儲能管理系統節能優化性能現場測試研究

陸海強，陸水錦，莫育杰

(1.嘉興市恒創電力設備有限公司，浙江 嘉興 314033； 2.浙江清華長三角研究院, 浙江 嘉興 314006)

面對氣候變暖、環境嚴重污染及不可再生資源枯竭等問題，當前電力、交通及能源等部門越來越注重儲能技術的研究與發展。與其他類型儲能技術相比，電池儲能系統具有更短的建設周期與更靈活簡便的安裝方式，屬于在當前工程應用中適用度較高的一種技術[1-2]。其中集裝箱儲能平臺(CESS)因具備移動靈活、占用空間小及方便安裝等優點，逐漸被更多領域關注，并將其用作一種全新的儲能設備[3]。集裝箱儲能平臺屬于一種針對移動儲能市場需求所開發的集成化儲能系統，該系統內部主要包含電池箱、儲能管理系統(EMS)、儲能變流器及集裝箱動環監控系統等[4-5]。

當前由于動力電池技術的限制影響集裝箱儲能平臺的發展，其中與電池儲能管理相關的問題成為影響此類系統應用成本、壽命、安全性及節能優化性能的主要因素，良好的電池儲能管理系統設計成為保障集裝箱儲能平臺良好運行的關鍵[6]。現階段為實現大規模的集裝箱儲能平臺應用，需依賴于可靠安全的儲能管理機制，以此達到監測與控制集裝箱儲能平臺的狀態與運行的目的，同時實現對集裝箱儲能平臺電池的實時保護與均衡控制[7]。然而當前我國針對集裝箱儲能平臺的儲能管理系統設計及實現依然處于探索階段，仍需不斷給予探索與研究。

基于以上分析，本文設計了一種具有節能優化性能的儲能管理系統，并將該系統應用于集裝箱儲能平臺中實施現場測試研究，通過測試得知該系統可實現集裝箱儲能平臺的充放電節能優化及負荷節能優化，為有效保障集裝箱儲能平臺的安全運行及降低能源消耗提供有效幫助。

1 儲能管理系統設計

1.1 儲能系統結構與數學模型

開發具備節能優化性能的儲能管理系統(EMS)，通過該系統實現儲能系統的節能優化充放電策略。通常儲能系統主要包含儲能管理裝置、電池管理裝置、電池箱及儲能變流器等[8-10]，其中由儲能管理裝置與電池管理裝置兩部分共同構成儲能系統中的儲能管理模塊。通過儲能管理中的儲能管理裝置實現對儲能系統的數據管理分析、狀態監測及充放電控制等；而儲能管理系統中的電池管理裝置可實現對儲能系統的電壓均衡控制與保護，通過兩個裝置部分的協調運行，達到對儲能系統充放電的控制，實現儲能系統的充放電節能優化管理。儲能系統結構圖如圖1所示。

圖1 儲能系統結構圖

儲能系統充放電時的動態能量可表示為F(t)：

(1)

式中：F(kJ)和P(kW)分別為儲能系統的充放電能量與充放電功率；Δt和t分別為采樣間隔與某個時刻；μ為儲能系統充放電效率。

儲能系統充放電能量所需符合的約束條件為

0

(2)

式中：Fmax為儲能系統容量。

儲能系統充放電功率所需符合的約束條件為

(3)

式中：Pmax為儲能系統的最高充放電功率,kW；Pup.max和Pdown.max為儲能系統功率的最大升高速率與最大降低速率,kW/s。

1.2 儲能管理系統的功能設計

1.2.1 儲能管理裝置功能設計

儲能管理裝置主要包括數據管理分析模塊、監測模塊、控制模塊及通信模塊，其結構設計如圖2所示。

圖2 儲能管理裝置結構圖

儲能管理裝置內各模塊的功能設計如下：

(1)通信模塊功能設計：儲能管理裝置在Modbus協議的基礎上將串口線作為通信介質，經RS-485接口將同變流器的數據通信創建；并在Modbus_TCP協議的基礎上以網線作為通信介質，經RJ-45接口將同電池的數據通信創建。

(2)控制模塊與監測模塊功能設計：通信報文和人機交互指令的翻譯可通過控制模塊與監測模塊所提供的人機交互平臺實現，同通信模塊相互配合達到監測與控制儲能系統狀態的目的；另外控制模塊的功能還包括設置變流器的工作時間、工作模式、各類預警與保護值等[11]；監測模塊的功能還包括動態監測電池的溫度、SOC、電流與電壓以及變流器交直流側的功率、電流、電壓等狀態信息，實時監測與呈現電池與變流器的故障信息。

