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EMS系統在儲能電站中的應用

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安科瑞劉秋霞

1.概述

大容量電池儲能系統在電力系統中的應用已有20多年的歷史，早期主要用于孤立電網的調頻、熱備用、調壓和備份等。電池儲能系統在新能源并網中的應用，國外也已開展了一定的研究。上世紀90年代末德國在Herne1MW的光伏電站和Bocholt2MW的風電場分別配置了容量為1.2MWh的電池儲能系統，提供削峰、不中斷供電和改善電能質量功能。從2003年開始，日本在Hokkaido30.6MW風電場安裝了6MW/6MWh的全釩液流電池（VRB）儲能系統，用于平抑輸出功率波動。2009年英國EDF電網將600kW/200kWh鋰離子電池儲能系統配置在東部一個11KV配電網STATCOM中，用于潮流和電壓控制，有功和無功控制。

總體來說，儲能電站（系統）在電網中的應用目的主要考慮“負荷調節、配合新能源接入、彌補線損、功率補償、提高電能質量、孤網運行、削峰填谷"等幾大功能應用。比如：削峰填谷，改善電網運行曲線，通俗一點解釋，儲能電站就像一個儲電銀行，可以把用電低谷期富余的電儲存起來，在用電高峰的時候再拿出來用，這樣就減少了電能的浪費；此外儲能電站還能減少線損，增加線路和設備使用壽命；優化系統電源布局，改善電能質量。而儲能電站的綠色優勢則主要體現在：科學安全，建設周期短；綠色環保，促進環境友好；集約用地，減少資源消耗等方面。

2.設計標準

GB21966-2008鋰原電池和蓄電池在運輸中的安全要求

GJB4477-2002鋰離子蓄電池組通用規范

QC/T743-2006電動汽車用鋰離子蓄電池

GB/T12325-2008電能質量供電電壓偏差

GB/T12326-2008電能質量電壓波動和閃變

GB/T14549-1993電能質量公用電網諧波

GB/T15543-2008電能質量三相電壓不平衡

GB/T2297-1989太陽光伏能源系統術語

DL/T527-2002靜態繼電保護裝置逆變電源技術條件

GB/T13384-2008 機電產品包裝通用技術條件

GB/T14537-1993 量度繼電器和保護裝置的沖擊與碰撞試驗

GB/T14598.27-2008 量度繼電器和保護裝置*27部分：產品安全要求

DL/T478-2001靜態繼電保護及安全自動裝置通用技術條件

GB/T191-2008包裝儲運圖示標志

GB/T2423.1-2008 電工電子產品環境試驗*2部分：試驗方法試驗A：低溫

GB/T2423.2-2008 電工電子產品環境試驗*2部分：試驗方法試驗B：高溫

GB/T2423.3-2006電工電子產品環境試驗*2部分：試驗方法試驗Cab：恒定濕熱試驗

GB/T2423.8-1995 電工電子產品環境試驗*2部分：試驗方法試驗Ed：自由跌落

GB/T2423.10-2008電工電子產品環境試驗*2部分：試驗方法試驗Fc：振動（正弦）

GB4208-2008 外殼防護等級（IP代碼）

GB/T17626-2006 電磁兼容試驗和測量技術

GB14048.1-2006 低壓開關設備和控制設備*1部分：總則

GB7947-2006 人機界面標志標識的基本和安全規則導體的顏色或數字標識

GB8702-88 電磁輻射防護規定

DL/T5429-2009 電力系統設計技術規程

DL/T5136-2001 火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程

DL/T620-1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合

DL/T621-1997 交流電氣裝置的接地

GB50217-2007 電力工程電纜設計規范

GB2900.11-1988 蓄電池名詞術語

IEC61427-2005 光伏系統（PVES）用二次電池和蓄電池組一般要求和試驗方法

Q/GDW564-2010儲能系統接入配電網技術規定

QC/T743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》

GB/T18479-2001地面用光伏（PV）發電系統概述和導則

GB/T19939-2005光伏系統并網技術要求

GB/T20046-2006光伏（PV）系統電網接口特性

GB2894安全標志（neqISO3864：1984）

GB16179安全標志使用導則

GB/T178830.2S和0.5S級靜止式交流有功電度表

DL/T448能計量裝置技術管理規定

DL/T614多功能電能表

DL/T645多功能電能表通信協議

DL/T5202電能量計量系統設計技術規程

SJ/T11127光伏（PV）發電系統過電壓保護——導則

IEC61000-4-30電磁兼容*4-30部分試驗和測量技術——電能質量

IEC60364-7-712建筑物電氣裝置*7-712部分：

特殊裝置或場所的要求太陽光伏（PV）發電系統

3.儲能電站（配合光伏并網發電）方案

3.1系統架構

在本方案中，儲能電站（系統）主要配合光伏并網發電應用，因此，整個系統是包括光伏組件陣列、光伏控制器、電池組、電池管理系統（BMS）、逆變器以及相應的儲能電站聯合控制調度系統等在內的發電系統。

