基于云邊協同的電池儲能系統安全保障建設
——評《電池儲能系統集成技術與應用》

李 奇,鐘衛連

(懷化職業技術學院,湖南 懷化 418000)

自新能源大規模并網和智能電網建設以來,電池儲能系統得到廣泛應用。在發電側、電網側和負荷側,電池儲能系統都發揮了雙向功率控制和能量調控的作用,增強了電力管理的靈活性。隨著現代通信技術、大數據和人工智能技術的發展,電池儲能系統被賦予了數字化和智能化的特點,促進了與商業模式和市場體系的融合,推動了新能源消納、電力輔助服務、需求側響應與綜合智慧能源的融合發展。隨著電池儲能系統容量的擴大和應用場景的不斷增加,儲能系統集成商的技術水平和能力有待提升。電池儲能系統的集成技術關系到設備的優化運行、安全和壽命保障,以實現在多個應用領域的安全、高效和一體化運行。為解決電池儲能系統的安全難題,云邊協同技術應運而生。該技術通過將電池儲能系統的監測數據傳輸到云端進行分析和處理,并通過邊緣計算將實時控制指令傳輸回邊緣設備進行執行,實現對儲能系統的實時監測和控制,保障儲能系統的安全運行。通過現代化的技術保障儲能系統的安全運營,成為儲能系統建設需要關注的重要議題。

為系統和全面地闡述電池儲能系統硬件集成、軟件控制和典型應用,陽光電源股份有限公司余勇博士和浙江大學年珩教授共同主編完成《電池儲能系統集成技術與應用》一書,該書包含10個章節。第1章為緒論;第2章為電池儲能系統架構與關鍵設備;第3章為電池儲能系統主要應用與解決方案;第4章為電池儲能系統電氣設計;第5章為電池儲能系統結構與安全設計;第6章為電池儲能系統本地控制與遠程通信;第7章為電池儲能系統設備集成安裝與檢驗;第8章為電池儲能系統建模與仿真;第9章為先進技術在電池儲能系統中的應用展望;第10章為儲能集成技術典型應用案例與系統。

1 電池儲能系統集成技術面臨的問題與任務

電池儲能系統集成是指將電能儲存技術、控制技術、信息技術、機電一體化技術和網絡互聯技術等有機地結合起來,形成一個完整的電力儲能系統,實現電能的高效儲存和調度。儲能技術是儲能系統集成的核心,如利用鋰離子電池、超級電容器等技術實現電能的存儲與輸出;控制技術是指儲能系統需要實現對電量、電壓等參數的監控和調節,通過應用先進的控制技術,如智能化控制系統和網絡化監控平臺,實現儲能裝置的動態管理;信息技術是指儲能系統集成需要對各種設備進行管理和監測,利用物聯網、云計算等信息技術,實現遠程監測和應用優化,在保證高效運行的同時,降低操作和維護成本;機電一體化技術是指儲能系統集成需要實現多個組件和系統的有機結合,要充分考慮機電一體化技術,提高組件的互通性和可擴展性;網絡互聯技術是指集成多個儲能設備的管理和控制,需要實現地域范圍的無縫深度互聯,實現能源的快速調度,在能源配置等方面發揮更大的作用。儲能系統的集成是一項高復雜性的系統工程,需要多個技術領域的深度結合,才能實現電能的高效儲存和調度。

電池儲能系統集成技術在發展中除了面臨以上技術挑戰外,還需要考慮儲能系統的性能匹配問題、安全問題和經濟問題等。安全問題是不容忽視的關鍵問題,只有做好系統的安全保障建設,才能確保安全使用。

2 電池儲能系統架構與關鍵設備

電池儲能系統一般由系統集成商將電池組、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(BMS)、能量管理系統(EMS)、熱管理和其他設備等組合。從表面上看,儲能系統集成商只是將上述設備進行了組裝和集成,難度似乎并不高。實際上,儲能系統集成并非將各部件進行簡單的拼湊,電池、PCS、BMS和EMS等4大核心設備集合了電化學、電力電子、信息管理等多個細分領域的交叉學科,整體生產流程需經過從研發設計、設備選型、集成生產,直到最后測試驗證,涉及電芯的電化學領域、PCS的電子電力領域和匹配電網的電力領域,這要求集成商滿足系統集成涉及的多個領域的專業要求。同時,還要關注安全性、經濟性和智能化等3大方面,要具備相關技術能力可以保障安全,有一定的產業規模可以實現經濟性,以及持續的服務能力,可以通過智能化來幫助電力市場解決波動性問題。

3 儲能系統的設計和運行控制

電池儲能系統需要綜合考慮多個方面進行全方位設計,以構建高效、高性能、高安全、高經濟的儲能系統。對于電池儲能的運行控制,需要對電池的充放電功率、充放電時間、溫度、荷電狀態(SOC)等參數進行監控,以達到最佳的儲能效果。在電氣設計方面,需要電池儲能系統與電網實現無縫連接,同時滿足國家相關的電氣安全標準,以確保電池儲能系統具有高可靠性和安全性。結構設計和熱設計則需要考慮電池組件的布置、冷卻等因素,以確保電池儲能系統在各種極端環境下都能夠正常工作。此外,在電池儲能系統的消防安全設計方面,需要考慮電池的材料特性、泄漏、短路等情況,采用適當的消防安全措施。在通信與控制方面,需要考慮儲能系統與其他系統的互聯互通,以實現實時監控和運行控制。

