基于RTDS的電池管理系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)搭建及應(yīng)用

龔禹生，唐莎莎，李理，熊尚峰，吳晉波，李輝，唐倩韜

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100052；3.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長沙 410004)

0 引言

近年來電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)高速發(fā)展，在電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)用戶均大規(guī)模配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效提升新能源消納能力，提高系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力，支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。而電池管理系統(tǒng) (Battery management system，BMS)的研究重點(diǎn)卻暫時(shí)聚焦于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，對(duì)專門針對(duì)接入電網(wǎng)的大規(guī)模儲(chǔ)能電站BMS研究較少[1-4]。隨著“碳中和”概念的提出，儲(chǔ)能電站建設(shè)腳步更加迅速，BMS檢測(cè)技術(shù)也面臨著新一輪的挑戰(zhàn)[5-6]，雖然儲(chǔ)能電站的BMS與電動(dòng)汽車的BMS基本功能相似，均包含設(shè)備監(jiān)控、電池保護(hù)、控制、SOC計(jì)算、電壓均衡等功能，但儲(chǔ)能電站的BMS所接電池容量遠(yuǎn)大于電動(dòng)汽車容量，且還需要與儲(chǔ)能變流器(power coversion system，PCS)、能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)等多個(gè)系統(tǒng)連接，通信接口、線束連接等方式都不相同[7，15]。因此搭建具有開放性、靈活性、可擴(kuò)展性的BMS硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)尤為重要[8]。采用真實(shí)電池測(cè)試時(shí)，使用、充放電過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，且真實(shí)電池不利于實(shí)時(shí)控制，難以對(duì)其進(jìn)行故障模擬，如大電流過沖過放、高低溫等，模擬仿真平臺(tái)能夠有效地解決以上問題。加拿大Manitoba直流研究中心開發(fā)的數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng) (real-time digital simulator，RTDS)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)仿真分析，其模型和仿真算法已經(jīng)過多年驗(yàn)證[9-11]。本文以湖南地區(qū)某儲(chǔ)能電站的BMS產(chǎn)品為例，介紹一種基于RTDS的儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)測(cè)試方法，經(jīng)過試驗(yàn)論證及分析，本文所提出的儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)測(cè)試方法，能夠完整驗(yàn)證BMS的性能指標(biāo)，且測(cè)試平臺(tái)具有可拓展性，便于后期開發(fā)使用。

1 儲(chǔ)能站BMS架構(gòu)

BMS的三級(jí)架構(gòu)分為儲(chǔ)能電站主控系統(tǒng)(BAMS)、電池組管理單元(BCU)和電池管理單元(BMU)[12-14]。BMU主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體電池的電壓、溫度，實(shí)時(shí)計(jì)算單體電池的SOC、SOH，且BMU具有主動(dòng)、被動(dòng)電壓均衡功能，提高了電池組的一致性，有效延長了電池壽命。

BCU為電池組管理單元，采集電池的總電壓、電流和溫度，對(duì)電池組出現(xiàn)的異常進(jìn)行報(bào)警和保護(hù)。BCU能根據(jù)安全處理規(guī)則的要求對(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)，確保電池系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)電池嚴(yán)重過壓、欠壓、過流等異常故障情況出現(xiàn)時(shí)，電池組控制管理單元能控制整組電池的開斷，避免電池被過充、過放和過流[16]。

BAMS為儲(chǔ)能電站主控系統(tǒng)，為儲(chǔ)能BMS系統(tǒng)的三層構(gòu)架中的最上層，主要負(fù)責(zé)對(duì)電池簇管理單元BCMU實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)計(jì)算、性能分析、報(bào)警處理、保護(hù)處理及記錄存儲(chǔ)，使得各組電池達(dá)到均等出力，確保系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)和最長運(yùn)行時(shí)間。另外BAMS還負(fù)責(zé)與儲(chǔ)能變流器(PCS)以及儲(chǔ)能調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)(EMS)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。電池組管理單元BCU提供準(zhǔn)確有效的電池管理信息，是儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷控制策略的重要依據(jù)。BAMS通過電池均衡管理可極大地提高電池能量利用效率，優(yōu)化負(fù)荷特性，同時(shí)，可最大程度地延長電池使用壽命，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及可靠性。

2 基于RTDS的仿真驗(yàn)證模型

電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)閉環(huán)仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示，RTDS的硬件主要為系統(tǒng)工作站、I/O板卡、RACK單元、處理器板卡(RPC、GPC)等，并提供了RSCAD的工作站軟件，在其Draft模塊中進(jìn)行建模及編譯，并在Runtime模塊中仿真測(cè)試，控制I/O板卡輸出相應(yīng)控制變量，通過RTDS數(shù)模混合仿真模擬BMS運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境。

圖1 電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)閉環(huán)仿真結(jié)構(gòu)

2.1 電壓模擬

儲(chǔ)能電站中鋰電池單體的電壓幅值為0～5 V，模擬電壓可以通過RTDS的GTAO板卡上接口直接引出，電池組中單體電池都是采用串聯(lián)的連接方式，因此通過連接線把RTDS中的GTAO板卡N-1號(hào)口的正極與N號(hào)口的接地點(diǎn)連接，形成等電位，用于模擬真實(shí)電池組的電壓串聯(lián)模式。

