集裝箱儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的高效集成與能量管理策略

【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)進步的需求越來越迫切。文章通過研究微電網(wǎng)的特點，提出了一種用于改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的集裝箱儲能系統(tǒng)，包括儲能電池簇、電池管理系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)、儲能監(jiān)控系統(tǒng)等，設計出具有三層架構(gòu)的電池管理系統(tǒng)和多組電池獨立控制的功率變換系統(tǒng)，經(jīng)過實際運行證明能夠改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng)；集裝箱儲能系統(tǒng)；電池管理系統(tǒng)；功率變換系統(tǒng)

1微電網(wǎng)概述

近年來為了解決能源危機、環(huán)境問題以及提高電力供應的可靠性，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給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量帶來負面影響。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，本世紀初，學術(shù)界提出了微電網(wǎng)（MicroGrid，MG）的概念，既可與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可在電網(wǎng)故障或需要時脫離主網(wǎng)獨立運行。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，可接受控制信號并在數(shù)秒內(nèi)做出響應來滿足系統(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*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)主要由風力發(fā)電機、分布式光伏、儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、微電網(wǎng)母線、配電網(wǎng)以及各類負荷組成。其中光伏和光伏逆變器構(gòu)成光伏電源系統(tǒng)，與風力發(fā)電機都屬于分布式電源；儲能系統(tǒng)作為電能調(diào)節(jié)裝置；柴油發(fā)電機組作為輔助電源；負荷由生產(chǎn)車間、動力供應點及其他負荷組成。

微電網(wǎng)中分布式電源的運行狀態(tài)很容易受到外界環(huán)境影響，導致其輸出產(chǎn)生波動，影響微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。儲能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)，可以作為后備電源提供短時供電，也能夠解決電壓跌落、瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題，通過調(diào)壓、調(diào)頻以及系統(tǒng)故障時的低電壓穿越等維持系統(tǒng)穩(wěn)定，通過向電網(wǎng)及負荷提供有功和無功補償、維持電壓穩(wěn)定等改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此儲能系統(tǒng)成為調(diào)節(jié)微電源性能，保證負荷供電質(zhì)量，抑制系統(tǒng)振蕩的重要環(huán)節(jié)，研究儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應用具有重要的意義。

2集裝箱儲能系統(tǒng)

集裝箱儲能系統(tǒng)主要由儲能電池簇、電池管理系統(tǒng)（BMS）、功率變換系統(tǒng)（PCS）、儲能監(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)設計、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)設計等。

圖2中，儲能電池簇、電池簇控制單元、PCS以及電網(wǎng)構(gòu)成動力主回路，進行電能的轉(zhuǎn)換和輸入輸出。儲能電池管理模塊（BMU）、組端采集模塊（BCMU）、儲能系統(tǒng)管理單元（BAMS）、PCS以及EMS構(gòu)成通信網(wǎng)絡，傳輸采集數(shù)據(jù)、報警信息和控制信號，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的即時控制。BMU與儲能電池直接連接，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行均衡維護。BCMU連接至整組電池及動力主回路，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。

3兆瓦級集裝箱儲能系統(tǒng)介紹

某地區(qū)為了實現(xiàn)儲能與光伏能源互補，平滑隨機氣象、技術(shù)原因引起的新能源間隙性波動，實現(xiàn)清潔能源高效利用，同時達到針對峰谷電價策略，按照夜儲日供的策略，減少單位用電支出的目的，建設了總?cè)萘繛?.5MWh的集裝箱儲能系統(tǒng)，見圖3。該集裝箱式電池儲能系統(tǒng)是以40尺標準集裝箱為載體，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)等集中在一個特制箱體內(nèi)，以實現(xiàn)高集成度、大容量、可移動的儲能裝置，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風沙等特點，滿足復雜環(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，電池不會因過充、過放、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。同時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。為達到系統(tǒng)功率和容量要求，電池簇設計時采用8簇電池并聯(lián)，每簇96個6.4V320Ah電池模塊串聯(lián)，串并聯(lián)后總?cè)萘窟_到1.57MWh。

3.2BMS

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、儲能系統(tǒng)管理單元BAMS、充/放電保護單元組成。

