風儲電池能量管理系統的功能設計及實驗分析

馬榮華，趙 嵩，魏 鑫

(1.鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州450052；2.鄭州航空工業管理學院，河南鄭州450052；3.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南鄭州450052)

風儲電池能量管理系統的功能設計及實驗分析

馬榮華1，趙 嵩2，魏 鑫3

(1.鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州450052；2.鄭州航空工業管理學院，河南鄭州450052；3.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南鄭州450052)

主要對10 kW/20 kWh風儲鋰電池的能量管理系統進行設計，所設計的系統共包括2部分：儲能管理單元和電池管理單元。其中的儲能管理單元不僅可控制電池儲能系統充電和放電、還可監測其狀態并對所收集的數據進行分析;電池管理單元可通過監測電池的溫度和電壓等對電池進行實時保護和均壓控制，通過這2個系統的相互協調可對儲能系統的充放電過程進行安全動態管理。通過實驗對所設計系統的有效性進行驗證，從而為鋰電池儲能系統在工程中的應用奠定一定的基礎。

儲能管理;電池管理;均壓控制

由于風能的間歇性、隨機性及不可預測性，使得風電的并網對電力系統的穩定及安全有一定的威脅，這在一定程度上限制了對風能的有效利用。由于電池儲能技術可使風電功率實現時空的轉移，所以該技術是提高風電并網能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理系統對電池儲能技術是至關重要的，通過該系統可對儲能系統的狀態進行監測等，同時還可實現對蓄電池的實時保護等[1]。目前，大規模的電池儲能技術在我國還處于發展階段，相關能量管理系統的設計仍需進一步的探索。

1 系統結構

風-儲聯網系統的組成主要包括發電機組、電網及BESS(電池儲能系統)等，風-儲聯網系統的運行圖如圖1所示。電網根據自身需求和調度周期內風電的出力大小向ESMU(儲能管理單元)發送指令，在每個控制周期內ESMU會根據所得信息向變流器的控制系統發送充放電指令，即通過調節儲能電池充電功率的值對BESS(電池儲能系統)的工作狀態進行實時監測，根據充放電的功率和鋰電池的荷電狀態(簡稱SOC)對儲能系統的充放電功率進行調整，從而提高系統的安全性。

圖1 風-儲聯網系統的運行圖

圖1中的BESS主要包括鋰電池組、儲能交流器和10 kW/20 kWh鋰電池的能量管理系統3部分[2]，其中鋰電池組由180節40 Ah磷酸鐵鋰電池串聯組成，共包括15箱，每箱12節，鋰電池的能量管理系統包括2部分：BMU(電池管理單元)和ESMU。

當儲能系統進行充電時：

當儲能系統進行放電時：

式中：P(t)、E(t)、P(t+Δt)、E(t+Δt)分別表示t及t+Δt時刻儲能系統充放電的功率及能量；η為系統充放電的功率；Δt為采樣的時間間隔。

在儲能系統進行充放電時其功率應滿足：

式中：Pmax表示儲能系統充放電時的最大功率；Pdown.max、Pup.max分別表示儲能系統功率下降和上升的最大速率。

儲能系統在充放電時的能量必須滿足：

式中：Emax表示儲能系統的容量。

2 能量管理系統設計

2.1 ESMU設計

該系統的ESMU主要包括控制、通信、監測和數據管理四個模塊，如圖2所示。

圖2 儲能管理系統的結構

通信模塊的設計主要基于Modbus協議，通信介質為串口線，與變流器之間的數據通信的建立通過RS-485接口，通信介質為基于Modbus_TCP協議的網線，與電池之間的數據通信主要通過RJ-45接口建立。

通過通信模塊可以與BESS中的某些部分實現數據通信，但所使用的數據均為符合Modbus應用協議的報文，這不利于實現人機之間的交互。通過控制與監測模塊可很好地實現人機之間的交互，完成對交互指令的翻譯和通信的報文，同時通過與通信模塊之間的配合可對BESS的狀態進行實時的監測和控制[3]。控制模塊還可對變流器的工作時間、工作模式等進行設定，監測模塊可對電池的電流、電壓及溫度等狀態進行監視，同時還可動態監視變流器的交直流側的電流、電壓、功率等。

