi)電池壓差對(duì)比 mV

由表1可得出，在本文系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)箱體內(nèi)電池壓差最高的為第9節(jié)電池，其壓差為17.5 mV，箱體內(nèi)各電池壓差未高于22 mV；而在本文系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)箱體內(nèi)電池壓差最高的為第7節(jié)電池，其壓差為42.0 mV，遠(yuǎn)高于所設(shè)定的上限，且另有七節(jié)電池的壓差也高出設(shè)定上限值。由此可見，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)內(nèi)箱體電池的均壓控制，有效保持電池的一致性，不僅可延長電池壽命，同時(shí)可為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)充放電節(jié)能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 充放電測試

通過本文系統(tǒng)依據(jù)相關(guān)調(diào)度指令實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)按照指令功率充放電，其中調(diào)度周期為60 s，實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)充放電功率所需符合的約束條件為<9 kW。以現(xiàn)場測試所測得的變流器直流側(cè)電壓與電流為依據(jù)，運(yùn)算得出功率波形，詳見圖7內(nèi)現(xiàn)實(shí)功率波形。

圖7 本文系統(tǒng)控制下實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率波形

通過圖7能夠看出，當(dāng)所給出的調(diào)度指令功率比實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)充放電功率約束條件高時(shí)，本文系統(tǒng)能夠在周期內(nèi)有效控制并調(diào)整實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)充放電功率，令其可符合本身充放電功率運(yùn)行控制約束條件，由此說明，本文系統(tǒng)可有效控制實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的充放電功率，提升實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)運(yùn)行的安全性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)充放電節(jié)能優(yōu)化控制。

2.3 負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化性能測試

對(duì)比實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)在應(yīng)用本文系統(tǒng)后與應(yīng)用本文系統(tǒng)前分配用電負(fù)荷時(shí)的調(diào)度情況，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化性能。兩系統(tǒng)的調(diào)度情況如圖8所示。

分析圖8可得知，應(yīng)用本文系統(tǒng)后的實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的電能輸出功率高于應(yīng)用本文系統(tǒng)前的實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)，說明本文系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著提高實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)用電負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化的操作能力。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種儲(chǔ)能管理系統(tǒng)并針對(duì)該系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化性能展開現(xiàn)場測試研究，該系統(tǒng)主要包含儲(chǔ)能管理裝置與電池管理裝置兩部分，在兩部分的協(xié)調(diào)作用下，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)所應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制，令儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其節(jié)能優(yōu)化充放電策略；將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)內(nèi)實(shí)施現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明：

(1)本文系統(tǒng)具有較高的電池電壓采集精度，可均衡控制集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)箱體電池電壓，提升電池的使用壽命，為節(jié)能優(yōu)化充放電提供保障；

(2)對(duì)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的充放電功率具有較高的控制能力，保障集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)充放電節(jié)能優(yōu)化控制；

(3)可有效提升集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)分配用電負(fù)荷時(shí)的調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)集裝箱儲(chǔ)能平臺(tái)用電負(fù)荷節(jié)能優(yōu)化的操作能力。