智能建筑风储电池能量管理系统的功能设计及测试分析
时间：2024-10-21 阅读：23
徐悦
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：主要对10kW/20kWh风储锂电池的能量管理系统进行设计，所设计的系统共包括2部分：储能管理单元和电池管理单元。其中的储能管理单元不仅可控制电池储能系统充电和放电、还可监测其状态并对所收集的数据进行分析；电池管理单元可通过监测电池的温度和电压等对电池进行实时保护和均压控制，通过这2个系统的相互协调可对储能系统的充放电过程进行安全动态管理。通过实验对所设计系统的有效性进行验证，从而为锂电池储能系统在工程中的应用奠定一定的基础。
关键词：储能管理；电池管理；均压控制
0引言
由于风能的间歇性、随机性及不可预测性，使得风电的并网对电力系统的稳定及安全有一定的威胁，这在一定程度上限制了对风能的有效利用。由于电池储能技术可使风电功率实现时空的转移，所以该技术是提高风电并网能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理系统对电池储能技术是至关重要的，通过该系统可对储能系统的状态进行监测等，同时还可实现对蓄电池的实时保护等。目前，大规模的电池储能技术在我国还处于发展阶段，相关能量管理系统的设计仍需进一步的探索。
1系统结构
风-储联网系统的组成主要包括发电机组、电网及BESS(电池储能系统)等，风-储联网系统的运行图如图1所示。电网根据自身需求和调度周期内风电的出力大小向ESMU(储能管理单元)发送指令，在每个控制周期内ESMU会根据所得信息向变流器的控制系统发送充放电指令，即通过调节储能电池充电功率的值对BESS(电池储能系统)的工作状态进行实时监测，根据充放电的功率和锂电池的荷电状态(简称SOC)对储能系统的充放电功率进行调整，从而提高系统的安全性。
图一风-储联网系统的运行图
2能量管理系统设计
2.1 ESMU设计
该系统的ESMU主要包括控制、通信、监测和数据管理四个模块，如图2所示。通信模块的设计主要基于Modbus协议，通信介质为串口线，与变流器之间的数据通信的建立通过RS-485接口，通信介质为基于Modbus_TCP协议的网线，与电池之间的数据通信主要通过RJ-45接口建立。
通过通信模块可以与BESS中的某些部分实现数据通信，但所使用的数据均为符合Modbus应用协议的报文，这不利于实现人机之间的交互。通过控制与监测模块可很好地实现人机之间的交互，完成对交互指令的翻译和通信的报文，同时通过与通信模块之间的配合可对BESS的状态进行实时的监测和控制。控制模块还可对变流器的工作时间、工作模式等进行设定，监测模块可对电池的电流、电压及温度等状态进行监视，同时还可动态监视变流器的交直流侧的电流、电压、功率等。
通过监控和通信模块可对BESS的状态进行监测和控制，但无法保存其运行时的数据，同时无法对其工作性能进行分析。通过数据管理模块可将ESMU的状态监测数据和控制指令信息实时导入，同时可实时地分析BESS的工作性能。可靠的数据基础是实现对BESS数据管理和分析的前提，本文的ESMU以SQLserver为基础建立了实时的数据库用于对所监测的数据进行存储。本文所建立的数据库中共包括电池信息表、变流器信息表、指令信息表、调度功率信息表4个父表，每个父表中还包括各子表的属性信息，父表下属的4个子表分别记录电池的状态、变流器状态、控制指令的数据和调度功率的数据。
2.2 BMU设计
电池组中的每箱电池配备一套用于采集每节电池电流、温度、电压等信息的子能量管理单元，子能量管理单元负责将所采集到的信息发送到主控管理单元，从而将信息传至ESMU。图3所示为BMU工作原理的示意图。
BMU将所得的电池信息与电压、温度的预设值相比较，当总电压或单体电压或温度等高于告警值时，BMU将发出警告信号，当总电压或单体电压或温度等高于保护值时，BMU内的接触器将会被触发，电池停止工作。
3能量管理系统各功能的实现
3.1 ESMU功能实现
ESMU中主要包括监测、控制、数据管理3个主界面，通过这3个主界面可以实现对储能系统的状态监测、充放电控制及数据管理。
ESMU控制主要由4部分组成。可以对BESS的控制模式进行设置，主要包括恒流、恒功率、恒压充/放电及自定义充放电7种模式，自定义充放电模式以所导入的调度指令功率为依据控制BESS，同时通过调整BESS的充放电功率来满足相应的约束条件，避免电池充放电过度；可以对电流、功率及充放电的时间进行设置；也可以用于显示系统时间；以及对电池及变流器运行时的参数进行设置。
ESMU的监测共包括2部分。可以用于显示变流器的相关信息，如电压、交直流侧电流及故障信息等；也可以用于显示电池的单体电压、荷电状态及故障信息等。
ESMU数据管理主要包括4部分。主要用于导入调度功率等，对充放电的电流、电压等进行选择；对查看的时间段进行设置；用于显示所查看的结果；用于导出结果。
3.2 BMU功能实现
系统的寿命受电池电压的影响很大，本研究中对每箱电池均进行均匀控制。均匀控制的过程为，对箱体内每节电池的电压进行定时监测，当系统进行充电时，如果箱体中单节电池的电压与箱体中电池电压的平均值相差20mV以上时，启动均衡电路，此时单体电池中电压值较高的会向整箱电池放电，直至箱体中电压的平均值与其端电压的差值小于20mV；若二者之间的差值小于20mV时，则不启动均衡电路。
当系统放电时，与充电时所采用策略类似，图4所示为控制的具体方法。较大放电与充电均衡的电流均为10A。
电池组充电时，当电池组的总电压大于690V或单体电压值大于3.60V时，BMU会发出告警信号；当电池组的总电压大于700V或单体电压值大于3.65V时，BMU会向电池组与变流器间的断路器发出相应信号，断开变流器与电池组之间的连接，同时停止对储能系统的充电。电池组放电时，当电池组的总电压大于550V或单体电压值大于2.90V时，BMU会发出告警信号；当电池组的总电压大于520V或单体电压值大于2.70V时，BMU会向电池组与变流器间的断路器发出相应信号，断开变流器与电池组之间的连接，同时停止对储能系统的放电。当单节电池的温度小于15℃或大于35℃时，BMU会发出告警信号；当单节电池的温度小于10℃或大于40℃时，BMU内的接触器会产生相应动作，停止充放电。
4.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。
4.2适用场合
系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
工商业储能四大应用场景
1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；
2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；
3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；
4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。
4.3系统结构
4.4.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
