高特电子推出FA23电池储能系统，提升能源储存效率

1.概述

在地球自然资源日益枯竭的情形下，我国相继出台“863”和“十二五规划”等各类政策，鼓励大力发展新能源，近年来，大规模发展分布式储能系统得到了较大发展，由于电池储能系统具备灵活的有功、无功功率控制能力，因此可应用于不同的发电、输电、配电场合，起到削峰填谷、提高新能源并网能力、孤岛运行、电网调峰调频及备用电源等作用，从而推动和保障地方经济和社会的稳步发展具有重要的战略意义。

电池储能系统具有过电压、过电流、短路及其系统运行必需的各种保护功能，实现可靠、安全的充放电功能及交直流逆变过程。电池储能系统配有电池管理系统（BMS）并与微网综合监控及能量管理系统（EMS）协调、配合，接受微网综合监控及能量管理系统的运行调度。电池管理系统对储能系统中动力电池进行监控和管理，完成对储能电池单体电压、充放电电流、电池组电压、温度及其他运行参数的实时监控，并上传信号至微网综合监控及能量管理系统，具备系统运行工况的实时监控，紧急情况报警和停机的功能。电池储能系统采用三级系统架构和三层保护，分别是单体电池的管理和保护、电池串的管理和保护、电池堆的管理和保护；同时储能系统在高压侧有四层保护，分别是熔丝过电流保护、ESGU控制的电池组串的各类保护、PCS保护、交流配电柜断路器保护，保证了整个储能系统的安全、可靠运行。

2.电池储能系统主要组成部分

电池储能系统主要由储能电力电池（BATTERY）、电池管理系统（BMS）、双向逆变器（PCS）以及相应的储能电站辅助设备和监控系统等组成。

（1）储能动力电池

一般采用铅酸电池、锂电池等储能电池，采用的锂电池具有高的安全性，电池不会因过充、过放、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。同时锂电池为绿色环保电池，不含任何重金属与稀有金属，无毒（CE认证通过）、无污染，符合中国ROHS规定。所有的单体电池都已经过电池运行和检测数据平台的检测，具有相近的性能和容量。

电池采用电池柜或电池架结构固定式的安装方式，而电池接线方式为电池卡扣固定件。在利用过程中，可通过电池管理系统准确找出不符合要求的单体电池，更换为与该箱电池最为匹配的单体电池。

（2）电池管理系统BMS

1）电池管理系统功能：实现信号高精度的采集，实现单体电压、温度、电池组端电压、电流等的采集，实现储能动力电池组的动态均衡管理、均衡策略，电池容量和健康诊断（SOC/SOH）计算；支持功能扩展和定制服务；提供自主研发数据接口。

2）电池管理系统组成：电池管理系统主要包括储能系统管理单元（Energy Storage Sys_- tem Management Unit，ESMU）、储能系统电池组控制单元（Energy Storage Battery Group Con-trol Unit，ESGU）、储能系统蓄电池组监护模块（Energy Storage Battery Monitoring Module，ESBMM）。

3）储能系统管理单元ESMU：对ESBMM、ESGU上传的单体电压等电池数据进行实时显示及分析，实时监测通信异常、温度过高或过低、单体电压过高或过低等报警并将记录存储，同时根据各种报警记录产生保护动作，此外可一对一实现与PCS主机、储能调度监控系统等进行联动控制，根据输出功率要求及各组电池的SOC优化负荷控制策略，保证所有电池组的总运行时间趋于一致。ESMU实物图如图1所示。

图1 ESMU实物图

ESMU技术指标如下：

①工作电源：DC85～265V；

②功耗：≤5W；

③单体电压采集范围：0～5V；

④单体电压采集准确度：≤±（0.2%FS+0.2%RD）；

⑤组端电压采集范围：0～1000V；

⑥组端电压采集准确度：≤±0.2%；

⑦电流采集（传感器）范围：±2000A（最大）；

⑧电流采集（传感器）准确度：≤±（0.5%FS+0.5%RD）；

⑨温度采集范围：-40～125℃；

⑩温度采集准确度：≤±1℃；

(11)电压采样周期：50ms；

(12)电流采样周期：100ms；

(13)主动无损均衡电流：1～5A；

(14)电压均衡平衡度：≤±30mV；

(15)SOC估算准确度：≤5%；

(16)DO触头：DC1A/30V；

(17)充电过电流保护：可根据用户要求设定过充电流大小；

(18)放电过电流保护：可根据用户要求设定过放电流大小；

(19)短路保护：动作时间<10ms；

(20)每个电池管理单元ESBMM最大可检测电池数：24串；

(21)通信方式：局域网（LAN）、RS232、RS485、CAN；

(22)通信规约：IEC61850、103、CDT、POLLING或MODBUS等；

(23)环境温度：-20～+80℃；

(24)相对湿度：<85%。

4）储能系统电池组控制单元（ESGU）：ESGU主要是对各个电池箱的运行信息收集，电池箱的均衡管理运算，对电池组出现的异常及报警，根据安全处理规则的要求对电池组进行保护，确保电池系统的安全、稳定运行，当电池严重过电压、欠电压、过电流（短路）、漏电（绝缘）等异常故障情况出现时，储能系统管理单元发出命令至该单元，控制整组电池的开断，避免电池过充、过放电。ESGU实物图如图2所示。