(3)數據管理分析模塊功能設計：該模塊將儲能管理裝置的控制指令信息與狀態監測數據實時導入，同時分析儲能系統的工作性能。

儲能管理裝置基于SQL server創建面向儲能系統運行數據管理的實時數據庫，將儲能管理張志的狀態監測數據與控制指令信息儲存，為數據管理分析模完成管理與分析儲能系統工作數據提供可靠的數據基礎[12-13]。該數據庫主要由指令信息表、調度功率信息表、電池信息表及變流器信息表四個父表構成，各個父表實現對各個子表屬性的記錄，如變流器信息表內記錄了子表編號及子表名稱等字段；各父表下屬的各類子表依次用來記錄控制指令數據、調度功率數據、電池運行狀態及變流器運行狀態，如電池信息表下屬子表所記錄的數據為電池的直流電流與電壓等。

1.2.2 電池管理裝置功能設計

電池管理裝置由數個電池管理控制器(LECU)經CAN通信構成，其功能是對儲能系統的總電流與電壓實施采集，并預估儲能系統內電池的荷電狀態，完成絕緣監測與高壓管理[14]；同時該裝置還負責保護電流充放電，對儲能系統是否存在故障以及故障狀態實施判別，向儲能管理裝置及時上報所得判別狀態，并在電池管理裝置內的LECU協同下均衡控制儲能系統電池組，運用CAN通信實現LECU與儲能管理裝置的數據交互。電池管理裝置控制結構見圖3。

其中LECU作為電池管理裝置的關鍵部分，其重點任務是實現串聯電池部分的電壓采集、電壓均衡控制及多點溫度測量等，并經CAN總線實現儲能管理裝置的信息交互，具有檢測精度高且通信可靠的特點[15]。LECU部分的控制結構圖見圖4。

圖4 LECU控制結構圖

1.3 儲能管理系統的功能實現

通過儲能管理系統中的儲能管理裝置實時監測儲能系統內各電池箱體中每節電池的電壓，并設定各電池箱體內電池壓差不可高于22 mV，對儲能系統充電和放電狀態下的電壓實時均衡控制，實現儲能系統充放電的節能優化，具體控制過程如圖5所示。

圖5 充放電節能優化控制過程圖

具體實現過程為：

(2)當儲能系統處在放電狀態時，控制過程同充電狀態時類似。如果電池箱體內最低端電壓單節電池(B)同電池箱體電壓均值的差UΔ比-22 mV低，通過整個電池箱體為該單節電池實施充電，待電壓之差UΔ比-22 mV高時結束充電。控制過程中的最高充放電均衡電流均為12 A。

2 現場測試結果分析

現場測試中將本文系統應用于某儲能項目的集裝箱儲能平臺內，測試應用本文系統后實驗集裝箱儲能平臺的節能優化效果，以此研究本文系統的節能優化性能。

2.1 電壓采集精度測試

影響本文系統整體性能的關鍵因素之一即為本文系統的電壓采集精準度，為此需先測試本文系統的電壓采集精度。集裝箱儲能平臺電池電壓對電池的健康狀況有著直接的影響作用，過高或過低的電池電壓均會對集裝箱儲能平臺產生較大影響，需通過本文系統對實驗集裝箱儲能平臺的電池電壓實施精準采集監控。由實驗集裝箱儲能平臺內全部電池箱體內隨機挑選12節電池作為電壓采集對象，通過Agilent 34401A數字繁用表對其實施測量，以測量所得的實驗集裝箱儲能平臺12節電池電壓作為實際電壓值，將經本文系統采集所得的實驗集裝箱儲能平臺12節電池電壓值與之對比，并運算兩者的差值，所得結果如圖6所示。

圖6 電池電壓采集精度測試結果

通過圖6能夠看出，通過本文系統所采集的實驗集裝箱儲能平臺各電池電壓值與實際電壓值十分相近，電壓差值范圍為0.2～ 1.5 mV，可見，本文系統的電壓采集精度較高，可滿足集裝箱儲能平臺的使用需求。

