安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統在蓄電池及其電池管理系統中的應用

摘要：當前，智能微網已經成為世界研究課題，而儲能問題仍然是制約智能微網發展 的瓶頸。

本文完成了“云電科技園智能微網示范工程及實驗測試平臺建設研究”，在昆 明云電科技園248kWh磷酸鐵鋰蓄電池儲能系統基礎上，展開蓄電池在智能微網中 的應用研究，為儲能系統在智能微網系統中進一步的應用提供理論依據與實際應用技術。

首先對各類型蓄電池性能進行對比分析，確定云電科技園儲能電池的類型，儲 能堆的容量配置及其選址，同時確定電池管理系統與逆變系統的配置方案：其次完 成云電科技園248kWh磷酸鐵鋰電池堆儲能系統的安裝、調試、運行，解決了系統 運行中出現的問題，確定了電池管理系統中的參數門限值，解釋了系統運行中出現 的現象，解釋了電池電壓跳變現象，提出了“電池虛壓”的概念：再次對其逆變系 統應用EMTDC電力仿真軟件進行了仿真驗證，利用便攜式電力試驗錄波分析儀對 電池陣列進行了短時測試，驗證了實際輸出波形，同時對其進行了諧波分析，通過 構建云電科技園智能微網系統，利用BP神經網絡進行了光伏發電量的預測，組建 了預測平臺，通過四方公司CSGC一3000通用軟件平臺開發出**微網應用程序， 即制定出智能微網的控制策略，鋰電池堆的控制方案以及鋰電池堆與超級電容器組 復合儲能的控制方案，并對其控制效果進行研究分析；*后針對云南電網儲能系統 運行工況，對鋰電池與超級電容器進行恒流、恒功率充放電測試，并對鋰電池堆削 峰填谷作用進行研究，并完成鋰電池堆性能的測試。

關鍵詞：智能微網：磷酸鐵鋰電池儲能系統：控制策略；削峰填

1蓄電池

1.1蓄電池的工作原理

蓄電池依據電化學反應原理，即蓄電池與外電路負載連通，負極柱上產生的電 子經過外電路的負載流向正極柱，使正極柱的電位降低，從而破壞原來的平衡狀態， 發生電化學反應15 21。電池放電時，將化學能轉化為電能給負載供電；充電時將電能 轉化為化學能儲藏起來。

1.2蓄電池的分類

圖2．1莆電池分類

由圖2．1可以看出現在蓄電池的種類繁多，每種電池的應用狀況也不盡相同。

1.3蓄電池的性能

容量
單體鋰電池容量是以完全充電后提供的電量來計的，額定容量就是規定的蓄電 池在一定條件下應該能放出的*低限度電量，用安時(Ah)來表示，目前市面上常 見的容量有40Ah、100Ah、180Ah、200Ah等。

內阻
反應中電池內部會形成固液界相膜，構成內部阻抗，并且該阻抗隨著時間與電 1產北IU力人學壩’I：q-住論文 流的變化而改變1531。蓄電池的內阻越大自身消耗的能量就越多，所以使用效率就越低。

循環壽命
蒂電池在正常滿足工況的情況下可經歷的循環充放電次數就是蓄電池的循環 壽命。循環壽命與充放電倍率息息相關，一般情況下，充電倍率越大，循環壽命就 越短。目前蓄電池容罱衰減到一個行業規定值時就可以判定該蓄電池壽命終結。

荷電保持能力
蓄電池的荷電保持能力是指蓄電池在開路狀態下存儲的電*，在一定環境下保 持不變的能力。和其相對應的是蓄電池的自放電率，而目前蒂電池出廠時所做的測 試是以月自放電率來測試蓄電池性能的好壞。

**性能
如今的蓄電池都應用在很多重要部f-j，例如電力，通信和**部門，所以保證 蓄電池**使用是首要前提。目前，蓄電池在出廠前都做好了**的設計，例如防 止溫度異常升高超過規定臨界值時不起火、不冒煙、不爆炸：應能夠釋放電池內部 過高的壓力；同時電池內部配置了限流裝置，以保證**使用蓄電池。

其中，蓄電池的容量與循環壽命是衡量蓄電池性能優劣的主要指標。一般說 來，大電流放電，會使蓄電池的循環壽命縮短，而放電深度越大，壽命也會越短； 蓄電池的容量很大程度上考察的是在一定倍率放電條件下真正放出的容量，可把這 一容量值定義為“校正容量”，在實際工程中，校正容量才是工程中所需要考察的容量值。

1.4蓄電池的對比分析

由于蓄電池種類很多，而一些蓄電池還在研發階段，沒有商品化，所以這里只 列出市場上常用蓄電池。各種蓄電池的性能對比如表1．1所示。

表1.1 各種蓄電池性能對比



由表1．1可以看出，鉛酸蓄電池能量密度低，循環壽命短，雖然由于其技術成 熟，一直在電力系統儲能中占據地位，但囚其缺點，目前沒有新增應用工程；鎳鎘 電池性能比鉛酸蓄電池好一些，但是由于自身強烈的“記憶效應”，并且存在鎘污 染問題，不具有在電力系統中推J。。使用的潛力；鎳氫電池與鎳鎘電池相近，有輕微 的“記憶效應”，單體電壓也不高：鈉硫電池具有高的能量密度，循環壽命很長， 目前在日美等國有了大量的實際應用工程，但是由于其儲能技術被日本企業壟斷， 價格昂貴，所以在我國電力系統儲能應用中很難推JI．；鋰離子電池單體電壓高，使 用**，能量密度也較大，循環壽命已經達到了一定水平，在電力系統儲能應用中 有很好的前景。

