基于云邊協(xié)同的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全保障建設(shè)
——評(píng)《電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用》

李 奇,鐘衛(wèi)連

(懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 懷化 418000)

自新能源大規(guī)模并網(wǎng)和智能電網(wǎng)建設(shè)以來,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè),電池儲(chǔ)能系統(tǒng)都發(fā)揮了雙向功率控制和能量調(diào)控的作用,增強(qiáng)了電力管理的靈活性。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)被賦予了數(shù)字化和智能化的特點(diǎn),促進(jìn)了與商業(yè)模式和市場(chǎng)體系的融合,推動(dòng)了新能源消納、電力輔助服務(wù)、需求側(cè)響應(yīng)與綜合智慧能源的融合發(fā)展。隨著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的擴(kuò)大和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷增加,儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商的技術(shù)水平和能力有待提升。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成技術(shù)關(guān)系到設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行、安全和壽命保障,以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的安全、高效和一體化運(yùn)行。為解決電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全難題,云邊協(xié)同技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析和處理,并通過邊緣計(jì)算將實(shí)時(shí)控制指令傳輸回邊緣設(shè)備進(jìn)行執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。通過現(xiàn)代化的技術(shù)保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng),成為儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)需要關(guān)注的重要議題。

為系統(tǒng)和全面地闡述電池儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件集成、軟件控制和典型應(yīng)用,陽光電源股份有限公司余勇博士和浙江大學(xué)年珩教授共同主編完成《電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用》一書,該書包含10個(gè)章節(jié)。第1章為緒論;第2章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵設(shè)備;第3章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要應(yīng)用與解決方案;第4章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì);第5章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與安全設(shè)計(jì);第6章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)本地控制與遠(yuǎn)程通信;第7章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備集成安裝與檢驗(yàn);第8章為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建模與仿真;第9章為先進(jìn)技術(shù)在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用展望;第10章為儲(chǔ)能集成技術(shù)典型應(yīng)用案例與系統(tǒng)。

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)面臨的問題與任務(wù)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成是指將電能儲(chǔ)存技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合起來,形成一個(gè)完整的電力儲(chǔ)能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電能的高效儲(chǔ)存和調(diào)度。儲(chǔ)能技術(shù)是儲(chǔ)能系統(tǒng)集成的核心,如利用鋰離子電池、超級(jí)電容器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與輸出;控制技術(shù)是指儲(chǔ)能系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電量、電壓等參數(shù)的監(jiān)控和調(diào)節(jié),通過應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù),如智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的動(dòng)態(tài)管理;信息技術(shù)是指儲(chǔ)能系統(tǒng)集成需要對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè),利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和應(yīng)用優(yōu)化,在保證高效運(yùn)行的同時(shí),降低操作和維護(hù)成本;機(jī)電一體化技術(shù)是指儲(chǔ)能系統(tǒng)集成需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)組件和系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,要充分考慮機(jī)電一體化技術(shù),提高組件的互通性和可擴(kuò)展性;網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)是指集成多個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的管理和控制,需要實(shí)現(xiàn)地域范圍的無縫深度互聯(lián),實(shí)現(xiàn)能源的快速調(diào)度,在能源配置等方面發(fā)揮更大的作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成是一項(xiàng)高復(fù)雜性的系統(tǒng)工程,需要多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的深度結(jié)合,才能實(shí)現(xiàn)電能的高效儲(chǔ)存和調(diào)度。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)在發(fā)展中除了面臨以上技術(shù)挑戰(zhàn)外,還需要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能匹配問題、安全問題和經(jīng)濟(jì)問題等。安全問題是不容忽視的關(guān)鍵問題,只有做好系統(tǒng)的安全保障建設(shè),才能確保安全使用。

