集裝箱儲能系統在微電網中的應用研究

郭振　詹梨梨　王冬林　陳頡

摘? 要：隨著分布式新能源和智能電網的發展，微電網技術進步的需求越來越迫切。文章通過研究微電網的特點，提出了一種用于改善微電網電能質量的集裝箱儲能系統，包括儲能電池簇、電池管理系統、功率變換系統、儲能監控系統等，設計出具有三層架構的電池管理系統和多組電池獨立控制的功率變換系統，經過實際運行證明能夠改善微電網電能質量。

關鍵詞：微電網;集裝箱儲能系統;電池管理系統;功率變換系統

中圖分類號：TM732? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0177-03

Abstract： With the development of renewable energy sources and smart grid， the demand for Microgrid development is becoming more and more urgent. By studying the characteristics of Microgrid， this paper proposes a containerized battery energy storage system for improving the power quality of Microgrid， including battery racks， battery management system， power converter， energy storage supervisory， etc. The battery management system has the architecture of three layers. The power converter can realize independent control of battery racks. The power quality of the Microgrid has improved in practical run.

Keywords： Microgrid; containerized battery energy storage system; battery management system; power converter

1 微電網概述

近年來為了解決能源危機、環境問題以及提高電力供應的可靠性，分布式發電技術得到廣泛關注。但是大量分布式電源的接入會給電力系統的穩定性、電能質量帶來負面影響。為了解決電網和分布式發電之間的矛盾，充分發揮分布式發電的優勢，本世紀初，學術界提出了微電網（MicroGrid，MG）的概念[1]，既可與電網并網運行，也可在電網故障或需要時脫離主網獨立運行。微電網扮演著雙重角色：對于電網來說是單一可控的單元，可接受中心控制信號并在數秒內做出響應來滿足系統的需要;對于用戶，微電網是可定制的電源，能滿足用戶多樣化的需求。因此，微電網已成為分布式發電最有效的利用方式。典型微電網系統組成見圖1。

微電網系統主要由風力發電機、分布式光伏、儲能系統、柴油發電機組、微電網母線、配電網以及各類負荷組成。其中光伏和光伏逆變器構成光伏電源系統，與風力發電機都屬于分布式電源;儲能系統作為電能調節裝置;柴油發電機組作為輔助電源;負荷由生產車間、動力供應點及其他負荷組成。

微電網中分布式電源的運行狀態很容易受到外界環境影響，導致其輸出產生波動，影響微電網穩定運行。儲能系統接入微電網，可以作為后備電源提供短時供電，也能夠解決電壓跌落、瞬時供電中斷等動態電能質量問題，通過調壓、調頻以及系統故障時的低電壓穿越等維持系統穩定，通過向電網及負荷提供有功和無功補償、維持電壓穩定等改善微電網電能質量。因此儲能系統成為調節微電源性能，保證負荷供電質量，抑制系統振蕩的重要環節，研究儲能系統在微電網中的應用具有重要的意義[2]。

2 集裝箱儲能系統

集裝箱儲能系統主要由儲能電池簇、電池管理系統（BMS）、功率變換系統（PCS）、儲能監控系統（EMS）等組成，見圖2。其技術核心是電池模塊和電池簇結構設計、電池管理系統技術、電池系統的控制技術、熱管理系統設計等。

圖2中，儲能電池簇、電池簇控制單元、PCS以及電網構成動力主回路，進行電能的轉換和輸入輸出。儲能電池管理模塊（BMU）、組端采集模塊（BCMU）、儲能系統管理單元（BAMS）、PCS以及EMS構成通信網絡，傳輸采集數據、報警信息和控制信號，實現對儲能系統的即時控制。BMU與儲能電池直接連接，獲取單體電池的電壓、溫度、SOC等信息，其中均衡模塊可以對電池進行均衡維護。BCMU連接至整組電池及動力主回路，可采集組端電壓、主回路電流等信息。其中斷路器（QF）、直流接觸器（KM）和熔斷器（FU）構成主電路的保護和控制結構，分流器（FL）用于采集電池簇電流。

3 兆瓦級集裝箱儲能系統介紹

某地區為了實現儲能與光伏能源互補，平滑隨機氣象、技術原因引起的新能源間隙性波動，實現清潔能源高效利用，同時達到針對峰谷電價策略，按照夜儲日供的策略，減少單位用電支出的目的，建設了總容量為1.5MWh的集裝箱儲能系統，見圖3。該集裝箱式電池儲能系統是以40尺標準集裝箱為載體，將磷酸鐵鋰電池系統、PCS、BMS、EMS、空調系統、消防系統、配電系統等集中在一個特制箱體內，以實現高集成度、大容量、可移動的儲能裝置，具有隔熱、恒溫、消防阻燃、防風沙等特點，滿足復雜環境下的使用。

3.1 磷酸鐵鋰電池簇

磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性，電池不會因過充、過放、溫度過高、短路、撞擊而產生爆炸或燃燒。同時磷酸鐵鋰電池為綠色環保電池，不含重金屬與稀有金屬，無毒、無污染。為達到系統功率和容量要求，電池簇設計時采用8簇電池并聯，每簇96個6.4V320Ah電池模塊串聯，串并聯后總容量達到1.57MWh。

