近年來，隨著國家雙碳政策的發(fā)布，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)大力發(fā)展，我們通過一篇文章來簡(jiǎn)要介紹一下儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本知識(shí)，主要討論儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，及關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，并梳理一些基本概念。

一.電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 含電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)

電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，在發(fā)電和用電之間總是存在著波動(dòng)不平衡的現(xiàn)象，增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)之后的電網(wǎng)系統(tǒng)，可以得到動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)整，讓多種電能源及用電負(fù)載得以共同組成一個(gè)可靠的系統(tǒng)，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以對(duì)新能源發(fā)電起到調(diào)節(jié)的作用，改善新能源發(fā)電的供需不平衡。如圖1中，給出了一個(gè)典型的增加儲(chǔ)能裝置及儲(chǔ)能逆變器的電力系統(tǒng)，包含發(fā)電站，光伏發(fā)電站，風(fēng)力發(fā)電站，電動(dòng)汽車充電站，原有電力負(fù)荷等。

這樣的系統(tǒng)可以有比較廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如削峰填谷，發(fā)電側(cè)負(fù)荷響應(yīng)，電網(wǎng)黑啟動(dòng)，調(diào)峰調(diào)頻等方面。在電池技術(shù)的發(fā)展下，從近些年的電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量的數(shù)據(jù)來看，2019年的裝機(jī)容量達(dá)到855MWH,電化學(xué)儲(chǔ)能得到了很大的發(fā)展。

圖2 大型電池儲(chǔ)能BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池容量非常大，達(dá)到MWH-幾百MWH,轉(zhuǎn)換功率達(dá)到數(shù)百MW,它一般由多簇電池組，多個(gè)PCS(電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng))，及能量管理和調(diào)度系統(tǒng)EMS組成，儲(chǔ)能管理單元ESMU和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS之間以CAN通信及RS485連接，同時(shí)它和本地能量管理單元LEMS之間以以太網(wǎng)接口通信，并做IEC61850協(xié)議處理，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以以太網(wǎng)接口和LEMS系統(tǒng)連接對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示。

針對(duì)每一個(gè)電池組而言，又由電池組管理模塊ESBCM，電流傳感器模塊CSM,電池采集均衡模塊ESBMM等組成，電池管理系統(tǒng)BMS的各個(gè)子系統(tǒng)和儲(chǔ)能管理單元之間以CAN通信方式連接。同時(shí)，涉及到安全監(jiān)控部分還有一個(gè)動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，具有各種傳感信號(hào)監(jiān)控，聲光報(bào)警，消防，空調(diào)作用。

二.儲(chǔ)能子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能子系統(tǒng)的主要組成部分就是電池，它是進(jìn)行能量存儲(chǔ)的部件，是儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，一個(gè)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)簇電池組組成，每一個(gè)電池簇由由多個(gè)電池插箱組成，每一個(gè)電池插箱又由多節(jié)電池組組成，容量可以達(dá)到數(shù)百MWH.電池的類型可能是磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池，鈦酸鋰電池等，從安全性，容量，壽命來看，磷酸鐵鋰是目前的主流選擇。從電池的組成結(jié)構(gòu)上說，由電芯，單體電池，多節(jié)電池組，電池簇，電池堆組成，設(shè)計(jì)者根據(jù)電池儲(chǔ)能總?cè)萘亢统浞烹姳堵实葲Q定電池的串并聯(lián)數(shù)和結(jié)構(gòu)。

PCS（功率變換系統(tǒng)）是儲(chǔ)能子系統(tǒng)另一個(gè)重要的組成部分，通過它，交流電可以轉(zhuǎn)換為高達(dá)1200V的直流總線電壓，從而把能量存儲(chǔ)在電池中，當(dāng)需要用電時(shí)，電池中的能量通過PCS轉(zhuǎn)化為交流電供給電網(wǎng)或者負(fù)載使用。

BMS(Battery Management System)也是儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，它通過對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)，如電壓，電流，溫度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)SoC的計(jì)算,在此基礎(chǔ)上去對(duì)電池實(shí)現(xiàn)均衡管理，故障報(bào)警，控制，保護(hù)，通信的一個(gè)系統(tǒng)。它是非常重要的一個(gè)核心部件。

