儲能系統的原理與應用

曾富軍

（深圳市招華國際會展運營有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

深圳市招華國際會展運營有限公司為深圳國際會展中心運營方公司，深圳國際會展中心工程項目總設備容量為216 703.3 kW，分別從3個不同的110 kV變電站共引14路10 kV專用電源。由于工程供配系統龐大，并創造綠色可持續發展展館，因此在供配電系統高壓系統中引入儲能系統，以優化供配電系統，降低能耗及公司各項成本，達到可持續發展。

1 儲能系統概述

1.1 儲能系統基本構造原理與主要技術參數

儲能系統由磷酸鐵鋰電池系統、電池管理系統、能量管理系統、級聯式能量轉換裝置、消防系統、空調系統以及集裝箱等組成，其主回路一次系統原理圖如下圖所示。

圖1 儲能系統主回路原理圖

儲能系統從10 kV高壓接入，依次接入高壓控制開關柜、級聯式能量裝置進線柜、充電電阻柜、級聯式能量轉換裝置啟動柜、級聯式能量轉換裝置功率柜、級聯式能量轉換裝置主控制柜、級聯式能量轉換裝置分相控制柜以及電池組等。儲能系統單元采取級聯H橋的拓撲結構，一次電路采用星形連接，每相由14個鏈節串聯組成，每個鏈節由1個功率單元和1個電池柜組成，每個電池柜的額定直流電壓為691.2 V，容量為69.12 kW·h，每個電池柜由12個57.6 V/5.76 kW·h電池PACK串聯組成。

儲能系統的主要技術參數中，單臺裝置電壓等級為10 kV，額定功率為5 000 kW，交流相數為三相三線，通信接口為RS485/232、網口以及光口，支持IEC61850和Mod Bus等標準規約，安裝方式為室內固定式和集裝箱式，狀態切換時，并網和孤網工作模式可無縫切換。

并網運行工作模式下，電壓范圍為-10%～15%Un，額定頻率為50/60 Hz，交流過載能力為110%（10 min）和120%（1 min），功率因數為-0.99～+0.99，總電流波形畸變率（THD）＜3%，效率≥88%，功率控制精度≤0.5%（儲能變流器輸出大于其額定功率20%時），充放電轉換時間≤5 ms，孤島檢測時間＜5 ms。

孤網運行工作模式下，電壓精度為-1%～1%，輸出電壓失真度＜0.5%，額定輸出頻率為50/60 Hz，電壓過渡變動范圍為-5%～5%，頻率過渡變動范圍為-2%～2%（電阻負載），電壓不平衡度＜3%，交流過載能力為110%（10 min）和120%（1 min），效率大于≥88%。

1.2 儲能系統整體結構裝置組成

單套儲能系統裝置構成如圖1所示，一般由1臺中控集裝箱和3臺分相集裝箱組成。中控集裝箱的主要設備包括進線柜、電阻柜、啟動柜、控制柜、能量管理系統柜、EMS柜、監控系統以及散熱風柜系統等。其中，進線柜中裝有隔離刀閘、高壓斷路器、電壓互感器以及高壓帶電顯示裝置，電阻柜中裝有隔離刀閘、高壓接觸器、預充電限流電阻器以及電流互感器，啟動柜中裝有連接電抗器、霍爾傳感器以及溫控儀，控制柜中裝有主控制器和人機界面。分相集裝箱主要設備包括功率柜、分相控制柜以及電池簇等，其中功率柜中裝有功率單元體，分相控制柜中裝有分相控制器。

1.3 儲能系統介紹

1.3.1 級聯式能量轉換裝置

級聯式能量轉換裝置也被稱為鏈式級聯式能量裝置，是電力電子技術在電力系統中的典型應用，也是未來解決電能質量問題的重要手段，是儲能系統的核心系統。其主回路為電壓源型的變流器和并網電抗器，而不再是變流器、電抗器以及升壓變壓器的組合，此外采用級聯直掛式的方式接入高壓電網，是電池系統能量轉換技術的一大飛躍。基本工作原理如圖2所示。

圖2 PCS工作原理圖

級聯式能量轉換裝置并聯在高壓母線上，采用級聯式的拓撲結構與控制算法，每相由若干個H橋儲能變流器單元進行串聯移相疊加，再通過電抗直接并聯與10 kV電網連接。適當地調節橋式電路交流輸出電壓的相位和幅值就可以使該電路輸出有功和無功電流，從而實現有功功率和無功功率的快速調節。輸出電流的表示如下：

式中，US為電網電壓；U1為橋式電路輸出電壓；XL為系統阻抗（主要為電抗器感抗）；I1為輸出電流。

功率單元是PC的核心部件，集成了H橋換流電路、直流紋波吸收電路、充電限流電路、信號隔離轉換模塊、功率單元控制板以及接觸器等，負責完成交直流變換和功率傳送，每一個功率單元的直流側與對應電池組相連，交流側依次串聯后形成換流鏈，同相功率單元輸出電壓疊加后形成高壓接入電網。

