電池儲能電站電池管理系統關鍵技術

余斌， 朱維鈞， 徐浩， 許立強， 肖俊先

(1. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007；2. 湖南省湘電試驗研究院有限公司， 湖南 長沙410004)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展, 工業用電、 商業用電和居民用電都大幅增加, 日內用電最高負荷同比逐年攀升, 日內峰谷差擴大, 存在電力供應缺口[1-2]。 儲能系統已成為“采—發—輸—配—用—儲” 中的一個關鍵環節, 可用于緩解電力供應需求與經濟性的矛盾[3-6]。

近年來電池儲能技術高速發展, 發電廠及用戶側已配置大量電池儲能系統, 用于平滑出力波動或降低用電成本等[7-8]。 鑒于電池儲能具有規模配置靈活、 響應速率快、 建設周期短、 受地理條件限制小等優勢, 江蘇、 河南、 湖南等地區已相繼有電池儲能電站并網投運[9-10]。 電網側配置儲能電站后,可提升電網調峰能力、 新能源消納能力、 特高壓直流消納能力和直流閉鎖時的應對能力, 還可充當黑啟動電源[11-13]。

儲能用電池的使用性能, 除與電池模塊的參數特性有關外, 與其應用的電池管理系統( battery management system, BMS) 的功能有著密切的關系。 電池管理系統對保護電池安全、 提高電池利用率、 延長電池壽命等意義重大[14]。 儲能電站電池管理系統是儲能電池系統的大腦, 主要用于對儲能電池進行實時監控、 故障診斷、 SOC 估算、 短路保護、 漏電檢測、 顯示報警, 保障電池系統安全可靠運行, 是整個儲能系統的重要構成部分[15]。BMS 能夠實時監控、 采集電池模組的狀態參數,并對相關狀態參數進行必要的計算、 處理, 得到更多的系統參數, 并根據特定控制策略對電池系統進行有效控制。 同時BMS 可以通過自身的通訊接口、模擬/ 數字輸入輸出接口與外部其他設備( 變流器、 能量管理單元、 消防等) 進行信息交互, 形成整個儲能系統的聯動, 利用所有的系統組件, 通過可靠的物理及邏輯連接, 高效、 可靠地完成整個儲能系統的監控[16-18]。

1 大型電池儲能電站電池管理系統架構

儲能電池管理系統作為電池系統的核心組成部分, 是電池組與外部設備的橋梁, 決定著電池的利用率, 其性能對儲能系統使用成本和安全性能非常重要。 儲能電池管理系統的拓撲配置應與儲能變流器( power coversion system, PCS) 的拓撲、 電池的成組方式相匹配, 如圖1 所示。

圖1 電池儲能電站BMS 系統原理圖

電池管理系統由電池管理單元 ( Battery Management Unit, BMU )、 電 池 簇 管 理 單 元(Battery Cluster Management Unit, BCU)、 電池陣列管理單元 ( Battery Array Management Unit,BAU) 三部分組成。 BMU 負責電池單體及電池模組管理, 集各單體電池電壓、 溫度等信息采集、 均衡、 信息上送、 熱管理等功能一體。 BCU 負責一個電池簇中全部BMU 的管理, 同時具備電池簇的電流采集、 總電壓采集、 絕緣電阻檢測、 SOC 估算等功能, 并在電池簇發生故障時跳開直流接觸器, 使電池簇退出運行, 保障電池安全。 BAU 對BMU、 BCU 上傳的數據進行數值計算、 性能分析、數據存儲, 并與PCS、 監控后臺進行信息交互,BAU 配有顯示屏, 實現電池信息、 參數配置、 故障報警顯示等功能, 監控后臺根據BAU 上傳的各種信息進而控制逆變器對電池組進行有效地充放電, 達到調峰調頻、 削峰填谷、 動力輸出等作用。