3.2 BMS

電池管理系統具備三層架構，主要由單體電池管理模塊BMU、組端采集模塊BCMU、儲能系統管理單元BAMS、充/放電保護單元組成。

（1）系統功能

BMS通過三層模塊實時檢測和上傳電池及電池簇電壓、溫度、電流等電池參數，估算電池SOC、SOH、電量等能量狀態，電池報警和保護，電池簇均衡，BMS故障診斷，與其他系統通信，實現電池智能管理。BMU實現電池電壓和溫度模擬量測量、電池電壓和溫度異常報警和上報、電池SOC和SOH估算、電池均衡等功能。BCMU實現電池簇電壓、電流、環境溫度、絕緣電阻檢測，電池簇電壓、電流、環境溫度、絕緣異常報警，電池簇SOC估算，執行電池簇保護，單體電池信息上傳等。BAMS上傳和匯總展示電池及電池簇信息，電量計算，BMS系統內故障診斷，BMS參數設定，電池簇就地監控，與PCS和EMS通信等。

（2）通訊

模塊BMU、BCMU、BAMS之間通過CAN總線高速率通訊，能夠實時獲取電池電壓、電流、SOC、溫度等信息。同時自下而上地采集信息和自上而下地控制信號都能及時送達，保證了系統控制的即時和準確。BMS和PCS采用基于RS485接口的MODBUS協議通信。BMS與上級監控主機使用RJ45通信，數據傳輸采用TCP/IP及MODBUS協議。因此通過遠程服務器經以太網可對集裝箱儲能系統進行實時監控與數據管理，實現遙測、遙信、遙控，使儲能系統得以及時的維護，保證儲能系統的安全運行，提高供電系統的可靠性。

3.3 PCS

電池簇通過功率變換系統與電網交換能量，起到了電池與電網間連接的接口作用，實現能量在電池與電網間的雙向交換[3]。該儲能系統需要實現四組電池的單獨控制，通過投切靈活配置容量，DC/DC變換器采用下垂控制。

由于單級型功率變換系統拓撲結構容量不能隨時改變，儲能系統電壓輸出不穩定，均流特性較差[4]。該微電網中的功率變換系統作為光儲互補系統的一部分，需要實現多組電池的獨立控制、系統容量的自由配置及根據實際情況投切電池簇，故功率變換系統設計為多級型拓撲結構[5]。多級型功率變換系統將蓄電池簇產生的直流電能先經過DC/DC變換器升壓，再供給PWM變流器作為直流側輸入電壓，經逆變后輸入電網。反之電網產生的交流電能，經過PWM變流器整流成直流電壓，經過DC/DC變換器降壓，輸出儲能電池簇的充電電壓。

3.4 EMS

EMS搭載在控制主機上，采用B/S架構設計，通過以太網通信獲取電池、BMS、PCS的基本信息以及儲能系統工作環境狀態信息等基本數據，并對其處理分析，智能管理、控制調度電池模塊充放電;EMS具有可視化交互界面，實時更新顯示儲能系統狀態;EMS將運行過程中的儲能系統狀態數據、故障報警數據、工作人員操作信息等，記錄并存入數據庫，以供調用、查詢。EMS還能對電池做在線的、實時的健康狀態評估，便于用戶及時了解電池的性能，提高工作效率，減少工作負擔。

4 優勢

本文設計的集裝箱儲能系統具有可移動、靈活性強、可擴充、可拆卸等功能，無論從商業角度還是技術角度都有一定的實用價值。其主要特點有以下幾面：

（1）模塊化：集裝箱集成了完整的儲能系統設備，外形上具有標準的尺寸，方便海運和陸運。它可以用起重機吊裝，適用于船舶、卡車和安置地點的裝卸，可快速安裝、投運和改造。

（2）靈活接口：集裝箱儲能系統的動力、通信等接口采用標準化設計，適用任何接入需求，如空調、光伏、風機、電力電纜和其他設備的接入。

（3）良好的保護：集裝箱本身具備穩固的結構和良好的密封性，能防塵、防腐、防潮，在運輸過程中保護內在設備和設施，并在儲能系統的生命期內提供良好的保護，免受天氣、運輸及其他環境的侵害。

（4）可移動性：綜合比較其他儲能電池，鋰電池能量密度高，可移動性強，不受地域限制，便于裝卸和運輸。

5 應用

集裝箱儲能系統接入微電網母線，微電網根據峰谷特性，在谷段對電池進行充電，將多余電能儲存起來，在峰段將能量回饋給電網。風電、光伏發電系統可以根據微網系統控制選擇接入母線;接入母線時，可以將風電、光伏等能量儲存起來，真正實現了“負荷調節、配合新能源接入、彌補線損、功率補償、提高電能質量”，也可以實現孤網運行功能。儲能電池簇充電結束處于備用狀態，可由后臺統一控制回饋電網。以兆瓦級儲能系統作為一個單元，適用范圍廣，可以通過多個單元并聯組合擴充容量。

6 結論

本文提出了一套適用于微電網的集裝箱儲能系統，該集裝箱儲能系統主要包含磷酸鐵鋰電池簇、電池管理系統、功率變換系統和儲能監控系統，詳細介紹了每個系統的作用及相互間的聯系。本文提出的集裝箱儲能系統設計方案已經在1.5MWh微電網儲能項目中投入使用，在長期運行過程中證實了該方案的實用性及可行性，對改善微電網電能質量起到了積極作用。

參考文獻：

[1]Lasseter R H.Microgrids[C].Power Engineering Society Winter Meeting.NewYork，USA：IEEE，2002：305-308.

[2]張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術[M].北京：中國電力出版社，2010：110-126.

[3]張維煌，朱娓秋.飛輪儲能核心技術及其發展現狀[J].電工技術學報，2011，26（7）：141-146.

[4]張步涵，曾杰，毛承雄，等.集裝箱儲能系統在改善并網風電場電能質量和穩定性中的應用[J].電網技術，2006，30（15）：54-58.

[5]邱培春，葛寶明，畢大強，等.基于蓄電池儲能的光伏并網發電功率平抑控制研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（3）：29-33.