在儲能安全的問題上,選用優質的電芯只是基礎,更大的考驗是系統集成能力。當前常見的集裝箱式儲能系統擁有高達1 500 V的高電壓和MW·h規模以上的高能量,零部件數量和連接接口數以萬記,任何設計或安裝調試差異都可能引發安全問題。系統集成商的經驗不足或設計不佳,會導致儲能壽命大打折扣,甚至引發安全事故。全球儲能安全事故的官方分析報告顯示,60%～80%以上的事故是由非專業的系統集成所致。由此可見,儲能安全是對系統集成技術的極大考驗。

4 云邊協同先進技術應用于電池儲能系統

傳統的儲能系統建設主要包含以下幾個部分:①BMS,主要功能是管理及維護各個電池單元的充放電,防止電池出現過充或過放,延長電池的使用壽命。BMS單元由采集模組、控制模組和電池管理應用組成。②PCS,主要控制儲能系統的充放電過程,進行直交流的轉換,并根據功率指令控制變流器對電池進行充放電,實現對電網有功功率及無功功率的調節,是儲能系統充放電策略的執行單元。③EMS,全面采集BMS、PCS和其他輔助管理系統的信息,針對電池儲能系統,實現調控一體化能量管理,以及儲能系統實時監控、診斷預警、全景分析和高級控制等功能,滿足儲能系統監視全面化、安全分析智能化、全景分析動態化等需求,保證儲能系統安全、可靠、穩定運行。④輔助系統,主要包含空調系統和消防系統,用來維護儲能系統在相對安全的環境下運行,并在出現火災時,實現告警和滅火。

傳統儲能系統一般采用固定的運行策略脫網運行,隨著智能微網和虛擬電廠等應用的出現,儲能系統需要聯網并提供接口供智能調度系統進行調度,這需要引入物聯網的技術,實現儲能系統的技術升級。電力生產系統聯網有嚴格的安全要求和規范,網絡架構需要符合電力生產系統的安全規范,在物聯網的基礎上必須要增加單向網閘穿透的功能。

此外,原有的EMS系統雖有一定的分析、告警功能,但設計目標側重系統的監控,系統數據多存儲在結構化的數據庫中,對大數據的存儲和分析支持的能力有限,拓展和整合其他技術的能力較弱。要實現儲能系統的模型優化、參數調優、提前預警、可預測維護等功能,需引入大數據、人工智能(AI)、深度學習等技術,完成儲能系統物聯網化升級。

云邊協同先進技術是通過云計算、大數據和網絡通信等技術手段來實現云端和邊緣設備的協同工作,以提高系統的效率和性能。通過云端的大數據分析和處理,可以對電池儲能系統進行實時監測和分析,提高系統的故障檢測和預警能力,實現更好的電池管理和維護。邊緣設備方面,可以使用傳感器等設備對電池儲能系統進行實時數據采集和監測,實現邊緣設備的智能化和自動化控制,并將數據傳輸到云端進行處理。此外,云邊協同技術還可以實現多個電池儲能系統之間的協同工作,實現電池組件的共享和更有效的能量利用,為更廣泛的應用場景提供技術支持和基礎設施。云邊協同的優勢在于,既具備云端大數據分析和AI的能力,又滿足本地應用對于實時性和可靠性的要求。在儲能場景應用中,既要滿足本地對于調度控制指令的實時、可靠響應,又要結合云端算力和AI算法分析,優化控制策略,對安全故障進行預警、分析和運維。

針對儲能系統物聯網化和運維智能化的需求,云邊協同可預測維護系統的基礎技術架構。通過低代碼、低可配置方式,實現儲能系統數據接入、邊緣計算、數據匯聚、網閘穿透、數據存儲和分析,在邊緣實現預測性維護算法,云端實現算法、模型和參數的優化,并通過邊緣計算提供的流計算框架,更新邊緣計算預測模型的參數,實現云邊協同的可預測維護系統。

通過云邊協同的一體化方案,可實現數據高頻率的數萬點位采集,為邊緣端賦予實時分析和預測儲能系統運行狀態的能力,使云端具備大數據分析能力。通過定時執行策略,定期調整預測模型的參數,實現儲能系統云邊協同一體化的可預測運維,助力新能源儲能系統的安全和高效運營。

5 結語

電池儲能系統集成技術,不僅涵蓋系統本身的硬件集成與軟件控制,還包括儲能系統與應用場景的銜接與協同。除電氣、電力電子、電化學、通信控制外,技術人員還應對應用領域相關知識,如電力系統、新能源發電及微電網等,有著較深入的研究與理解。上述學科的融合,將進一步優化電池儲能系統容量與功率配置、設計與運行控制,確保良好的經濟性和壽命的可預期性。《電池儲能系統集成技術與應用》源于作者和所在團隊多年的技術研究和積累,內容實用,可讀性強,適合從事電池儲能系統集成設計的工程師、高等院校從事儲能系統研究的教師和學生等進行學習參考。

書名:電池儲能系統集成技術與應用

作者:余勇 年珩 主編

ISBN:9787111683353

出版社:機械工業出版社

出版時間:2021-08

定價:￥119.00元