分布式儲能系統(tǒng)研發(fā)關鍵技術分析

薄 濤

（杭州煦達新能源科技有限公司上海分公司，上海）

引言

將分布式儲能技術應用在配電網(wǎng)、用戶側(cè)、微電網(wǎng)、分布式發(fā)電等方面，可產(chǎn)生顯著經(jīng)濟和社會效益，呈現(xiàn)出巨大的應用潛力。但結(jié)合分布式儲能系統(tǒng)的特點來看，其中涉及的電壓通常達到幾百伏甚至上千伏，同時為了達到有效供應電力資源的目標，整個電池簇的串聯(lián)電芯數(shù)量也達到上百個。有鑒于此，對于分布式儲能系統(tǒng)的開發(fā)設計而言，如何保障電池簇的運行質(zhì)量、確保安全等，是值得認真思考的課題。

1 分布式儲能系統(tǒng)工作原理

分布式儲能系統(tǒng)的原理如圖1 所示，其是一種直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)，市電通過變流器與直流母線間進行能量交互，同時將多個電池組耦合入直流母線儲存能量系統(tǒng)，這可以保障電力能源的穩(wěn)定輸出。當電力能源運行時，電池組可以通過直流母線配合三相變流器進行功率控制，同時也可以作為整體電力系統(tǒng)中的能量來源，從而提高整體電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性[1]。

2 具體研發(fā)內(nèi)容

2.1 儲能系統(tǒng)規(guī)劃

本次儲能系統(tǒng)規(guī)劃時，選擇了一種典型的儲能系統(tǒng)結(jié)構，其架構如圖2 所示。其主要包括能源管理系統(tǒng)、電池簇、電池管理系統(tǒng)、儲能變流器，以及接入負荷、電網(wǎng)的節(jié)點單元。

圖2 儲能系統(tǒng)架構

其中能源管理系統(tǒng)是信號側(cè)的管理單元，能源管理系統(tǒng)的主要作用包括對能量進行時移，即通過儲能的方式對電網(wǎng)中用電負荷削峰填谷，換言之，當電廠電力資源處于電負荷低谷時，系統(tǒng)對電池充電，在用電負荷高峰時，將存儲的電量進行釋放；對負荷動態(tài)進行跟蹤，主要是基于電力負荷變化情況，對電力負荷運行的情況進行調(diào)整，以調(diào)控實時平衡；用于系統(tǒng)調(diào)頻，頻率的變化會對發(fā)電及用電設備的安全高效運行及壽命產(chǎn)生影響，因此能源管理系統(tǒng)會針對電力運行頻率進行調(diào)整控制，最大化地保障用電設備的用電安全。

電池簇，本次儲能系統(tǒng)設計時，選擇了磷酸鐵鋰電池，其可以進行模塊組合，并根據(jù)需求進行靈活配置，同時具有安裝方便、快捷等特點。進一步而言，為了提高電池系統(tǒng)的安全性，設計過程中將電芯通過串聯(lián)組成模組，若干個模組封裝成PACK，然后將PACK 放置在電池架上，通過接線形成電池簇，電池簇再進一步匯流與PCS連接，隨后用電池艙進行封裝，以達到存儲電量要求的目標。

電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是電池簇的管家，主要負責對電池內(nèi)電壓、溫度、電量的管理，以及包括進行絕緣檢測、SOC計算、SOH 監(jiān)控、電池均衡、放電功率計算等。其主要目標是保護電池，防止電池過充、過放、過溫、壓差過大、溫差過大等，盡量減緩電池的衰減，延長系統(tǒng)的壽命。

儲能變流器，執(zhí)行交流電與直流電電能變換，連接于電池簇與電網(wǎng)或負荷的變換器。分布式電源可能具有間歇性、波動性、孤島保護等特點，儲能變流器可以維持系統(tǒng)功率的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)分布式電網(wǎng)中的電流，使電流保持穩(wěn)定、平衡[2]。

2.2 關鍵元器件選型

為了保障儲能系統(tǒng)的可靠，選擇了高安全、高循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池作為儲能單元，其具有模塊化、易安裝維護等特點；選用了鋁殼單體，其參數(shù)為3.2V/280Ah，采用激光點焊技術組成PACK，電池PACK箱為1P16S，參數(shù)為51.2V/280Ah(14.336 kWh)；本次儲能系統(tǒng)每14 個電池模組串聯(lián)為1 簇，能量為51.2V*280Ah*14=200.7 kWh，每一簇對應一臺逆變器；儲能系統(tǒng)滿功率運行電壓范圍為：2.95V*n（電芯數(shù)）～3.50V*n（電芯數(shù)）之間，即660.8 V～784 V 之間。為保證電池的長期使用，默認實際放電為標定容量的90%，即180 kWh。

