淺談風儲電池能量管理係統的功能設計及測試分析

hth下载地址 陳聰

摘要：主要對10kW/20kWh風儲(chu) 鋰電池的能量管理係統進行設計，所設計的係統共包括2部分：儲(chu) 能管理單元和電池管理單元。其中的儲(chu) 能管理單元不僅(jin) 可控製電池儲(chu) 能係統充電和放電、還可監測其狀態並對所收集的數據進行分析；電池管理單元可通過監測電池的溫度和電壓等對電池進行實時保護和均壓控製，通過這2個(ge) 係統的相互協調可對儲(chu) 能係統的充放電過程進行安全動態管理。通過實驗對所設計係統的有效性進行驗證，從(cong) 而為(wei) 鋰電池儲(chu) 能係統在工程中的應用奠定一定的基礎。

關(guan) 鍵詞：儲(chu) 能管理；電池管理；均壓控製

0引言

由於(yu) 風能的間歇性、隨機性及不可預測性，使得風電的並網對電力係統的穩定及安全有一定的威脅，這在一定程度上限製了對風能的有效利用。由於(yu) 電池儲(chu) 能技術可使風電功率實現時空的轉移，所以該技術是提高風電並網能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理係統對電池儲(chu) 能技術是至關(guan) 重要的，通過該係統可對儲(chu) 能係統的狀態進行監測等，同時還可實現對蓄電池的實時保護等。目前，大規模的電池儲(chu) 能技術在我國還處於(yu) 發展階段，相關(guan) 能量管理係統的設計仍需進一步的探索。

1係統結構

風-儲(chu) 聯網係統的組成主要包括發電機組、電網及BESS(電池儲(chu) 能係統)等，風-儲(chu) 聯網係統的運行圖如圖1所示。電網根據自身需求和調度周期內(nei) 風電的出力大小向ESMU(儲(chu) 能管理單元)發送指令，在每個(ge) 控製周期內(nei) ESMU會(hui) 根據所得信息向變流器的控製係統發送充放電指令，即通過調節儲(chu) 能電池充電功率的值對BESS(電池儲(chu) 能係統)的工作狀態進行實時監測，根據充放電的功率和鋰電池的荷電狀態(簡稱SOC)對儲(chu) 能係統的充放電功率進行調整，從(cong) 而提高係統的安全性。

圖一風-儲(chu) 聯網係統的運行圖

2能量管理係統設計

2.1 ESMU設計

該係統的ESMU主要包括控製、通信、監測和數據管理四個(ge) 模塊，如圖2所示。通信模塊的設計主要基於(yu) Modbus協議，通信介質為(wei) 串口線，與(yu) 變流器之間的數據通信的建立通過RS-485接口，通信介質為(wei) 基於(yu) Modbus_TCP協議的網線，與(yu) 電池之間的數據通信主要通過RJ-45接口建立。

通過通信模塊可以與(yu) BESS中的某些部分實現數據通信，但所使用的數據均為(wei) 符合Modbus應用協議的報文，這不利於(yu) 實現人機之間的交互。通過控製與(yu) 監測模塊可很好地實現人機之間的交互，完成對交互指令的翻譯和通信的報文，同時通過與(yu) 通信模塊之間的配合可對BESS的狀態進行實時的監測和控製。控製模塊還可對變流器的工作時間、工作模式等進行設定，監測模塊可對電池的電流、電壓及溫度等狀態進行監視，同時還可動態監視變流器的交直流側(ce) 的電流、電壓、功率等。

通過監控和通信模塊可對BESS的狀態進行監測和控製，但無法保存其運行時的數據，同時無法對其工作性能進行分析。通過數據管理模塊可將ESMU的狀態監測數據和控製指令信息實時導入，同時可實時地分析BESS的工作性能。可靠的數據基礎是實現對BESS數據管理和分析的前提，本文的ESMU以SQLserver為(wei) 基礎建立了實時的數據庫用於(yu) 對所監測的數據進行存儲(chu) 。本文所建立的數據庫中共包括電池信息表、變流器信息表、指令信息表、調度功率信息表4個(ge) 父表，每個(ge) 父表中還包括各子表的屬性信息，父表下屬的4個(ge) 子表分別記錄電池的狀態、變流器狀態、控製指令的數據和調度功率的數據。

2.2 BMU設計

電池組中的每箱電池配備一套用於(yu) 采集每節電池電流、溫度、電壓等信息的子能量管理單元，子能量管理單元負責將所采集到的信息發送到主控管理單元，從(cong) 而將信息傳(chuan) 至ESMU。圖3所示為(wei) BMU工作原理的示意圖。

BMU將所得的電池信息與(yu) 電壓、溫度的預設值相比較，當總電壓或單體(ti) 電壓或溫度等高於(yu) 告警值時，BMU將發出警告信號，當總電壓或單體(ti) 電壓或溫度等高於(yu) 保護值時，BMU內(nei) 的接觸器將會(hui) 被觸發，電池停止工作。

3能量管理係統各功能的實現

3.1 ESMU功能實現

ESMU中主要包括監測、控製、數據管理3個(ge) 主界麵，通過這3個(ge) 主界麵可以實現對儲(chu) 能係統的狀態監測、充放電控製及數據管理。

ESMU控製主要由4部分組成。可以對BESS的控製模式進行設置，主要包括恒流、恒功率、恒壓充/放電及自定義(yi) 充放電7種模式，自定義(yi) 充放電模式以所導入的調度指令功率為(wei) 依據控製BESS，同時通過調整BESS的充放電功率來滿足相應的約束條件，避免電池充放電過度；可以對電流、功率及充放電的時間進行設置；也可以用於(yu) 顯示係統時間；以及對電池及變流器運行時的參數進行設置。