ESGU技术指标如下：

①工作电压：DC18～36V（DC24V）；

②组端电压采集范围：0～1000V；

③组端电压采集准确度：≤0.1%；

④温度采集范围：-40～125℃；

⑤温度采集准确度：≤±0.5℃；

⑥绝缘电阻采集范围：≥10MΩ；

⑦DO触头：3A/DC24V；

⑧干接点：1A/DC24V/4路；

⑨开关量：1A/DC24V/4路；

⑩通信接口：RS485/CAN；

⑪尺寸及质量：270mm×124mm×40mm/3kg；

⑫安装方式：壁挂。

5）储能系统蓄电池组监护模块（ESBMM）：ESBMM集电压温度等电池运行信息监测采集、充电均衡管理、单体电池荷电状态（SOC）及健康状态预估、故障诊断等功能于一体。设计紧凑合理，高度集成，各单元间采用隔离技术绝缘性能好，可靠性、安全性高。每一个模块可对24串电池进行监测和维护，可连接多路温度传感器，储能电池管理模块之间及与储能系统管理单元之间采用RS485连接。ESBMM实物图如图3所示。

图2 ESGU实物图

图3 ESBMM实物图

ESBMM技术指标如下：(www.xing528.com)

①模块供电电压：DC24V（DC18～36V）；

②最大供电功率：8W；

③均衡供电电压：DC60～96V；

④均衡供电功率：60W（含均衡功率）；

⑤电池监测节数：24节（单台最大支持）；

⑥电压检测范围：0.5～5.0V（适用于磷酸铁锂蓄电池）；

⑦电压检测准确度：±4mV；

⑧电流检测范围：0～±2000A；

⑨电流检测准确度：±0.5%；

⑩电压检测准确度：±0.1%；

(11)单体电池SOC：≤8%；

(12)电池均衡电流：自适应（≥2A）；

(13)温度测量准确度：±0.5℃；

(14)输入绝缘电阻：≥10MΩ，500V；

(15)数据通信接口：CAN2.0/RS485；

(16)通信波特率：250kbit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s（默认）、14400bit/s、19200bit/s可选；

(17)现场显示方式：LED工作状态指示；

(18)现场报警方式：一路触点输出，故障时触点闭合；

(19)现场控制方式：一路触点输出；

(20)电池维护方式：自动或远程控制（可设）；

(21)尺寸及质量：420mm×200mm×44mm/3kg；

(22)安装方式：机架、壁挂。

（3）双向逆变器（PCS）

储能双向变流器（Power Convert System，PCS）其主要功能是实现电网与储能元件间以充电和放电的形式进行交直流能量的双向流动。主要应用场合是远离电网系统的偏远地区（海岛或偏远山区等）的供电、小型微网系统（包括光伏、风电等新能源、蓄电池储能等）、智能电网中的大规模储能系统。

PCS应用于微网系统时，可运行于并网、离网两种模式。

并网模式是指PCS的交流侧与电网交流母线连接，直流侧与蓄电池组等储能元件连接，根据储能元件的荷电状态，通过外接交流母线吸收释放有功对储能元件组进行充电或者放电。在并网模式下，PCS可配合能量管理系统来实现诸多的高级应用，例如快速平滑微网系统中新能源输出功率波动、在大规模储能时的削峰填谷功能、风光储新能源互补、一次和二次调频、静态和动态无功控制、系统热备用、孤岛运行、无缝切换等。

离网运行模式是指微网系统与外部电网断开，交流侧与就地负荷连接，其作为恒压/恒频的交流电源为就地负荷提供稳定的电压和频率的交流电能的支撑。

电池组输入通过直流EMC滤波器和开关，接入逆变器直流母线，经三相桥式变换器，将电池组输出直流电压变换为高频的三相斩波电压，通过LCL型滤波器滤波变成正弦波交流电，再通过接触器、交流EMC滤波器和交流断路器后，送入内部交流母线。储能双向变流器会根据实际电池组的串数来设计多个PCS支路模块，如图4所示，多个模块交流侧则经过内部交流母线汇总后统一接到隔离变压器再接入380V电网。