（1）系統(tǒng)功能

BMS通過三層模塊實時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)，電池報警和保護，電池簇均衡，BMS故障診斷，與其他系統(tǒng)通信，實現(xiàn)電池智能管理。BMU實現(xiàn)電池電壓和溫度模擬量測量、電池電壓和溫度異常報警和上報、電池SOC和SOH估算、電池均衡等功能。BCMU實現(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、絕緣異常報警，電池簇SOC估算，執(zhí)行電池簇保護，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，電量計算，BMS系統(tǒng)內(nèi)故障診斷，BMS參數(shù)設定，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獲取電池電壓、電流、SOC、溫度等信息。同時自下而上地采集信息和自上而下地控制信號都能及時送達，保證了系統(tǒng)控制的即時和準確。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。因此通過遠程服務器經(jīng)以太網(wǎng)可對集裝箱儲能系統(tǒng)進行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控，使儲能系統(tǒng)得以及時的維護，保證儲能系統(tǒng)的安全運行，提高供電系統(tǒng)的可靠性。

3.3PCS

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，實現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)間的雙向交換。該儲能系統(tǒng)需要實現(xiàn)四組電池的單獨控制，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)拓撲結(jié)構(gòu)容量不能隨時改變，儲能系統(tǒng)電壓輸出不穩(wěn)定，均流特性較差。該微電網(wǎng)中的功率變換系統(tǒng)作為光儲互補系統(tǒng)的一部分，需要實現(xiàn)多組電池的獨立控制、系統(tǒng)容量的自由配置及根據(jù)實際情況投切電池簇，故功率變換系統(tǒng)設計為多級型拓撲結(jié)構(gòu)。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，輸出儲能電池簇的充電電壓。

3.4EMS

EMS搭載在控制主機上，采用B/S架構(gòu)設計，通過以太網(wǎng)通信獲取電池、BMS、

PCS的基本信息以及儲能系統(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，實時更新顯示儲能系統(tǒng)狀態(tài)；EMS將運行過程中的儲能系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報警數(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、實時的健康狀態(tài)評估，便于用戶及時了解電池的性能，提高工作效率，減少工作負擔。

4優(yōu)勢

本文設計的集裝箱儲能系統(tǒng)具有可移動、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，無論從商業(yè)角度還是技術(shù)角度都有一定的實用價值。其主要特點有以下幾面：

（1）模塊化：集裝箱集成了完整的儲能系統(tǒng)設備，外形上具有標準的尺寸，方便海運和陸運。它可以用起重機吊裝，適用于船舶、卡車和安置地點的裝卸，可快速安裝、投運和改造。

（2）靈活接口：集裝箱儲能系統(tǒng)的動力、通信等接口采用標準化設計，適用任何接入需求，如空調(diào)、光伏、風機、電力電纜和其他設備的接入。

（3）良好的保護：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，在運輸過程中保護內(nèi)在設備和設施，并在儲能系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環(huán)境的侵害。

（4）可移動性：綜合比較其他儲能電池，鋰電池能量密度高，可移動性強，不受地域限制，便于裝卸和運輸。

5應用

集裝箱儲能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)母線，微電網(wǎng)根據(jù)峰谷特性，在谷段對電池進行充電，將多余電能儲存起來，在峰段將能量回饋給電網(wǎng)。風電、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，可以將風電、光伏等能量儲存起來，真正實現(xiàn)了“負荷調(diào)節(jié)、配合新能源接入、彌補線損、功率補償、提高電能質(zhì)量"，也可以實現(xiàn)孤網(wǎng)運行功能。儲能電池簇充電結(jié)束處于備用狀態(tài)，可由后臺統(tǒng)一控制回饋電網(wǎng)。以兆瓦級儲能系統(tǒng)作為一個單元，適用范圍廣，可以通過多個單元并聯(lián)組合擴充容量。

1. Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

6.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

6.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。

6.3系統(tǒng)功能

6.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

6.3.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

6.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

6.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

6.3.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

6.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

6.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

6.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

7結(jié)束語

本文提出了一套適用于微電網(wǎng)的集裝箱儲能系統(tǒng)，該集裝箱儲能系統(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)和儲能監(jiān)控系統(tǒng)，詳細介紹了每個系統(tǒng)的作用及相互間的聯(lián)系。本文提出的集裝箱儲能系統(tǒng)設計方案已經(jīng)在1.5MWh微電網(wǎng)儲能項目中投入使用，在長期運行過程中證實了該方案的實用性及可行性，對改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量起到了積極作用。

參考文獻

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