圖2為RSCAD仿真系統(tǒng)中部分單體電池建模仿真，設(shè)定3.2 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓和單體電壓調(diào)節(jié)幅值、總壓調(diào)節(jié)幅值疊加后，在GTAO口輸出相應(yīng)單體電壓目標(biāo)值。

圖2 RTDS電壓部分仿真建模

2.2 電流模擬

儲(chǔ)能電站中電流采集的方式分為分流器采集和霍爾傳感器采集。本次使用的BMS設(shè)備為分流器采集，通過在回路中串聯(lián)一個(gè)精確電阻，當(dāng)大電流通過時(shí)，分流器的兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)毫伏級(jí)的直流電壓量，然后通過Modbus/CAN等通信方式傳入BCM中。本文采用模擬電壓的方法，使用RTDS設(shè)定相應(yīng)電壓加到分流器中，模擬出相應(yīng)電流。

2.3 溫度模擬

BMU中溫度測(cè)量均采用NTC熱敏電阻，通過特定熱敏電阻的熱敏系數(shù)值，可以生成溫度與電阻的表格，因此可以采用模擬電阻的方式來改變溫度。熱敏系數(shù)值計(jì)算公式為:

式中，T1為開爾文的第一個(gè)溫度點(diǎn)；T2為開爾文的第二個(gè)溫度點(diǎn)；R1為溫度T1的熱敏電阻，Ω；R2為溫度T2的熱敏電阻，Ω。

2.4 通信設(shè)置

BMS內(nèi)部間信息交換采用CAN通信方式，而BMS與PCS、EMS告警信息交換方式為:利用上位機(jī)模擬PCS及EMS，通過通信方式與BMS進(jìn)行信息交互，讀取BMS上送至PCS的modbus報(bào)文、至EMS的IEC61850通信報(bào)文，檢測(cè)上送信息的正確性。

1)CAN通信設(shè)置。CANalyst-II分析儀是帶有USB2.0接口和2路CAN接口的CAN分析儀，具備CAN總線協(xié)議分析功能，利用相應(yīng)的上位機(jī)軟件，將CAN報(bào)文中收到的數(shù)據(jù)讀取到PC上處理，以及發(fā)送命令或數(shù)據(jù)給CAN卡，從而間接實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與BMS的CAN通信。CANalyst-II官方提供了開發(fā)用ControlCAN.dll，首先需要將庫函數(shù)移植到系統(tǒng)工程中，將ControlCAN.dll拷貝到工程的lib文件夾下。在編程時(shí)，通過調(diào)用庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)打開關(guān)閉設(shè)備、初始化、發(fā)送和接收等功能。

2)Modbus通信設(shè)置。在上位機(jī)上建立modbus通信點(diǎn)表，在上位機(jī)上啟動(dòng)client或者server服務(wù)，讀取BMS上送的數(shù)據(jù)。

3)IEC61850通信設(shè)置。首先取得BMS的icd文件，在上位機(jī)上建立IEC61850的模擬器環(huán)境，啟動(dòng)上位機(jī)上的client服務(wù)，讀取BMS上送的數(shù)據(jù)，對(duì)比BMS可視化界面顯示數(shù)據(jù)與上位機(jī)上報(bào)文數(shù)據(jù)的一致性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電壓采集功能驗(yàn)證

使用功率分析儀對(duì)各個(gè)單體電壓兩端進(jìn)行測(cè)量，與上位機(jī)采集電壓對(duì)比計(jì)算出誤差值，其值見表1。

表1 電壓精度測(cè)試結(jié)果

3.2 電壓采集功能驗(yàn)證

連接高壓箱中的分流器采樣端口，通過設(shè)置RTDS的比值加入電流量，電流精度測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 電流精度測(cè)試結(jié)果

3.3 SOC計(jì)算

荷電狀態(tài)SOC(state of charge)在BMS中用于表示電池組剩余容量的參數(shù)，SOC的值用SOC表示:

式中，PL為剩余能量，kW·h；PN為額定能量，kW·h。

在BMS中設(shè)定參數(shù)，組端電壓為51.2 V，額定電流為250 A，用RTDS加入模擬電壓與電流，并通過RTDS中計(jì)時(shí)器與計(jì)算公式得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3。

表3 SOC測(cè)試結(jié)果

3.4 部分保護(hù)功能驗(yàn)證

通過RTDS模擬出溫度、電壓等不正常狀態(tài)，并通過ICE61850通信至上位機(jī)，可以通過上位機(jī)查看到報(bào)警值和禁止沖、放電的信號(hào)。

4 結(jié)語

本文提出一種基于RTDS的儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)測(cè)試方法，并基于RTDS搭建一套較為完善的仿真平臺(tái)，有效解決了使用真實(shí)電池模組用于測(cè)試BMS所帶來的安全性和效率性問題；經(jīng)過試驗(yàn)可知，所提出的仿真平臺(tái)能夠模擬儲(chǔ)能電站的電池的運(yùn)行工況并驗(yàn)證BMS的性能，且平臺(tái)易于擴(kuò)展完善，接口豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)多種型號(hào)BMS接入測(cè)試。