2 電池管理系統控制策略

電池管理系統主要有自動運行模式、 維護模式兩種。 自動運行模式下, BAU 根據下屬BCU 電池簇狀態, 進行自動控制吸合與斷開。

2.1 自動運行模式控制策略

1) 上電BCU 數量檢測

BAU 上電檢測BCU 就位數量, 當全部n 組BCU 都就位, BAU 允許滿功率充放電； 當BCU 就位數少于n 組就位時, BAU 根據具體就位數進行限功率運行( BMS 給PCS / EMS 發最大充放電電流)。 少于最少支持組數 ( 上位機可設置) 時,BAU 不就位, 不能進行充放電。

2) 上電總壓差檢測

當BAU 檢測就位通過后, 進行總壓壓差判斷。當電池組最大總壓與最小總壓之間壓差小于電池組允許吸合最大總壓差, BMS 判斷, 所有就位電池組壓差較小, 符合繼電器吸合條件, 則閉合所有BCU 主負繼電器, 進入預充均衡流程。

當BAU 檢測當前就位總壓差超過允許值,BAU 報總壓差大故障, 需人工干預, 關閉故障組電池組, 或啟用維護模式, 人工對電池組進行均衡。

3) 上電預充控制

在繼電器每次閉合之前, 都必須對與電池簇相連的高壓系統中的電容進行預充電, 在判定預充電過程完成后, 才能閉合繼電器, 否則, 繼電器易因過流產熱而發生觸點粘連損壞現象, 如圖2 所示。

圖2 預充電示意圖

BAU 在進行預充控制時, 先控制所有BCU,閉合預充繼電器。 當BCU 檢測到預充電流、 預充前后電壓差小于一定值, 預充時間大于一定值, 則BCU 報預充完成, 此時BAU 檢測所有預充完成后,控制吸合主正繼電器, 斷開預充電路。

4) 均衡控制

電池的容量、 內阻和電壓等參數不可能完全一致, 電池單體間微小的內部性能差異會隨著充放電運行而不斷累積, 并明顯地體現為電池系統一致性變差、 電池系統充放電性能劣化、 電池系統可用容量大幅衰減等缺陷。 均衡控制根據電池電壓進行電池間的均衡充電, 能夠提高成組電池一致性, 緩解電池短板效應引起的電池系統性能劣化問題。 均衡控制分為被動均衡和主動均衡兩種。 被動均衡是電阻耗能式, 在每一顆單體電池并聯一個電阻分流, 耗能均衡就是將電池中多余的能量消耗掉, 實現整組電池電壓的均衡。 主動均衡為能量轉移式, 將單體能量高的轉移到單體能量低的, 或用整組能量補充到單體最低電池, 在實施過程中需要一個儲能環節, 使得能量通過這個環節重新進行分配。

5) 充放電管理

系統運行時, 實時監測每個單體電壓以及電池包溫度。 根據電池系統狀態評估充電上限電壓值、放電下限電壓值、 可充電最大電流、 可放電最大電流, 通過報文發給PCS。 PCS 進行充放電操作, 控制充放電電流不能超過BMS 請求最大值。

在充電模式: 當單體電壓充到“ 充電降流單體電壓”, BMS 根據當前PCS 充電電流, 進行降流請求。 當多次達到“ 充電降流單體電壓” 后, 電流會達到“最小限制充電電流”, BMS 不再控制降流, 維持PCS 充電, 直至充電達到“充電停止單體電壓”, BMS 將充滿標志置位, 充電限制電流限制為0。 PCS 停止進行充電。 只有當“充電一級報警消失”, BMS 才允許進行再次充電。

在放電模式: 當單體電壓放到“ 放電降流單體電壓”, BMS 根據當前PCS 放電電流, 進行降流請求。 當多次達到“ 放電降流單體電壓” 后, 電流會達到“最小限制放電電流”, BMS 不再控制降流, 維持PCS 放電, 直至放電達到“放電停止單體電壓”, BMS 將放空標志置位, 放電限制電流限制為0, PCS 停止進行放電。 只有當“放電一級報警消失”, BMS 才允許進行再次放電。