電芯選擇：儲能系統(tǒng)規(guī)劃時，電芯是重要的組件，同時也是關系到系統(tǒng)運行質(zhì)量、運行穩(wěn)定性的關鍵。為了保障此次儲能系統(tǒng)的質(zhì)量，電芯設計選擇時，加強了市面上多種電芯型號、類型，最終選擇了磷酸鐵鋰電芯，其型號規(guī)格為 Li-Cell-EES （江西贛鋒）、PC-0B1-72174L4-AH（瑞普蘭鈞），容量280 Ah，標稱電壓3.2 V，工作電壓范圍2.5 V～3.65 V，電芯月自放電率≤3%，電芯通過GB/T 36276-2018 國家強檢測試，安全性能符合國家標準。

對于電池模組的選擇，以實際情況為基礎，選擇了綜合性能較為良好的1P16S 電池模組方式，其是由16個單體電芯串聯(lián)組成，電量為14.336 kWh，標稱電壓為51.2 V。電池模組配置BMS 的采集模塊BMU，用于模組的電壓、溫度等參數(shù)采集，并具有均衡等功能[3]。

2.3 儲能變流器設計

本次儲能變流器（PCS）設計過程中，根據(jù)實際情況，主電路采用兩級變換架構，雙向DCDC+雙向T型架構三電平逆變器。具體的工作模式分為兩種：工作模式一，PCS 是在充電狀態(tài)下，市電通過三電平拓撲整流為直電流，此時BUCK-BOOST 電路工作在BUCK 狀態(tài)下，將電壓降為符合電池充電要求的直流電，配合電池管理系統(tǒng)對電池組進行均衡充電管理，延長蓄電池組使用壽命；工作模式二，PCS 在放電模式下，電池輸入的電壓經(jīng)過BUCK-BOOST提升到適合逆變的母線電壓，通過三電平三相逆變將電池組放電時釋放的能量回饋到電網(wǎng)中，可以對電網(wǎng)友好的實現(xiàn)節(jié)能作用。

由于儲能變流器為雙向功率流動轉(zhuǎn)換器（PCS），其DC-DC電路為BUCK-BOOST拓撲，這有效提高了升壓比，BUCK-BOOST 電路實現(xiàn)了能量的雙向流動，控制簡單，降低系統(tǒng)復雜度，提高了運行效率。

此次，雙向功率流動轉(zhuǎn)換器（PCS）的DC-AC 是采用的三電平三相逆變器拓撲?；谄涮攸c來看，具有損耗低的特點，以及輸出電壓在三個電平間切換，可以實現(xiàn)更加豐富的電平變換，三電平拓撲的真正優(yōu)勢還在于減少了逆變器中開關器件的電壓應力，由此產(chǎn)生的輸出電壓波形更加接近正弦波，諧波失真小，從而只需使用更小的輸出濾波器[4]。

2.4 電池安全運行控制邏輯開發(fā)

鑒于分布式儲能系統(tǒng)的特點，電池很可能受到電流過大或過小的沖擊，久而久之，很可能引發(fā)一些安全問題發(fā)生。一旦電池簇中任何一個電池元件出現(xiàn)質(zhì)量問題，均會造成系統(tǒng)運行的安全隱患。對此，本次創(chuàng)新開發(fā)了基于電池安全運行邏輯程序，以在計算程序上形成對電池安全的有效保護。具體而言，主要是結(jié)合電力運行的各個時段，給出有效的安全保護方式，如主要是基于谷時段→峰時段→平時段→峰時段進行電池的安全維護管理。

谷時段（00:00-08:00 充電，SOC:10-100）：（1）SOC小于15%時，以40%功率充電；（2）SOC 大于15%時，以100%功率充電；（3）BMS 報一級故障時，以40%功率充電；（4）BMS 報二級故障時關機。

峰時段（08:00-12:00 放電，SOC:100-36）：（1）記錄放電過程中最大負荷；（2）下發(fā)無功功率：電表PF>0.6且PF<0.9，下發(fā)60%無功功率；電表PF>0.92，下發(fā)0%無功功率；（3）以90%有功功率放電；（4）BMS 報一級故障時以15%功率放電；（5）BMS 報二級故障時關機。

平時段（12:00-17:00 充電，SOC:36-66）：（1）需量限制：讀取放電過程中的最大負荷作為需量限制，根據(jù){min(需量限制。變壓器容量)- 負載功率}*0.8 來限；（2）

BMS 報一級故障時，功率減半充電；（3）BMS 報二級故障時關機；（4）充電限制到SOC增加30%為止。

峰時段（17:00-21:00 放電，SOC:66-10）：（1）記錄放電過程中最大負荷；（2）下發(fā)無功功率：電表PF>0.6且PF<0.9，下發(fā)60%無功功率，電表PF>0.92，下發(fā)0%無功功率；（3）以90%有功功率放電；（4）BMS 報一級故障時，以40%功率放電；（5）BMS 報二級故障時關機。

3 技術難點攻克

3.1 電芯電壓采樣線連接檢測

從分布式儲能系統(tǒng)中電池簇電芯電壓特點來看，存在采樣線數(shù)量眾多現(xiàn)象，鑒于此，若其中出現(xiàn)連接斷開、連接不牢固、虛接等問題時，將直接會影響電池管理系統(tǒng)的檢測和判定，進而影響到儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