2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵設(shè)備

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由系統(tǒng)集成商將電池組、儲(chǔ)能變流器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、熱管理和其他設(shè)備等組合。從表面上看,儲(chǔ)能系統(tǒng)集成商只是將上述設(shè)備進(jìn)行了組裝和集成,難度似乎并不高。實(shí)際上,儲(chǔ)能系統(tǒng)集成并非將各部件進(jìn)行簡(jiǎn)單的拼湊,電池、PCS、BMS和EMS等4大核心設(shè)備集合了電化學(xué)、電力電子、信息管理等多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的交叉學(xué)科,整體生產(chǎn)流程需經(jīng)過從研發(fā)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、集成生產(chǎn),直到最后測(cè)試驗(yàn)證,涉及電芯的電化學(xué)領(lǐng)域、PCS的電子電力領(lǐng)域和匹配電網(wǎng)的電力領(lǐng)域,這要求集成商滿足系統(tǒng)集成涉及的多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)要求。同時(shí),還要關(guān)注安全性、經(jīng)濟(jì)性和智能化等3大方面,要具備相關(guān)技術(shù)能力可以保障安全,有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)?？梢詫?shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性,以及持續(xù)的服務(wù)能力,可以通過智能化來幫助電力市場(chǎng)解決波動(dòng)性問題。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要綜合考慮多個(gè)方面進(jìn)行全方位設(shè)計(jì),以構(gòu)建高效、高性能、高安全、高經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。對(duì)于電池儲(chǔ)能的運(yùn)行控制,需要對(duì)電池的充放電功率、充放電時(shí)間、溫度、荷電狀態(tài)(SOC)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,以達(dá)到最佳的儲(chǔ)能效果。在電氣設(shè)計(jì)方面,需要電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接,同時(shí)滿足國(guó)家相關(guān)的電氣安全標(biāo)準(zhǔn),以確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高可靠性和安全性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)則需要考慮電池組件的布置、冷卻等因素,以確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在各種極端環(huán)境下都能夠正常工作。此外,在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防安全設(shè)計(jì)方面,需要考慮電池的材料特性、泄漏、短路等情況,采用適當(dāng)?shù)南腊踩胧Ｔ谕ㄐ排c控制方面,需要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和運(yùn)行控制。

在儲(chǔ)能安全的問題上,選用優(yōu)質(zhì)的電芯只是基礎(chǔ),更大的考驗(yàn)是系統(tǒng)集成能力。當(dāng)前常見的集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)擁有高達(dá)1 500 V的高電壓和MW·h規(guī)模以上的高能量,零部件數(shù)量和連接接口數(shù)以萬記,任何設(shè)計(jì)或安裝調(diào)試差異都可能引發(fā)安全問題。系統(tǒng)集成商的經(jīng)驗(yàn)不足或設(shè)計(jì)不佳,會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能壽命大打折扣,甚至引發(fā)安全事故。全球儲(chǔ)能安全事故的官方分析報(bào)告顯示,60%～80%以上的事故是由非專業(yè)的系統(tǒng)集成所致。由此可見,儲(chǔ)能安全是對(duì)系統(tǒng)集成技術(shù)的極大考驗(yàn)。

4 云邊協(xié)同先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)主要包含以下幾個(gè)部分:①BMS,主要功能是管理及維護(hù)各個(gè)電池單元的充放電,防止電池出現(xiàn)過充或過放,延長(zhǎng)電池的使用壽命。BMS單元由采集模組、控制模組和電池管理應(yīng)用組成。②PCS,主要控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程,進(jìn)行直交流的轉(zhuǎn)換,并根據(jù)功率指令控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充放電,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié),是儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略的執(zhí)行單元。③EMS,全面采集BMS、PCS和其他輔助管理系統(tǒng)的信息,針對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)調(diào)控一體化能量管理,以及儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷預(yù)警、全景分析和高級(jí)控制等功能,滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)視全面化、安全分析智能化、全景分析動(dòng)態(tài)化等需求,保證儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。④輔助系統(tǒng),主要包含空調(diào)系統(tǒng)和消防系統(tǒng),用來維護(hù)儲(chǔ)能系統(tǒng)在相對(duì)安全的環(huán)境下運(yùn)行,并在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí),實(shí)現(xiàn)告警和滅火。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般采用固定的運(yùn)行策略脫網(wǎng)運(yùn)行,隨著智能微網(wǎng)和虛擬電廠等應(yīng)用的出現(xiàn),儲(chǔ)能系統(tǒng)需要聯(lián)網(wǎng)并提供接口供智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度,這需要引入物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)。電力生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)有嚴(yán)格的安全要求和規(guī)范,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要符合電力生產(chǎn)系統(tǒng)的安全規(guī)范,在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上必須要增加單向網(wǎng)閘穿透的功能。

