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(jìn)步的需求越來越迫切。文章通過研究微電網(wǎng)的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)出具有三層架構(gòu)的電池管理系統(tǒng)和多組電池獨(dú)立控制的功率變換系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)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(jī)、環(huán)境問題以及提高電力供應(yīng)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(fù)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(jì)初，學(xué)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(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)脫離主網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)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(yīng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)、分布式光伏、儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組、微電網(wǎng)母線、配電網(wǎng)以及各類負(fù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組作為輔助電源；負(fù)荷由生產(chǎn)車間、動力供應(yīng)點(diǎn)及其他負(fù)荷組成。

微電網(wǎng)中分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)很容易受到外界環(huán)境影響，導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生波動，影響微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。儲能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)，可以作為后備電源提供短時(shí)供電，也能夠解決電壓跌落、瞬時(shí)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(shí)的低電壓穿越等維持系統(tǒng)穩(wěn)定，通過向電網(wǎng)及負(fù)荷提供有功和無功補(bǔ)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(fù)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(yīng)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(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)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(jìn)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(luò)，傳輸采集數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和控制信號，實(shí)現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的即時(shí)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(jìn)行均衡維護(hù)。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(hù)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(shí)現(xiàn)儲能與光伏能源互補(bǔ)，平滑隨機(jī)氣象、技術(shù)原因引起的新能源間隙性波動，實(shí)現(xiàn)清潔能源高效利用，同時(shí)達(dá)到針對峰谷電價(jià)策略，按照夜儲日供的策略，減少單位用電支出的目的，建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(fēng)沙等特點(diǎn)，滿足復(fù)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(shí)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(dá)到系統(tǒng)功率和容量要求，電池簇設(shè)計(jì)時(shí)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_(dá)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(hù)單元組成。

（1）系統(tǒng)功能

BMS通過三層模塊實(shí)時(shí)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(bào)警和保護(hù)，電池簇均衡，BMS故障診斷，與其他系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)電池智能管理。BMU實(shí)現(xiàn)電池電壓和溫度模擬量測量、電池電壓和溫度異常報(bào)警和上報(bào)、電池SOC和SOH估算、電池均衡等功能。BCMU實(shí)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(bào)警，電池簇SOC估算，執(zhí)行電池簇保護(hù)，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(jì)算，BMS系統(tǒng)內(nèi)故障診斷，BMS參數(shù)設(shè)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(shí)獲取電池電壓、電流、SOC、溫度等信息。同時(shí)自下而上地采集信息和自上而下地控制信號都能及時(shí)送達(dá)，保證了系統(tǒng)控制的即時(shí)和準(zhǔn)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(jī)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(yuǎn)程服務(wù)器經(jīng)以太網(wǎng)可對集裝箱儲能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控，使儲能系統(tǒng)得以及時(shí)的維護(hù)，保證儲能系統(tǒng)的安全運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)四組電池的單獨(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)容量不能隨時(shí)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(bǔ)系統(tǒng)的一部分，需要實(shí)現(xiàn)多組電池的獨(dú)立控制、系統(tǒng)容量的自由配置及根據(jù)實(shí)際情況投切電池簇，故功率變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多級型拓?fù)浣Y(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(jī)上，采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)時(shí)更新顯示儲能系統(tǒng)狀態(tài)；EMS將運(yùn)行過程中的儲能系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報(bào)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(shí)時(shí)的健康狀態(tài)評估，便于用戶及時(shí)了解電池的性能，提高工作效率，減少工作負(fù)擔(dān)。

4優(yōu)勢

本文設(shè)計(jì)的集裝箱儲能系統(tǒng)具有可移動、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)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(shí)用價(jià)值。其主要特點(diǎn)有以下幾面：

（1）模塊化：集裝箱集成了完整的儲能系統(tǒng)設(shè)備，外形上具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，方便海運(yùn)和陸運(yùn)。它可以用起重機(jī)吊裝，適用于船舶、卡車和安置地點(diǎn)的裝卸，可快速安裝、投運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適用任何接入需求，如空調(diào)、光伏、風(fēng)機(jī)、電力電纜和其他設(shè)備的接入。

（3）良好的保護(hù)：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(yùn)輸過程中保護(hù)內(nèi)在設(shè)備和設(shè)施，并在儲能系統(tǒng)的生命期內(nèi)提供良好的保護(hù)，免受天氣、運(yùn)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(qiáng)，不受地域限制，便于裝卸和運(yùn)輸。

5應(yīng)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(jìn)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(fēng)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(shí)，可以將風(fēng)電、光伏等能量儲存起來，真正實(shí)現(xiàn)了“負(fù)荷調(diào)節(jié)、配合新能源接入、彌補(bǔ)線損、功率補(bǔ)償、提高電能質(zhì)量"，也可以實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)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(kuò)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(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)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(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)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(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。

6.3系統(tǒng)功能

6.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

6.3.2設(shè)備監(jiān)控

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

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)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(shí)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(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實(shí)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(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

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

6.3.3曲線報(bào)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(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

6.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設(shè)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(jì)

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(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

6.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，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(yùn)行，設(shè)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(yùn)行、維護(hù)、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(xì)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(shè)計(jì)方案已經(jīng)在1.5MWh微電網(wǎng)儲能項(xiàng)目中投入使用，在長期運(yùn)行過程中證實(shí)了該方案的實(shí)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(xiàn)

[1］郭振，詹梨梨，王冬林，陳頡.集裝箱儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

[2］ 張建華，黃偉.微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010：110-126.

[3] 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.