ESMU的監測共包括2部分。可以用於(yu) 顯示變流器的相關(guan) 信息，如電壓、交直流側(ce) 電流及故障信息等；也可以用於(yu) 顯示電池的單體(ti) 電壓、荷電狀態及故障信息等。

ESMU數據管理主要包括4部分。主要用於(yu) 導入調度功率等，對充放電的電流、電壓等進行選擇；對查看的時間段進行設置；用於(yu) 顯示所查看的結果；用於(yu) 導出結果。

3.2 BMU功能實現

係統的壽命受電池電壓的影響很大，本研究中對每箱電池均進行均勻控製。均勻控製的過程為(wei) ，對箱體(ti) 內(nei) 每節電池的電壓進行定時監測，當係統進行充電時，如果箱體(ti) 中單節電池的電壓與(yu) 箱體(ti) 中電池電壓的平均值相差20mV以上時，啟動均衡電路，此時單體(ti) 電池中電壓值較高的會(hui) 向整箱電池放電，直至箱體(ti) 中電壓的平均值與(yu) 其端電壓的差值小於(yu) 20mV；若二者之間的差值小於(yu) 20mV時，則不啟動均衡電路。

當係統放電時，與(yu) 充電時所采用策略類似，圖4所示為(wei) 控製的具體(ti) 方法。較大放電與(yu) 充電均衡的電流均為(wei) 10A。

電池組充電時，當電池組的總電壓大於(yu) 690V或單體(ti) 電壓值大於(yu) 3.60V時，BMU會(hui) 發出告警信號；當電池組的總電壓大於(yu) 700V或單體(ti) 電壓值大於(yu) 3.65V時，BMU會(hui) 向電池組與(yu) 變流器間的斷路器發出相應信號，斷開變流器與(yu) 電池組之間的連接，同時停止對儲(chu) 能係統的充電。電池組放電時，當電池組的總電壓大於(yu) 550V或單體(ti) 電壓值大於(yu) 2.90V時，BMU會(hui) 發出告警信號；當電池組的總電壓大於(yu) 520V或單體(ti) 電壓值大於(yu) 2.70V時，BMU會(hui) 向電池組與(yu) 變流器間的斷路器發出相應信號，斷開變流器與(yu) 電池組之間的連接，同時停止對儲(chu) 能係統的放電。當單節電池的溫度小於(yu) 15℃或大於(yu) 35℃時，BMU會(hui) 發出告警信號；當單節電池的溫度小於(yu) 10℃或大於(yu) 40℃時，BMU內(nei) 的接觸器會(hui) 產(chan) 生相應動作，停止充放電。

4hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統解決(jue) 方案

4.1概述

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能，涵蓋了儲(chu) 能係統設備(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(chu) 、數據查詢與(yu) 分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、備用電源等控製功能。係統對電池組性能進行實時監測及曆史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控製，優(you) 化了電池性能，提高電池壽命。係統支持Windows操作係統，數據庫采用SQLServer。本係統既可以用於(yu) 儲(chu) 能一體(ti) 櫃，也可以用於(yu) 儲(chu) 能集裝箱，是專(zhuan) 門用於(yu) 儲(chu) 能設備管理的一套軟件係統平台。

4.2適用場合

係統可應用於(yu) 城市、高速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

工商業(ye) 儲(chu) 能四大應用場景

1）工廠與(yu) 商場：工廠與(yu) 商場用電習(xi) 慣明顯，安裝儲(chu) 能以進行削峰填穀、需量管理，能夠降低用電成本，並充當後備電源應急；

2）光儲(chu) 充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲(chu) 能平抑大功率充電站對於(yu) 電網的衝(chong) 擊；

3）微電網：微電網具備可並網或離網運行的靈活性，以工業(ye) 園區微網、海島微網、偏遠地區微網為(wei) 主，儲(chu) 能起到平衡發電供應與(yu) 用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業(ye) 儲(chu) 能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾(zhong) 多應用場景。

4.3係統結構

4.4係統功能

4.4.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

係統應可以對分布式電源、儲(chu) 能係統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲(chu) 能荷電狀態及發電單元與(yu) 儲(chu) 能單元運行功率設置等。

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電樁及總體(ti) 負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖2係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

光伏界麵

圖3光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

儲能界麵

圖4儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖9儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖10儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖12儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界麵

圖13風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界麵

圖14充電樁界麵

本界麵用來展示對充電樁係統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個(ge) 充電樁的運行數據等。

視頻監控界麵

圖15微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

4.4.2發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，並展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界麵

4.4.3策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界麵

4.4.4運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

4.4.5實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖19實時告警

4.4.6曆史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20曆史事件查詢

4.4.7電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：係統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與(yu) 閃變：係統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網係統電能質量界麵

4.4.8遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

4.4.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

4.4.11網絡拓撲圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.12通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

4.4.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

4.4.14故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力係統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

圖28故障錄波

4.4.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故前*個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

4.5係統硬件配置清單

5結　論

在設計和實現風儲(chu) 電池能量管理係統的過程中,除了著眼於(yu) 基本的控製策略功能實現以外,還需對其他影響係統可用性的因素加以關(guan) 注。為(wei) 避免電池、PCS、BMS、EMS、溫控係統和消防係統的能量損耗導致儲(chu) 能係統的能量持續降低,在風儲(chu) 能量管理係統的設計中需要對上述損耗加以補償(chang) ,選擇性功率偏置可以起到良好的效果。通過該係統可控製對電池的充放電、狀態監測和運行狀態、性能的分析，同時可對電池的溫度、電壓進行實時保護及告警，從(cong) 而保證係統運行的穩定及安全。

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