（4）监控系统

监控系统一般包括如下功能：通过61850规约从储能站BMS获取实时数据，对实时数据进行分析处理，进行信号处理和电能量处理，对实时数据进行分析统计，包括各电池、电池组电压、温度、SOC最大值和最小值统计等；建立操作控制平台，可对设备运行状态控制、电池充放电管理、保护定值整定、信号复归等；根据平台的预警设置，对数据进行预警处理；根据平台设置的保存参数对数据进行存盘处理；监控系统通过人机接口子系统为操作员提供形象直观的图形化监视和操作界面；提供全息式的事故追忆功能；基于商用关系数据库系统完成历史数据管理，提供完善的历史数据备份、转储机制；自动生成日报表、月报表、年报表，供用户查询、打印和导出。监控系统搭建的硬件平台框架图如图5所示。

图4 储能PCS结构图

图5 硬件平台结构图

3.电池储能系统拓扑

储能系统架构主要由储能动力电池组、储能双向变流器、储能系统管理单元、储能系统电池组控制单元、储能系统蓄电池组监护模块、健康后台、放电负载、防雷接地系统以及其他辅助设备组成。电池储能系统拓扑图如图6所示。

图6 电池储能系统拓扑图

4.电池管理系统关键技术

（1）均衡技术

单体电池由于生产工艺等原因导致各电池容量与性能的差异，在对电池组进行充放电的过程中，必然会扩大这种差异，充电时，容量小性能差的电池会出现过充现象；放电时，容量小性能差的电池又会有过放现象；电池组容量利用率会越来越低，长此以往，这种恶性循环过程将加速电池的损坏。因此为了进一步提高电池组的容量利用率，同时提供长期稳定的功率输出，尽可能减小不一致性对电池组循环使用寿命的影响，就需要对电池组进行均衡管理，尽可能改善电池组的一致性。均衡电池多种多样，均衡方式也各有不同，本公司采用的一种均衡电路图如图7所示。

一般均衡电路都需要均衡策略进行配合，通过均衡策略找到需要进行均衡的单体电池。均衡策略在电池组运行过程中，可以实时的对采集得到的电压、电流、温度等电池数据进行分析，同时结合不同充放电状态下的电池特征数据挑选出电池组中需要进行均衡充电及均衡放电的单体电池。本公司均衡策略的基本流程框图如图8所示。

（2）电池容量诊断算法

下面给出一种容量诊断算法方案：

对需计算的锂电池短时核对性充放电曲线与后台特征曲线进行欧氏距离和相关系数的计算。

图7 均衡电路图

图8 均衡策略基本框图

所述的相关系数按下式计算得

所述的欧氏距离按下式计算得

式中，V_i（SOC_j）表示曲线库中第i条标准曲线SOC_j对应的充电或放电电压值，i≤曲线库中的曲线数；U（SOC_j）表示待测蓄电池SOC_j对应的充电或放电电压值；表示曲线库中第i条标准曲线参与计算的各SOC_j对应的充电或放电电压值均值；表示待测蓄电池参与计算的各SOC_j对应的充电或放电电压值均值；SOC_j表示曲线选取的第j个SOC值；m表示曲线特征数据点数，1≤j≤m。

当计算的相关系数及欧氏距离达到一定条件时，认为本次匹配成功，该后台特征曲线对应的健康状态可认为是该电池现有的健康状态。

下面对上述算法进行具体说明：

第一步：建立蓄电池充放电曲线库，是将不同属性蓄电池的完整充放电曲线作为标准曲线放入曲线库中，其中完整充电或放电曲线为电池满容量下的完整充电或放电曲线，蓄电池属性包括电池类型、电池标称容量和电池标称电压。

第二步：采集某时段待测电池充电或放电曲线，是采集需要检测的蓄电池在某时间段内的充电或放电曲线（一般情况在该时间段内容量的变化量大于20%的额定容量）。

第三步：模式识别，是逐一计算待测电池充电或放电曲线和曲线库中标准充电或放电曲线的相关系数，通过相关系数的匹配规则得到所需的匹配曲线并归为第一类标准曲线；再逐一计算待测电池充电或放电曲线和第一类标准曲线的欧氏距离，通过欧氏距离的匹配规则得到所需的匹配曲线，根据匹配曲线计算待测蓄电池的容量。所述相关系数的匹配规则为相关系数在0.95～1范围内的标准曲线为匹配曲线，所述欧氏距离的匹配规则为曲线间的最小欧氏距离。

进而通过匹配曲线所对应的电池容量输出待测电池的容量，若不符合匹配条件，即匹配曲线数量为零，则需采集待测电池的完整充电曲线和放电曲线，并将该完整充电和放电曲线放入曲线库中作为标准曲线；若匹配曲线数量大于1，则待测电池的容量为各匹配曲线对应容量值的平均值。该算法的流程如图9所示。

图9 基于模式识别技术的电池容量诊断算法流程

（作者：杭州高特电子设备有限公司 刘爱华 王浩）