此外,原有的EMS系統(tǒng)雖有一定的分析、告警功能,但設(shè)計(jì)目標(biāo)側(cè)重系統(tǒng)的監(jiān)控,系統(tǒng)數(shù)據(jù)多存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)中,對(duì)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析支持的能力有限,拓展和整合其他技術(shù)的能力較弱。要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型優(yōu)化、參數(shù)調(diào)優(yōu)、提前預(yù)警、可預(yù)測(cè)維護(hù)等功能,需引入大數(shù)據(jù)、人工智能(AI)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù),完成儲(chǔ)能系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)化升級(jí)。

云邊協(xié)同先進(jìn)技術(shù)是通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)云端和邊緣設(shè)備的協(xié)同工作,以提高系統(tǒng)的效率和性能。通過云端的大數(shù)據(jù)分析和處理,可以對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析,提高系統(tǒng)的故障檢測(cè)和預(yù)警能力,實(shí)現(xiàn)更好的電池管理和維護(hù)。邊緣設(shè)備方面,可以使用傳感器等設(shè)備對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備的智能化和自動(dòng)化控制,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理。此外,云邊協(xié)同技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)電池組件的共享和更有效的能量利用,為更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景提供技術(shù)支持和基礎(chǔ)設(shè)施。云邊協(xié)同的優(yōu)勢(shì)在于,既具備云端大數(shù)據(jù)分析和AI的能力,又滿足本地應(yīng)用對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。在儲(chǔ)能場(chǎng)景應(yīng)用中,既要滿足本地對(duì)于調(diào)度控制指令的實(shí)時(shí)、可靠響應(yīng),又要結(jié)合云端算力和AI算法分析,優(yōu)化控制策略,對(duì)安全故障進(jìn)行預(yù)警、分析和運(yùn)維。

針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)化和運(yùn)維智能化的需求,云邊協(xié)同可預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)。通過低代碼、低可配置方式,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)匯聚、網(wǎng)閘穿透、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析,在邊緣實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)算法,云端實(shí)現(xiàn)算法、模型和參數(shù)的優(yōu)化,并通過邊緣計(jì)算提供的流計(jì)算框架,更新邊緣計(jì)算預(yù)測(cè)模型的參數(shù),實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同的可預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)。

通過云邊協(xié)同的一體化方案,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高頻率的數(shù)萬點(diǎn)位采集,為邊緣端賦予實(shí)時(shí)分析和預(yù)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的能力,使云端具備大數(shù)據(jù)分析能力。通過定時(shí)執(zhí)行策略,定期調(diào)整預(yù)測(cè)模型的參數(shù),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)云邊協(xié)同一體化的可預(yù)測(cè)運(yùn)維,助力新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)營(yíng)。

5 結(jié)語

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù),不僅涵蓋系統(tǒng)本身的硬件集成與軟件控制,還包括儲(chǔ)能系統(tǒng)與應(yīng)用場(chǎng)景的銜接與協(xié)同。除電氣、電力電子、電化學(xué)、通信控制外,技術(shù)人員還應(yīng)對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)知識(shí),如電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電及微電網(wǎng)等,有著較深入的研究與理解。上述學(xué)科的融合,將進(jìn)一步優(yōu)化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量與功率配置、設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制,確保良好的經(jīng)濟(jì)性和壽命的可預(yù)期性。《電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用》源于作者和所在團(tuán)隊(duì)多年的技術(shù)研究和積累,內(nèi)容實(shí)用,可讀性強(qiáng),適合從事電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的工程師、高等院校從事儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的教師和學(xué)生等進(jìn)行學(xué)習(xí)參考。

書名:電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)與應(yīng)用

作者:余勇 年珩 主編

ISBN:9787111683353

出版社:機(jī)械工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2021-08

定價(jià):￥119.00元