通過監控和通信模塊可對BESS的狀態進行監測和控制，但無法保存其運行時的數據，同時無法對其工作性能進行分析。通過數據管理模塊可將ESMU的狀態監測數據和控制指令信息實時導入，同時可實時地分析BESS的工作性能。

可靠的數據基礎是實現對BESS數據管理和分析的前提，本文的ESMU以SQL server為基礎建立了實時的數據庫用于對所監測的數據進行存儲。本文所建立的數據庫中共包括電池信息表、變流器信息表、指令信息表、調度功率信息表4個父表，每個父表中還包括各子表的屬性信息，父表下屬的4個子表分別記錄電池的狀態、變流器狀態、控制指令的數據和調度功率的數據[4]。

2.2 BMU設計

電池組中的每箱電池配備一套用于采集每節電池電流I、溫度T、電壓U等信息的子能量管理單元，子能量管理單元負責將所采集到的信息發送到主控管理單元，從而將信息傳至ESMU。圖3所示為BMU工作原理的示意圖。

圖3 BMU工作原理的示意圖

BMU將所得的電池信息與電壓、溫度的預設值相比較，當總電壓或單體電壓或溫度等高于告警值時，BMU將發出警告信號，當總電壓或單體電壓或溫度等高于保護值時，BMU內的接觸器將會被觸發，電池停止工作。

3 能量管理系統各功能的實現

3.1 ESMU功能實現

ESMU中主要包括監測、控制、數據管理3個主界面，通過這3個主界面可以實現對儲能系統的狀態監測、充放電控制及數據管理。

ESMU控制主要由4部分組成。其中第一部分對BESS的控制模式進行設置，主要包括恒流、恒功率、恒壓充/放電及自定義充放電7種模式，自定義充放電模式以所導入的調度指令功率為依據控制BESS，同時通過調整BESS的充放電功率來滿足相應的約束條件，避免電池充放電過度；第二部分主要對電流、功率及充放電的時間進行設置；第三部分主要用于顯示系統時間；第四部分主要對電池及變流器運行時的參數進行設置。

ESMU的監測共包括2部分。其中第一部分用于顯示變流器的相關信息，如電壓、交直流側電流及故障信息等；第二部分主要用于顯示電池的單體電壓、荷電狀態及故障信息等。

ESMU數據管理主要包括4部分。其中第一部分主要用于導入調度功率等，對充放電的電流、電壓等進行選擇；第二部分主要對查看的時間段進行設置；第三部分用于顯示所查看的結果；第四部分用于導出結果。

3.2 BMU功能實現

系統的壽命受電池電壓的影響很大，本研究中對每箱電池均進行均勻控制。均勻控制的過程為，對箱體內每節電池的電壓進行定時監測，當系統進行充電時，如果箱體中單節電池的最高端電壓與箱體中電池電壓的平均值相差20 mV以上時，啟動均衡電路，此時單體電池中電壓值最高的會向整箱電池放電，直至箱體中電壓的平均值與其端電壓的差值小于20 mV；若二者之間的差值小于20 mV時，則不啟動均衡電路[5]。當系統放電時，與充電時所采用策略類似，圖4所示為控制的具體方法。最大放電與充電均衡的電流均為10 A。

圖4 BMU均壓的控制流程

電池組充電時，當電池組的總電壓大于690 V或最大的單體電壓值大于3.60 V時，BMU會發出告警信號；當電池組的總電壓大于700 V或最大的單體電壓值大于3.65 V時，BMU會向電池組與變流器間的斷路器發出相應信號，斷開變流器與電池組之間的連接，同時停止對儲能系統的充電。電池組放電時，當電池組的總電壓大于550 V或最小的單體電壓值大于2.90 V時，BMU會發出告警信號；當電池組的總電壓大于520 V或單體電壓值大于2.70 V時，BMU會向電池組與變流器間的斷路器發出相應信號，斷開變流器與電池組之間的連接，同時停止對儲能系統的放電。當單節電池的溫度小于15℃或大于35℃時，BMU會發出告警信號；當單節電池的溫度小于10℃或大于40℃時，BMU內的接觸器會產生相應動作，停止充放電。