高壓大容量的電化學儲能變流器裝置對控制器的要求非常高，為了儲能系統控制的準確性，級聯式能量轉換裝置設計了功能強大的主控制系統。以雙高速數字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）結合雙大容量現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）為核心，通過復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）實現開關量管理和全局尋址，大容量的數據存儲器件（FLASH、SDRAM以及EEPROM等）支持多種總線協議的通信接口。PCS主控制器通過光纖與功率單元控制板相連，完成鏈節的控制和信息收集，具備的控制功能包括以下6點。一是儲能級聯式能量裝置能夠控制電能的四象限運行，即有功的充放和無功的容感性補償，二是可離網、并網運行以及離并網模式切換，三是具有對電池單元SOC的相內均衡功能和對電池單元SOC的相間均衡功能，四是能夠監控系統的控制指令對電池進行充放電控制，五是能夠處理電池管理系統的各種告警信息，以確保電池的安全，六是能夠控制充放電過程符合電池的充放電特性。

1.3.2 電池系統

電池系統包括電池柜、電池簇管理系統以及電池陣列管理系統，其中電池柜包含多個電池PACK和高壓控制箱，每個PACK由多個電池模塊組成，電池模塊則是由多單體電芯組成。

單個電芯的技術參數如下，電池類型為磷酸鐵鋰電池，標稱電壓為3.2 V，標稱容量為50 Ah，額定能量≥128 Wh，最大持續充電電流為120 A（3.0 C）/25±2 ℃，單體電芯，自由狀態，最大持續放電電流為200 A（5 C）/-20～55 ℃。

電池PACK內電池模塊的數量為3，電池模塊為2P6S，電池模塊中電芯數量為12，PACK內電芯36個，PACK容量為5.76 kW·h，額定電壓為57.6 V。

高壓控制箱是電池柜功率器件（繼電器、485光纖轉換模塊、熔斷器、開關電源、濾波器以及絕緣監測儀）和單電池簇BMS主控的集合體，主要承擔電池組的功率線路控制和保護等作用，是電池完整成組和功能實現必不可少的部分。其工作電壓為100～800 V DC，供電模式為外部220 AC供電，電池接入電壓為100～800 V，最大過電流為300 A，通信接口為RS485、CAN以及光纖，絕緣檢測范圍為0～50 MΩ。

電池簇管理系統采用二級架構，包括單體電池采集模塊和電池組管理模塊。單體電池采集模塊主要采集單體電芯電壓、溫度以及電流等，電池組管理模塊主要是實現電池組保護、控制、均衡以及通信管理，保護電池組正常運行。控制柜收集所有電池系統的狀態，控制柜與級聯式能量裝置以及能量管理系統進行通信，以便達到更好的運行表現。

主要技術參數如下，正常工作電流為3.5～10 mA，工作溫度為40～85 ℃，可監測電池串數為12～24（單個采集模塊），可監測溫度點數為0～8（單個采集模塊），電壓采集精度為±3 mV，單體電壓采集范圍為0～5 V，單點溫度采集范圍為40～120 ℃，靜態功耗為1～1.5 mA，均衡電流為800 mA。

電池陣列管理系統主要功能是評估電池側的數據采集、網絡監控以及電池運行狀況，采集電池管理單元數據，包括實時報警和遙測數據，進行分類整理和運算，然后將數據轉發至能量管理系統，并將緊急報警事件轉發給級聯式能量裝置做處理。

1.3.3 能量管理系統

儲能能量管理系統根據來自調度或業主云平臺的指令及儲能系統算法邏輯控制著儲能設備的運轉，進行儲能充放電。其采用模塊化和功能集成的設計，分為系統層和設備層兩層結構，設備層和系統層之間的通信采用網線或光纖進行，采用星型網絡結構，設備層下行設備通過網線與交換機和中央控制器通信，交換機通過網絡將非標準化協議設備數據及信息傳送給通信服務器與實時服務器。

儲能能量管理系統的數據信息通過轉發服務器電網調度及業主云平臺進行轉發及通信，具有下數據采集與處理、監視與報警、監視與報警以及時間同步等功能，確保儲能能量管理系統的正常運轉與功能實現。

2 結 論

隨著時代的發展、社會的進步以及技術的成熟，供配電系統運用儲能系統裝置將會越來越廣泛。但由于儲能系統是一種高壓設備，設備內部帶有危險的高電壓，同時一些部件因長時間運行發熱而溫度升高，直接觸摸會灼傷人體，因此當工作人員對設備進行操作、維護和以及現場查看時，需嚴格遵守安全操作要求，確保安全，杜絕不正確操作。