當電池系統出現三級嚴重故障時, BMS 延時強制切斷繼電器, 對電池進行保護； 當單體電壓低于或高于極限電壓時, BMS 強制切斷繼電器, 對電池進行保護。

2.2 維護模式控制策略

當電池簇出現單體壓差大、 總壓大或發生三級報警需要維護時, 可通過BAU 上位機, 人工控制故障簇電池組進行單獨充放電, 人工小電流進行充放電維護； 當電池組平臺基本一致時, 可停止維護模式, 重新給BMS 上低壓電后, BMS 自動識別進入自動控制模式。

3 電池管理系統保護策略

電池的安全保護是電池管理系統最重要的功能。 電池管理系統通過對電池進行狀態監測及分析, 實現對電池運行過程各種異常狀態進行保護,并能發出告警信號或跳閘指令, 實施就地故障隔離。 電池管理系統中包含電流保護、 電壓保護、 溫度保護及SOC 保護等功能。

1) 電流保護, 也稱過流保護, 指的是在充、放電過程中, 如果工作電流超過了安全值, 則應該采取措施限制電流增長。 電流保護包括電池簇充電過流保護和電池簇放電過流保護。

2) 電壓保護指的是在充、 放電過程中, 電壓超過設定值時, 應采取措施限制電壓越限。 電壓保護包括電池簇電壓過高/ 低、 單體電壓過高/ 低、 單體電壓差。

3) 溫度保護。 電池的充放電對環境溫度范圍有特殊的要求, 溫度保護是當溫度超過一定限制值的時候對電池采取保護性的措施。 溫度保護包括單體過溫保護、 單體欠溫保護、 單體溫差大保護、 極柱過溫保護。 其中極柱溫度過高可能是由于連接處螺絲松動或浮充電壓過高引起的。

4) SOC 保護。 電池SOC (State of Charge) 是在特定放電倍率條件下, 電池剩余電量占相同條件下額定容量百分比。 為了防止電池過放, 當SOC低于設定值時, 應采取保護性措施限制放電。

電池管理系統的電流保護、 電壓保護、 溫度保護均采用了三級保護機制, 并與PCS 配合。 一級報警發生時, BMS 通知PCS 降功率運行； 二級報警發生時, BMS 通知PCS 停止進行充電或放電；三級報警發生時, BMS 通知PCS 停機, 延時后,BMS 主動斷開繼電器。 電池管理系統保護動作策略如圖3 所示。

圖3 保護策略動作流程

4 電池管理系統調試技術

4.1 電池管理系統功能調試

1) BMS 實時采集電池電壓, 具體采集數據指標: 單節電池電壓采集范圍為1～3 V； 電壓采集精度為±10 mV。 系統帶電后, 逐一檢查單體電池電壓, 應與BMS 采集顯示電壓一致。

2) BCU 可以實時采集電池組端電壓, 具體指標: 電池組端電壓采集范圍為0 ～1 000 V； 電壓采集精度為±2% FSR。 系統帶電后, 逐一檢查電池組端電壓, 應與BMS 采集顯示電壓一致。

3) 當BMU 連接溫度傳感器時, BMU 可以采集電池的實時溫度, 然后通過CAN 總線上傳給BCU, 采集的指標: 溫度采集范圍為-20℃～85℃；溫度采集精度為±1 ℃。 電池單體之間溫度應無明顯差別, 否則應就地檢查電池溫度是否正常。

4) 通過PCS 對電池組進行充放電, 當BCU連接分流器時, BCU 可以采集電池組的實時充放電電流, 然后通過CAN 總線上傳給BMS, 采集的指標: 電流檢測范圍為0 ～150 A； 電流檢測的精度為± 3% FSR。 分別設置不同的充放電電流值, 用4 位半萬用表的“mV 檔位” 測量分流器兩端電壓值, 然后換算為電流值(或者用鉗形電流表直接測量直流電流), 再同BMS 顯示的電流值比較, 實際測量值與BMS 顯示的電流值應無明顯差別。

5) BMU 實時計算每節電池的SOC 值, 并通過CAN 總線上傳到BCU。 SOC 的計算指標: SOC范圍為0 ～100%； SOC 分辨率為1%。 SOC 的精度為≤8～10% (要求標定SOC 初始值)。