1、光伏組件陣列利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對鋰電池組充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電；

2、智能控制器根據日照強度及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節：一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統工作的連續性和穩定性；

3、并網逆變系統由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的380V市電接入用戶側低壓電網或經升壓變壓器送入高壓電網。

4、鋰電池組在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

3.2儲能子系統

3.2.1儲能電池組

(1)電池選型原則

作為配合光伏發電接入，實現削峰填谷、負荷補償，提高電能質量應用的儲能電站，儲能電池是非常重要的一個部件，須滿足以下要求：

?容易實現多方式組合，滿足較高的工作電壓和較大工作電流；

?電池容量和性能的可檢測和可診斷，使控制系統可在預知電池容量和性能的情況下實現對電站負荷的調度控制；

?高安全性、可靠性：在正常使用情況下，電池正常使用壽命不低于15年；在*限情況下，即使發生故障也在受控范圍，不應該發生爆炸、燃燒等危及電站安全運行的故障；

?具有良好的快速響應和大倍率充放電能力，一般要求5-10倍的充放電能力；

?較高的充放電轉換效率；

?易于安裝和維護；

?具有較好的環境適應性，較寬的工作溫度范圍；

?符合環境保護的要求，在電池生產、使用、回收過程中不產生對環境的破壞和污染；

(2)主要電池類型比較

表1幾種電池性能比較

	鈉硫電池	全釩液流電池	磷酸鐵鋰電池	閥控鉛酸電池
現有應用規模等級	100kW~34MW	5kW~6MW	kW~MW	kW~MW
比較適合的應用場合	大規模削峰填谷、平抑可再生能源發電波動	大規模削峰填谷、平抑可再生能源發電波動	可選擇功率型或能量型，適用范圍廣泛	大規模削峰填谷、平抑可再生能源發電波動
安全性	不可過充電；鈉、硫的滲漏，存在潛在安全隱患	安全	需要單體監控，安全性能已有較大突破	安全性可接受，但廢舊鉛酸蓄電池嚴重污染土壤和水源
能量密度	100-700Wh/kg	-	120-150Wh/kg	30-50Wh/kg
倍率特性	5-10C	1.5C	5-15C	0.1-1C
轉換效率	>95%	>70%	>95%	>80%
壽命	>2500次	>15000次	>2000次	>300次
成本	23000元/kWh	15000元/kWh	3000元/kWh	700元/kWh
資源和環保	資源豐富；存在一定的環境風險	資源豐富	資源豐富；環境友好	資源豐富；存在一定的環境風險
MW級系統占地	150-200平米/MW	800-1500平米/MW	100-150平米/MW(h)	150-200平米MW
關注點	安全、一致性、成本	可靠性、成熟性、成本	一致性	一致性、壽命

(3)建議方案

從初始投資成本來看，鋰離子電池有較強的競爭力，鈉硫電池和全釩液流電池未形成產業化，供應渠道受限，較昂貴。從運營和維護成本來看，鈉硫需要持續供熱，全釩液流電池需要泵進行流體控制，增加了運營成本，而鋰電池幾乎不需要維護。根據國內外儲能電站應用現狀和電池特點，建議儲能電站電池選型主要為磷酸鐵鋰電池。

3.2.2電池管理系統(BMS)

（1）電池管理系統的要求

在儲能電站中，儲能電池往往由幾十串甚至幾百串以上的電池組構成。由于電池在生產過程和使用過程中，會造成電池內阻、電壓、容量等參數的不一致。這種差異表現為電池組充滿或放完時串聯電芯之間的電壓不相同，或能量的不相同。這種情況會導致部分過充，而在放電過程中電壓過低的電芯有可能被過放，從而使電池組的離散性明顯增加，使用時更容易發生過充和過放現象，整體容量急劇下降，整個電池組表現出來的容量為電池組中性能*差的電池芯的容量，*終導致電池組提前失效。