图2系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。
光伏界面
图3光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
储能界面
图4储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图5储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图6储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图7储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图8储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图10储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图11储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图12储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
风电界面
图13风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
充电桩界面
图14充电桩界面
本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。
视频监控界面
图15微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
4.4.2发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
4.4.3策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。
4.4.4运行报表
应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。
图18运行报表
4.4.5实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
4.4.6历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。
7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
图22遥控功能
应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
图23曲线查询
4.4.10统计报表
具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图25微电网系统拓扑界面
本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
图26通信管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。
图28故障录波
4.4.15事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。
图29事故追忆
4.5系统硬件配置清单
序号 | 设备 | 型号 | 图片 | 说明 |
1 | 能量管理系统 | Acre1-2000ES |
| 内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服 务器及协同控制装置。 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。 |
2 | 工业平板电脑 | PPX133L |
|
2)可视化展示:显示系统运行信息 |
3 | 交流计量电表 | DTSD1352 |
| 集成电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上48月的各类电能数据统计:具有2~31次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遜信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485通信接口，可选用MODBUS-RTU或DL/T645协议。 |
4 | 直流计量电表 | DJSF1352 |
| 表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等； 具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议:可带维电器报警输出和开关量输入功能； |
5 | 通信管理机 | ANet-2E8S1 |
| 能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总； 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能； 实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据； |
6 | 串口服务器 | Aport |
| 功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中 1)空调的开关，调温，及断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备 |
7 | 遥信模块 | ARTU-K16 |
|
4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报) |
5结 论
在设计和实现风储电池能量管理系统的过程中,除了着眼于基本的控制策略功能实现以外,还需对其他影响系统可用性的因素加以关注。为避免电池、PCS、BMS、EMS、温控系统和消防系统的能量损耗导致储能系统的能量持续降低,在风储能量管理系统的设计中需要对上述损耗加以补偿,选择性功率偏置可以起到良好的效果。通过该系统可控制对电池的充放电、状态监测和运行状态、性能的分析，同时可对电池的温度、电压进行实时保护及告警，从而保证系统运行的稳定及安全。
参考文献:
[1]余福斌,魏涛,滕国栋,等.基于FPGA的锂电池组能量管理系统设计[J].电源技术，2015，39(9):1879-1881.
[2]刘建伟,尹虎臣,韩民晓,等.静止伏安发生装置中的锂电池充放电控制[J].大功率变流技术,2011(4):75-80.
[3]吉小鹏,金强,乔峰,等.海岛微网能量管理系统的设计与实现[J].中南大学学报:自然科学版,2013,S1:420-424.
[4]马荣华，赵嵩，魏鑫.风储电池能量管理系统的功能设计及实验分析.
[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版.