4 實驗分析

通過所設計的ESMU，實現對10 kW/20 kWh鋰電池的能量管理及對儲能系統充放電的控制，通過充電實驗驗證所設計系統的有效性，本文主要分析了箱體內的壓差實驗和自定義的充放電的實驗。

4.1 自定義充放電實驗的分析

按圖5中的調度指令功率控制BESS的充放電，調度的周期設置為1 min，以所測得的變流器直流側的電壓及電流為依據計算所得功率，圖5(a)所示為實際功率，圖5(b)所示為鋰電池的SOC變化。觀察圖5可知，當鋰電池的SOC或調度指令功率不在BESS的約束范圍內時，ESMU則可實時地對BESS的充放電功率進行調整，以滿足約束條件，同時提高整個儲能系統的安全性[6]。

圖5 實驗波形

4.2 箱體內的壓差分析

壓差分析是驗證BMU均壓效果的一種有效手段，主要應用ESMU中的數據管理模塊對箱體內某一時刻的壓差進行分析。BMU工作時箱體內的壓差如圖6所示，觀察可發現壓差的最大值為16 mV。關閉BMU后，對電池以20 A的電流進行持續1.5 h的放電，圖7所示為放電完成后電池的壓差，觀察發現此時壓差的最大值為39.5 mV(遠大于20 mV)，其他每節電池的壓差也均大于20 mV。通過這一實驗驗證了BMU對電池的均壓控制和對電池一致性的保持的有效性。

圖6 BMU工作時箱體內的壓差

圖7 放電完成后電池的壓差

5 結論

本文中設計了鋰電池的能量管理系統，通過該系統可控制對電池的充放電、狀態監測和運行狀態、性能的分析，同時可對電池的溫度、電壓進行實時保護及告警，從而保證系統運行的穩定及安全。最后，通過實驗對該系統的有效性進行了驗證，同時可使電池組中單節電池的壓差保持在20 mV之內。

參考文獻:

[1]余福斌,魏濤,滕國棟,等.基于FPGA的鋰電池組能量管理系統設計[J].電源技術,2015,39(9):1879-1881.

[2]劉建偉,尹虎臣,韓民曉,等.靜止伏安發生裝置中的鋰電池充放電控制[J].大功率變流技術,2011(4):75-80.

[3]吉小鵬,金強,喬峰,等.海島微網能量管理系統的設計與實現[J].中南大學學報:自然科學版,2013,S1:420-424.

[4]畢大強,趙潤富,葛寶明,等.直流微電網能量控制策略的研究[J].電源學報,2014(1):1-7.

[5]賈景譜,馬媛媛.基于RFID技術的鋰電池管理系統設計與實現[J].電源技術,2014,38(11):2049-2050.

[6]孫冬,陳息坤.基于離散滑模觀測器的鋰電池荷電狀態估計[J].中國電機工程學報,2015(1):185-191.

Function design and experimental analysis of tenergy management system of wind energy storage battery

MA Rong-hua1,ZHAO Song2,WEI Xin3
(1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical Colleg,Zhengzhou Henan 450052,China;2.Zhengzhou University of Aeronautics,Zhengzhou Henan 450052,China;3.Seventh thirteen Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Zhengzhou Henan 450052,China)

This article mainly discusses the 10 kW/20 kWh lithium-ion battery energy management system to carry on the design,the design of the system includes two parts:storage management unit and battery management unit.The energy storage unit management not only can control the battery energy storage system charging and discharging,also can monitor the status and analyze the collected data; Battery management unit is by monitoring the temperature and voltage of the battery to protect the battery and equalizing control, through the two systems of coordinates safety on the charging and discharging process of energy storage system for dynamic management.In this paper,through experiments to validate the effectiveness of design system,so as to lay the ground for lithium battery energy storage system in the engineering application of certain basis.

energy storage management;battery management;pressure control

TM 614

A

1002-087 X(2017)07-1048-04

2016-12-31

國家自然科學基金(71371173)

馬榮華(1979—)，女，湖南省人，工學碩士，講師，主要研究方向為計算機軟件及理論研究。