6) BMU 能夠有效的對電池進行均衡, 使電池保持較好的一致性, 均衡為主動無損均衡。 均衡方法: 在均衡過程中, 每通道只能有一節進行均衡；均衡電流: 2 A； 均衡條件: 開路測試。 測試時,人為放入幾節電壓較低電池, 開路靜置狀態, 每隔5 min 記錄一次壓差, 結果應滿足相關產品技術條件規定。 均衡電流可以使用鉗形表進行觀察。

7) BMU 和BCU 能夠輸出各種報警量, 用于控制系統, 使系統安全運行, 報警量包括單體電壓、 總電壓、 SOC、 溫度、 通信、 硬件等, 具體應進行的工作:

①降低單體電池電壓報警定值, 模擬單體電池電壓過高, BMS 應正確輸出報警量。

②升高單體電池電壓報警定值, 模擬單體電池電壓過低, BMS 應正確輸出報警量。

③降低單體電池溫度上限報警定值, 或者將溫度探頭放入高溫環境, 模擬單體電池溫度過高,BMS 應正確輸出報警量。

④升高單體電池溫度下限報警定值, 或者將溫度探頭放入低溫環境, 模擬單體電池溫度過低,BMS 應正確輸出報警量。

⑤降低環境溫度報警、 保護定值, 模擬環境溫度過高, BMS 應正確輸出報警量。

⑥降低電池組端電壓上限報警值, 模擬電池組端電壓過高, BMS 應正確輸出報警量。

⑦升高電池組端電壓下限報警值, 模擬電池組端電壓過低, BMS 應正確輸出報警量。

⑧放空電池或者升高SOC 下限報警值, 模擬電池SOC 過低, BMS 應正確輸出報警量。

⑨拔掉溫度采集線, 模擬溫度采集故障, BMS應正確輸出報警量。

⑩拔掉電壓采集線, 模擬電壓采集故障, BMS應正確輸出報警量。

?拆除某一節電池線, 模擬電池線連接故障,BMS 應正確輸出報警量。

?斷開BMU、 BCMU 及BAMS 的CAN 連接線,模擬CAN 通信故障, BMS 應正確輸出報警量。

8) BMS 能夠在本地對電池系統的各項事件及歷史數據進行存儲, 記錄不少于10 000 條事件及不少于180 天的歷史數據。 運行參數的修改、 電池管理單元告警、 保護動作、 充電和放電開始/ 結束時間等均應有記錄, 事件記錄具有掉電保持功能。每個報警記錄包含所定義的限值、 報警參數, 并列明報警時間、 日期及報警時段內的峰值。

9) 通信功能。 BMS 與其他外部設備 ( 如PCS、 EMS 監控系統、 就地監控系統等) 的所有通訊必須滿足高效可靠的通訊規約, BMS 與PCS 之間采用485 或CAN 網通訊, 同時宜具備一個硬接點接口。 BMS 與EMS 監控系統、 就地監控系統采用IEC61850 通訊協議, 采用雙網通訊。

4.2 電池管理系統與PCS 的保護邏輯測試

1) BMS 一級告警或降流區間下的PCS 行為測試: ①修改BMS 定值, 觸發過充、 過放、 溫度一級告警； ②修改定值使BMS 運行于降流區間。

2) BMS 二級告警下的PCS 行為測試: 修改BMS 定值, 觸發過充、 過放、 溫度二級告警。

3) BMS 三級告警或設備故障報警下的PCS 行為測試: ①設置BMS 定值, 觸發電池過充、 過放、溫度三級告警； ②人為制造設備故障, 使BMS 上送設備故障報警。

5 結語

國內電源側及電網側儲能電站建設數量及規模逐年增長, 在電池管理、 系統保護、 運行控制等方面都需要進一步深入研究及優化。 本文介紹了當前大型電池儲能電站的電池管理系統架構, 分析研究了電池管理系統的控制及保護策略, 并梳理了電池管理系統的關鍵調試內容, 以為電池儲能站建設提供借鑒參考。