因此，對于磷酸鐵鋰電池電池組而言，均衡保護電路是須的。當然，鋰電池的電池管理系統不僅僅是電池的均衡保護，還有更多的要求以保證鋰電池儲能系統穩定可靠的運行。

（2）電池管理系統BMS的具體功能

1）基本保護功能

單體電池電壓均衡功能

此功能是為了修正串聯電池組中由于電池單體自身工藝差異引起的電壓、或能量的離散性，避免個別單體電池因過充或過放而導致電池性能變差甚至損壞情況的發生，使得所有個體電池電壓差異都在一定的合理范圍內。要求各節電池之間誤差小于±30mv。

電池組保護功能

單體電池過壓、欠壓、過溫報警，電池組過充、過放、過流報警保護，切斷等。

2）數據采集功能

采集的數據主要有：單體電池電壓、單體電池溫度（實際為每個電池模組的溫度）、組端電壓、充放電電流，計算得到蓄電池內阻。

通訊接口：采用數字化通訊協議IEC61850。在儲能電站系統中，需要和調度監控系統進行通訊，上送數據和執行指令。

3）診斷功能

BMS應具有電池性能的分析診斷功能，能根據實時測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓、計算得到的電池內阻等參數，通過分析診斷模型，得出單體電池當前容量或剩余容量（SOC）的診斷，單體電池健康狀態（SOH）的診斷、電池組狀態評估，以及在放電時當前狀態下可持續放電時間的估算。根據電動汽車相關標準的要求《鋰離子蓄電池總成通用要求》（目前儲能電站無相關標準），對剩余容量（SOC）的診斷精度為5%，對健康狀態（SOH）的診斷精度為8%。

4）熱管理

鋰電池模塊在充電過程中，將產生大量的熱能，使整個電池模塊的溫度上升，因而，BMS應具有熱管理的功能。

5）故障診斷和容錯

若遇異常，BMS應給出故障診斷告警信號，通過監控網絡發送給上層控制系統。

對儲能電池組每串電池進行實時監控，通過電壓、電流等參數的監測分析，計算內阻及電壓的變化率，以及參考相對溫升等綜合辦法，即時檢查電池組中是否有某些已壞不能再用的或可能很快會壞的電池，判斷故障電池及定位，給出告警信號，并對這些電池采取適當處理措施。當故障積累到一定程度，而可能出現或開始出現惡性事故時，給出重要告警信號輸出、并切斷充放電回路母線或者支路電池堆，從而避免惡性事故發生。

采用儲能電池的容錯技術，如電池旁路或能量轉移等技術，當某一單體電池發生故障時，以避免對整組電池運行產生影響。

管理系統對系統自身軟硬件具有自檢功能，即使器件損壞，也不會影響電池安全。確保不會因管理系統故障導致儲能系統發生故障，甚至導致電池損壞或發生惡性事故。

6）建議方案

?均衡保護技術

建議能量轉移法（儲能均衡）。

?其它保護技術

對于電池的過壓、欠壓、過流等故障情況，采取了切斷回路的方式進行保護。

對瞬間的短路的過流狀態，過流保護的延時時間一般至少要幾百微秒至毫秒，而短路保護的延時時間是微秒級的，幾乎是短路的瞬間就切斷了回路，可以避免短路對電池帶來的巨大損傷。

在母線回路中一般采用快速熔斷器，在各個電池模塊中，采用高速功率電子器件實現快速切斷。

?蓄電池在線容量評估SOC

在測量動態內阻和真值電壓等基礎上，利用充電特性與放電特性的對應關系，采用多種模式分段處理辦法，建立數學分析診斷模型，來測量剩余電量SOC。

分析鋰電池的放電特性,基于積分法采用動態更新電池電量的方法,考慮電池自放電現象,對電池的在線電流、電壓、放電時間進行測量；預測和計算電池在不同放電情況下的剩余電量，并根據電池的使用時間和環境溫度對電量預測進行校正，給出剩余電量SOC的預測值。

為了解決電池電量變化對測量的影響，可采用動態更新電池電量的方法，即使用上一次所放出的電量作為本次放電的基準電量，這樣隨著電池的使用，電池電量減小體現為基準電量的減小；同時基準電量還需要根據外界環境溫度變化進行相應修正。