EMS(Energy Management System)是儲(chǔ)能系統(tǒng)非常重要的部分，它的主要作用是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷，電池狀態(tài)，電價(jià)規(guī)則等決定儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，通過對(duì)PCS和BMS的控制，使得能量得以合理的調(diào)度使用。從結(jié)構(gòu)上由三層結(jié)構(gòu)，本地能量管理單元，區(qū)域能量管理單元，云端能量管理單元組成。

以上四部分是儲(chǔ)能電池系統(tǒng)主要的組成部分，另外，還包括對(duì)電池簇高壓的控制箱，以及動(dòng)環(huán)監(jiān)控，消防，空調(diào)系統(tǒng)等，我們這里就不做詳細(xì)描述。

圖3 大型電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)示意圖

三．儲(chǔ)能BMS系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

圖4 儲(chǔ)能BMS主要功能特點(diǎn)

從圖14中，我們可以看出BMS的主要功能，簡(jiǎn)要來說就是對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)量，診斷，保護(hù)，均衡，通訊等。

對(duì)于監(jiān)控和測(cè)量來說，涉及到的量比較多，如電池單體電壓，電池總電壓，簇電流，電池及模組溫度等。

對(duì)于故障保護(hù)來說，主要是對(duì)電池的故障進(jìn)行診斷報(bào)警，如過充電，過放電，過流，過溫等保護(hù)功能，及電池簇間并聯(lián)的抗環(huán)流等，功能安全是需要考慮的重要方面。

對(duì)于通訊來說，主要是BMS和PCS,EMS及其它監(jiān)控裝置的通信功能，在這其中，數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)是進(jìn)行通訊的基礎(chǔ)。

圖5 大型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)特點(diǎn)

對(duì)于大功率容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)來說，電池電壓一般較高，最高達(dá)到1200V左右，簇電流會(huì)達(dá)到100-300A，為了充分利用電池的容量，一般放電深度會(huì)在80%以上，由數(shù)千節(jié)單體電池組成。

如此大的功率處理，導(dǎo)致在板上的干擾非常大，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也非常大，系統(tǒng)非常復(fù)雜，在設(shè)計(jì)上對(duì)數(shù)據(jù)耦合，屏蔽等的要求較高。

圖6 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)EMC的測(cè)試要求

如前所述，大功率的處理導(dǎo)致EMC方面的要求較高，從圖6所列的一些測(cè)試項(xiàng)目可知，設(shè)計(jì)BMS所需要通過的EMC相關(guān)測(cè)試。

均衡是儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的功能，由于電池簇內(nèi)的電池的一致性問題，在放電末期電池的容量一致性會(huì)有不少差異，加之儲(chǔ)能系統(tǒng)需要80%以上的深度的充放電，所以必須要讓儲(chǔ)能系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的電池均衡能力，如均衡電流需要達(dá)到0.5-5A之大，一般的被動(dòng)均衡很難達(dá)到。主動(dòng)均衡可以避免對(duì)電池組可使用容量的影響，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體效率。

圖7 單體電池的不均衡現(xiàn)象

被動(dòng)均衡原理示意圖如圖8所示，通過切換開關(guān)和放電電阻為較高電壓的電池放電，這樣做的結(jié)果是影響效率，且放電電流會(huì)受到限制，一般只有30-100mA。

圖8 單體電池被動(dòng)均衡示意圖

溫度對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命影響非常大，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命要求需要達(dá)到15年之久，那么必須要對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的熱設(shè)計(jì)和熱管理，尤其是如調(diào)頻調(diào)峰之類的應(yīng)用，大倍率的放電導(dǎo)致電池發(fā)熱嚴(yán)重，且不均衡。所以散熱系統(tǒng)，散熱通道，熱設(shè)計(jì)，熱管理等非常重要。

數(shù)據(jù)處理能力也是儲(chǔ)能系統(tǒng)非常重要的要求，由于系統(tǒng)復(fù)雜，所以數(shù)據(jù)量非常大，需要系統(tǒng)控制單元具有強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力及響應(yīng)速度。這個(gè)要求對(duì)系統(tǒng)處理器能力，代碼結(jié)構(gòu)及質(zhì)量都提出了較高要求，IEC61850就是一個(gè)典型的協(xié)議架構(gòu)，涉及到數(shù)據(jù)保存，故障追朔，系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)等。

這里我們了解一下什么是IEC61850?