考慮到這種問題現(xiàn)象的存在，本次系統(tǒng)研發(fā)過程中，給出了優(yōu)化設計方案，即用電壓采樣線連接方法進行檢測，其能夠快速檢測出儲能系統(tǒng)中是否有采樣線的斷開、不牢、虛接等問題，可以防止儲能系統(tǒng)在采樣線斷開、不牢情況下持續(xù)運行，進而可以保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。但對于這種方案的實現(xiàn)具有一定難度，也成為本次研發(fā)工作中的重點。

為了有效解決該問題，實現(xiàn)技術難關上的攻克，加強了儲能系統(tǒng)的分析。發(fā)現(xiàn)電芯端電壓在充放電過程中，瞬時電壓與電芯實際會產(chǎn)生一定偏差。然而，對于儲能系統(tǒng)的組裝建設而言，所選用的電池簇均為精挑細選的組件，其一致性差異較小，安裝地點相對集中，環(huán)境差異小，因而瞬時電壓與電芯電壓之間的偏差并不是十分明顯。如圖3 所示，為某一電芯的充放電電壓曲線，其中黑圈的部分為充放電電流變化瞬時電芯電壓變化情況。

圖3 某一電芯的充放電電壓曲線

鑒于此，本次研發(fā)了一種電芯電壓采樣線連接檢測方法，應用于儲能系統(tǒng)中以檢測其中的電池簇電芯電壓采樣線的連接是否有異。具體的方案為：使儲能系統(tǒng)控制儲能變流器對電池簇按照設定的不同放電電流進行短時放電，再使所述儲能系統(tǒng)按照設定的不同充電電流進行短時充電，如此循環(huán)進行。放電1 次，X 計為1；充電1 次，Y 計為1；X,Y 為大于等于3 的正整數(shù)。最終電池管理系統(tǒng)的電芯采樣線連接不正常計數(shù)F 連續(xù)累加，若F超過(X+Y)*40%，則將所述電池管理系統(tǒng)的電芯采樣線連接狀態(tài)判斷為不正確連接[5]。

3.2 充放電電流變化一致性檢測

檢測過程中，每次放電/充電過程的電流均逐漸對應增大，這樣每次放電/充電時電芯電壓變化量也逐漸增大。即每次放電電流為Id1,Id2,Id3…，每次充電電流為Ic1,Ic2,Ic3…,Id1=-Ic1，Id2=-Ic2，Id2=-Ic3，Id1

實際的一致性檢測過程中，可以設定為各電芯初始電壓的某一比例，如：電芯1 在第1 次放電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-1-d1[ΔU負，ΔU正]=[-5%*Ucell-1，-1%*Ucell-1]，Ucell-1為電芯1 在放電/充電前的端電壓，電芯1 在第1 次充電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-1-c1[ΔU負，ΔU正]=[1%*Ucell-1，5%*Ucell-1]；

電芯1 在第2 次放電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-1-d2[ΔU負，ΔU正]=[-6%*Ucell-1，-2%*Ucell-1]，電芯1 在第2 次充電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-1-c2[ΔU負，ΔU正]=[2%*Ucell-1，6%*Ucell-1]；電芯1 在第3次放電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-1-d3[ΔU負，ΔU正]= [-7%*Ucell-1，-3%*Ucell-1]；

電芯1 在第3 次充電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-1-c3[ΔU負，ΔU正]=[3%*Ucell-1，7%*Ucell-1]。與此類似的，電芯2 在第1 次放電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-2-d1[ΔU負，ΔU正]= [-5%*Ucell-2-1%*Ucell-2]，Ucell-2為電芯1 在放電/充電前的端電壓，電芯2 在第1 次充電時的端電壓變化閾值設定為其自身當前電壓附近某一范圍：Mcell-2-c1[ΔU負，ΔU正]=[1%*Ucell-2，5%*Ucell-2]；以此類推到所有電芯…，從而實現(xiàn)充放電電流變化的一致性檢測。通過在此過程中對一致性電壓的甄別實現(xiàn)對電芯電壓采樣線進行檢查，能快速準確的判斷及定位每個電芯電壓采樣線的連接情況，協(xié)助系統(tǒng)定位問題，排除故障，從而解決了電芯電壓采樣線連接不牢或斷開給儲能系統(tǒng)正常工作帶來的干擾。

4 結(jié)論

綜上所述，對比于集中式儲能系統(tǒng)，分布式儲能系統(tǒng)有效減少了集中儲能電站的線路損耗、投資壓力等，但基于分布式儲能系統(tǒng)的實際應用現(xiàn)狀來看，存在分布點多、可控性差等問題?；诖耍疚慕Y(jié)合實際，研發(fā)了一種高效性的分布式儲能系統(tǒng)，通過對電芯電壓用采樣線連接檢測、充放電電流變化一致性檢測技術等，大為提升了儲能系統(tǒng)的運行可控性、穩(wěn)定性，值得為類似項目提供參考。