?蓄電池健康狀態評估SOH

對鋰電池整個壽命運行曲線充放電特性的對應關系分析，進行曲線擬合和比對，得出蓄電池健康狀態評估值SOH，同時根據運行環境對評估值進行修正。

?蓄電池組的熱管理

在電池選型和結構設計中應充分考慮熱管理的設計。圓柱形電芯在排布中的透氣孔設計及鋁殼封裝能幫助電芯更好的散熱，可有效防鼓，保證穩定。

BMS含有溫度檢測，對電池的溫度進行監控，如果溫度高于保護值將開啟風機強制冷卻，若溫度達到危險值，該電池堆能自動退出運行。

3.3并網控制子系統

本子系統包括儲能電站內將直流電變換成交流電的設備。用于將電能變換成適合于電網使用的一種或多種形式的電能的電氣設備。*大功率跟蹤控制器、逆變器和控制器均可屬于本子系統的一部分。

(1)大功率PCS拓撲

?設計原則

?符合大容量電池組電壓等級和功率等級；

?結構簡單、可靠穩定，功率損耗低；

?能夠靈活進行整流逆變雙向切換運行；

?采用常規功率開關器件，設計模塊化、標準化；

?并網諧波含量低，濾波簡單；

?發展現狀

低壓等級（2kV以下）電池組的PCS系統早期一般是采用基于多重化技術的多脈波變換器，功率管采用晶閘管或GTO。隨著新型電池技術的出現、功率器件和拓撲技術的發展，較高電壓等級（5kV~6kV）的電池組的PCS系統一般采用多電平技術，功率管采用IGCT或IGBT串聯。

另外一種方案是采用DC/DC+DC/AC兩級變換結構，通過DC/DC先將電池組輸出升壓，再通過DC/AC逆變。適合大功率電池應用的DC/DC變換器拓撲主要采用非隔離型雙向Buck/Boost電路，多模塊交錯并聯實現擴容；DC/AC部分主要包括多重化、多電平、交錯并聯等大功率變流技術，以降低并網諧波，簡化并網接口。

?建議方案

大容量電池儲能系統可采用電壓源型PCS，并聯接入電網，PCS設計成四象限運行，能獨立的進行有功、無功控制。目前電池組電壓等級一般低于2kV，大容量電池儲能系統具有低壓大電流特點。考慮兩級變換結構損耗大，建議采用單級DC/AC變換結構，通過升壓變接入電網。利用多變流器單元并聯技術進行擴容，采用移相載波調制和環流抑*實現單元間的功率均分。結構簡單、易控制、模塊化、容錯性好和效率高。

(2)PCS控制策略

?控制要求

?高*安全電池充放電；

?滿足電網相關并網導則；

?進行有功、無功獨立調節；

?能夠適應電網故障運行。

?研究現狀

國內外對分布式發電中并網變流器控制策略已經展開了廣泛研究，常采用雙閉環控制，外環根據控制目標的不同，提出了PQ控制、下垂控制、虛擬同步機控制等，內環一般采用電流環，提出了自然坐標系、靜止坐標系和同步坐標系下的控制策略。電池儲能系統PCS控制除了滿足常規的并網變流器要求，更重要的要滿足電池充放電要求，尤其是電網故障情況下的控制。

?建議方案

?采用多目標的變流器控制策略，一方面精*控制充放電過程中的電壓、電流，確保電池組高*、安全充放電；另一方面根據調度指令，進行有功、無功控制。

?低電壓穿越能力強，逆變器對電網電壓應始終工作在恒流工作模式，輸出端壓跟隨市電，可以在很低電壓下運行，甚至在輸出端短路時仍可輸出，此時逆變器保持額定的輸出電流不變。

?實現電網故障狀態下電池儲能系統緊急控制，以及電網恢復后電池儲能系統的重新同步控制。

3.4儲能電站聯合控制調度子系統

常規的儲能電站控制系統使用的產品來自于不同的供應商。幾乎每個產品供應商都具有一套自己的標準,整個儲能電站里運行的規約就可能達到好幾種。于是當一個儲能電站需要將不同廠商的產品集成到一個系統時，就不得不花很大的代價做通信協議轉換裝置，這樣做一方面增加了系統的復雜性降低了可靠性，另一方面增加了系統成本和維護的復雜性。因此本方案建議采用基于IEC61850的系統方案。