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。它通過標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化。使得智能變電站的工程實(shí)施變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。不論是哪個(gè)系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD（系統(tǒng)配置）文件了解整個(gè)變電站的結(jié)構(gòu)和布局，對(duì)于智能化變電站發(fā)展具有不可替代的作用。

IEC61850提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個(gè)規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。 ^[1]

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，它是由國際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)(IECTC57)的3個(gè)工作組10,11,12(WG10/11/12)負(fù)責(zé)制定的。

此標(biāo)準(zhǔn)參考和吸收了已有的許多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其中主要有:IEC870-5-101遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn);IEC870-5-103繼電保護(hù)信息接口標(biāo)準(zhǔn);UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0)(由美國電科院制定的變電站和饋線設(shè)備通信協(xié)議體系); ISO/IEC9506制造商信息規(guī)范MMS(ManufacturingMessage Specification)。

變電站通信體系IEC61850將變電站通信體系分為3層站控層、間隔層、過程層。

在站控層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范(MMS)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備(IED,測(cè)控單元和繼電保護(hù))均采用統(tǒng)一的協(xié)議,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)共包含10個(gè)部分(IEC61850對(duì)應(yīng)我們電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)DL/T860),具體的十個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，在這里我們就不一一詳述了，有機(jī)會(huì)再進(jìn)一步交流，這里只做簡(jiǎn)單概念梳理。

圖9 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)三級(jí)管理架構(gòu)

為了提高電池的管理性能，數(shù)據(jù)處理可靠安全，一般采用三級(jí)架構(gòu)，如圖9所示。

圖10 電池管理三級(jí)架構(gòu)的作用

底層的電池管理模塊主要用于單節(jié)電池的信息采集，如電壓，溫度，狀態(tài)計(jì)算，主動(dòng)均衡，熱管理等。

中間層負(fù)責(zé)電池組信息采集，主要是電池組電壓，電流，電池組狀態(tài)計(jì)算，其它數(shù)據(jù)計(jì)算等。

頂層的儲(chǔ)能系統(tǒng)管理單元，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)計(jì)算，控制策略實(shí)施，通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)等。

四．電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全考慮

眾所周知，安全是大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)非常重要的一方面，不僅涉及到財(cái)產(chǎn)安全，也涉及到人身安全。基于此，電池的安全狀態(tài)分析和預(yù)警是BMS非常重要的能力。

首先在設(shè)計(jì)指標(biāo)上，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提出15年的設(shè)計(jì)壽命指標(biāo)，因此BMS的設(shè)計(jì)壽命也是15年以上。

其次在BMS設(shè)計(jì)上,需要對(duì)通信控制進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，如BMS和PCS，BMS和EMS之間的通信等，不僅要考慮協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，而且要考慮控制策略的標(biāo)準(zhǔn)化，提高系統(tǒng)的可靠性。

在算法上，如電池狀態(tài)的估計(jì)需要高精度，高收斂性，高魯棒性等，這方面需要做比較大的努力，另外尤其重要的是電池安全預(yù)警算法直接決定了在故障前期的預(yù)警能力，需要做比較多的工作。

最后，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全，一定程度上取決于電池本身的安全可靠性上的提升，所以電池廠家需要在這方面不斷提高。

總結(jié)，本文從電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)談起，簡(jiǎn)要探討了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，電池BMS的主要功能特點(diǎn)，以及涉及到的一些典型問題，如熱管理，電池均衡，通信協(xié)議，硬件架構(gòu)等，對(duì)理解電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的宏觀層面具有一定的價(jià)值。