2.2 充放電節能優化性能測試

將經過電池電壓采集精度測試的本文系統應用于實驗集裝箱儲能平臺內，對運用本文系統后實驗集裝箱儲能平臺的箱體內壓差與充放電實施測試，通過實驗集裝箱儲能平臺的測試結果，檢驗本文系統的充放電節能優化性能。

2.2.1 箱體內電池壓差測試

通過對實驗集裝箱儲能平臺在本文系統運行狀態與關閉狀態下的箱體內壓差實施測試，能夠有效檢驗本文系統的均壓作用效果。設定實驗集裝箱儲能平臺箱體內電池壓差上限為22 mV，以實驗集裝箱儲能平臺隨機一個電池箱體內的16節電池壓差為例，對測試過程中某個時刻實驗集裝箱儲能平臺該箱體內16節電池壓差實施分析。首先獲取到在本文系統始終運行的情況下，實驗集裝箱儲能平臺該箱體內16節電池壓差情況；然后關閉本文系統，并以22 A電流對實驗集裝箱儲能平臺該箱體內16節電池實施持續1.6 h的恒流放電，獲取到完成放電后該箱體內此部分電池的壓差。本文系統運行與關閉狀態下實驗集裝箱儲能平臺箱體內電池壓差對比情況如表1所示。

表1 本文系統運行與關閉時箱體內電池壓差對比 mV

由表1可得出，在本文系統運行狀態下，實驗集裝箱儲能平臺箱體內電池壓差最高的為第9節電池，其壓差為17.5 mV，箱體內各電池壓差未高于22 mV；而在本文系統關閉狀態下，實驗集裝箱儲能平臺箱體內電池壓差最高的為第7節電池，其壓差為42.0 mV，遠高于所設定的上限，且另有七節電池的壓差也高出設定上限值。由此可見，本文系統可實現對實驗集裝箱儲能平臺內箱體電池的均壓控制，有效保持電池的一致性，不僅可延長電池壽命，同時可為實現實驗集裝箱儲能平臺充放電節能優化奠定基礎。

2.2.2 充放電測試

通過本文系統依據相關調度指令實時控制實驗集裝箱儲能平臺按照指令功率充放電，其中調度周期為60 s，實驗集裝箱儲能平臺充放電功率所需符合的約束條件為<9 kW。以現場測試所測得的變流器直流側電壓與電流為依據，運算得出功率波形，詳見圖7內現實功率波形。

圖7 本文系統控制下實驗儲能系統充放電功率波形

通過圖7能夠看出，當所給出的調度指令功率比實驗集裝箱儲能平臺充放電功率約束條件高時，本文系統能夠在周期內有效控制并調整實驗集裝箱儲能平臺充放電功率，令其可符合本身充放電功率運行控制約束條件，由此說明，本文系統可有效控制實驗集裝箱儲能平臺的充放電功率，提升實驗集裝箱儲能平臺運行的安全性，實現實驗集裝箱儲能平臺充放電節能優化控制。

2.3 負荷節能優化性能測試

對比實驗集裝箱儲能平臺在應用本文系統后與應用本文系統前分配用電負荷時的調度情況，檢驗本文系統的負荷節能優化性能。兩系統的調度情況如圖8所示。

分析圖8可得知，應用本文系統后的實驗集裝箱儲能平臺的電能輸出功率高于應用本文系統前的實驗集裝箱儲能平臺，說明本文系統的應用可顯著提高實驗集裝箱儲能平臺的調度能力，實現實驗集裝箱儲能平臺用電負荷節能優化的操作能力。

3 結 論

本文設計一種儲能管理系統并針對該系統的節能優化性能展開現場測試研究，該系統主要包含儲能管理裝置與電池管理裝置兩部分，在兩部分的協調作用下，共同實現對該系統所應用儲能系統的充放電控制，令儲能系統實現其節能優化充放電策略；將本文系統應用于某集裝箱儲能平臺內實施現場測試，測試結果表明：

(1)本文系統具有較高的電池電壓采集精度，可均衡控制集裝箱儲能平臺箱體電池電壓，提升電池的使用壽命，為節能優化充放電提供保障；

(2)對集裝箱儲能平臺的充放電功率具有較高的控制能力，保障集裝箱儲能平臺的安全運行，實現集裝箱儲能平臺充放電節能優化控制；

(3)可有效提升集裝箱儲能平臺分配用電負荷時的調度能力，實現集裝箱儲能平臺用電負荷節能優化的操作能力。