IEC61850是關于變電站自動化系統的通訊網絡和系統的國際標準。制定IEC61850主要目的就是使不同制造廠商的產品具有互操作性,使它們可以方便地集成到一個系統中去，能夠在各種自動化系統內部準確、快速地交換數據，實現無縫集成和互操作。由于聯合發電智能監控系統采用IEC61850協議，所以在儲能電站也采用基于IEC61850的控制系統有利于處理并傳送從儲能電站控制系統到聯合發電智能監控系統各種實時信息。

儲能電站控制系統采用模塊化、功能集成的設計思想，分為系統層和設備層兩層結構，全站監控雙網采用100M光纖以太網作為通信網絡，采用星型網絡結構。

?系統層配置：

系統層主要實現實時數據采集、與聯合發電智能監控系統通信等功能。

?實時數據采集

通過子系統的智能組件從功率調節系統、電池系統、配電系統獲取數據，這些數據包括電池容量、線路狀態、電流、有功功率、無功功率、功率系數和平均值。

?與聯合發電智能監控系統通信：

在儲能電站和變電站之間鋪設光纖，將儲能電站的實時數據、故障信息等上傳到聯合發電智能監控系統；同時接受聯合發電智能監控系統下發的控制命令。

?設備層配置：

設備層由電池管理系統（BMS）及其智能組件、能量管理系統（PCS）及其智能組件、配電系統保護測控裝置等。

?電池管理系統（BMS）及其智能組件：

電池管理系統（BMS）對整個儲能系統的安全運行、儲能系統控制策略的選擇、充電模式的選擇以及運營成本都有很大的影響。電池管理系統無論是在電池的充電過程還是放電過程，都要可靠的完成電池狀態的實時監控和故障診斷。并通過智能組件將相關信息轉化為IEC61850協議通過光以太網上送到監控系統，以便采用更加合理的控制策略，達到有效且高*使用電池的目的。

?能量管理系統（PCS）及其智能組件：

能量管理系統（PCS）實現對電池充放電的控制，滿足儲能系統并網要求。研究多目標的變流器控制策略，一方面精*控制充放電過程中的電壓、電流，確保電池組高*充放電；另一方面根據調度指令，進行雙向平滑切換運行，實現有功、無功獨立控制。另外，在電網故障條件下，研究多儲能PCS單元的協調控制，實現對局部電網的安全運行。智能組件將PCS需要上傳的開關量、模擬量、非電量、運行信息等轉換為IEC61850協議通過以太網上傳給監控系統，同時將監控系統下發的模式切換命令及定值設定轉發給PCS。

?配電系統保護測控裝置：

采用數字化保護測控一體化裝置，采用直接對常規互感器采樣的方式完成電壓、電流的測量；斷路器、刀閘位置等開關量信息通過硬接點直接采集；斷路器的跳合閘通過硬接點直接控制方式完成。具備IEC61850協議的以太網通信方式與監控系統相連。

4.儲能電站（系統）整體發展前景

全球能源緊缺，新興能源產業的發展勢在必行，但風能、太陽能等清潔能源受環境影響較大，功率不穩定，致使傳統電網無法承載，大量能量被浪費。主要原因之一就是：儲能技術落后，現有儲能電站無法實現功率補償，無法滿足功率平滑的需求。可以說，儲能電站的發展已成為新能源開發的核心之一。

除光伏發電系統外，儲能電站也廣泛適用于如下場合：

　　(1)、負荷波動大的工廠、企業、商務中*等；

　　(2)、需要具備“黑啟動"功能的發電站；

　　(3)、發電質量有波動的風能和潮汐能發電站；

　　(4)、需要夜間儲存能量以供白天使用的核能、風能等發電設施；

　　(5)、因環保原因限制小型火力調峰發電站或其它高污染發電站發展的區域；

(6)、戶外臨時大型負荷中*。

采用磷酸鐵鋰電池這一儲能技術為核心的儲能電站，相比于抽水蓄能、壓縮空氣儲能等現有儲能技術，具有明顯的成本和運行壽命優勢，經濟效益突出，需求巨大，應用前景廣闊。隨著全球電力需求逐年增長，用電高峰和低谷的負荷差距越來越大，磷酸鐵鋰電池儲能電站（系統）作為一項新興技術，將給電網儲能領域帶來革命性的技術更新，具有巨大的社會效應和經濟效應。

5.Acrel-2000ES儲能能量管理系統

5.1平臺概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專門用于設備管理的一套軟件系統平臺。

5.2系統結構圖