2鋰離子電池

鋰離子電池可以看做是鋰離子濃差電池，電池充電時，正極產生Li+經過電解 液嵌入負極晶格中：放電時，Li+從負極炭層中脫出并嵌入正極，而電子則通過外電 路到達正極并與Li+復合。所以由于Li+在正負極之間往返脫嵌的原理，可以形象地 稱其為“搖椅電池’’ 2.1鋰離子電池的優缺點

鋰離子電池具有能量密度大，綜合循環效率高，循環壽命長和工作電壓高等優 點16引，但是在常溫下，它的離子導電率相對比較低，不過適合于在溫度較高環境中 使用，耐高溫，同時鋰離子電池低溫性能差，另外，鋰離子電池對其充電的倍率、 溫度及電壓大小都有很嚴格的要求，其保護控制電路如果制作的不嚴謹的話很容易 導致電池損傷，甚至報廢。此外，在電化學特性方面鋰離子電池具有不一致性， 這會導致其放電容量、循環壽命、電壓及其內阻等存在差異，所以在鋰離子電池使 用的過程中，單體電池的一致性問題會直接影響到電池組的使用壽命。

2.2鋰離子電池的分類及其特性對比

迄今為止，市面上出現的鋰離子電池主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷 酸鐵鋰電池等，鈷酸鋰是*早問世的鋰離子電池，其理論容量密度高達280mAh／g， 單體電壓大，電化學性能也較先前出現的電池穩定，但是由于資源短缺，其價格昂 貴，同時材料中包括鈷元素，致使電池有毒；錳酸鋰則資源豐富，價格便宜，同時又無毒，但是其容量密度較低，才有150mAh／g，在高溫工作環境下其容量的衰 減較快，造成的循環壽命較短；三元材料的容量密度可達l 70mAh／g以上，價格較鈷酸鋰要便宜的多，但是這種電池材料難于合成，難于控制，所以產品的性能就不是很穩定：而新近出現的磷酸鐵鋰電池則具有很長的循環壽命，在室溫工作 條件下，lC充放電可以循環2000次，另外其由于原材料的優勢，綠色環保并且在 結構上穩定，保證了其**性比較高，容量密度也在170mAh／g左右，成本低廉，但是磷酸鐵鋰電池的振實密度較小，所以體積較其它電池要大，由于材料自身的問 題，鋰離子擴散速度較慢，其導電性能也略差，又由于是新近出現的，所以生產技 術上存在一定問題，致使磷酸鐵鋰電池的一致性要差一些性能對比如表2—2所示。

表2-2 4不同鋰離子電池的性能對比。



目前，磷酸鐵鋰電池的導電性差，這個制約其發展的問題已經解決，就是添加 碳或者加入其它導電劑，但是振實密度的問題還是較難解決，阻礙了該電池的使用 范圍，所以目前磷酸鐵鋰電池主要作為動力電池來應用。

2．3電池管理系統 前文提到的鋰離子電池對充放電過程要求嚴格，其缺點還導致電池成組后單體 間容量、內阻和電壓存在不一致的現象，故從單體到模塊再到陣列，其能量密度和 功率密度性能都有衰減，另外即使鋰離子電池內部有保護電路，也需要正規的管 理系統對電池進行管理，所以在工程應用中為了保障電池陣列*大限度地發揮其性 能，實現其容量和能量利用的效率，研究人員提出了電池管理系統(BMS)。

2.3.1電池管理系統的定義 電池管理系統是根據儲能電池陣列特點來設計的應用系統，針對使用鋰離子電 池為儲能單元的儲能電池陣列，完成電池陣列的狀態數據采集、監控、報警和保護 等功能1801。如圖2．2功能圖所示。



圖2．2 BMS系統功能圖

在實際工程系統中，電池管理系統(BMS)由電池組管理單元(BMU)構成* 低層部分，再由電池組管理系統(BCMS)對每個BMU進行管理，*終由電池陣 列管理系統(BAMS)輪轄管理系統中每個BCMS。三部分共同構成電池管理系統。

2.3.2電池管理系統的作用 電池管理系統主要包括以下幾部分功能f8I．84】：

具有**采集電池電流、電壓和溫度參數，同時進行監控，即顯示電池組 工作狀態，*終以實時數據和歷史數據提供給運行人員。
在采集正確狀態參數的前提下，應用一定的內部算法預測電池的電量狀態， 即對電池陣列、電池組和單體電池進行荷電狀態(SOC)的估計。
具有參數設定和權限管理功能，即包括遠程設定和本地設定。
具有電量均衡功能，即可實現單體電池間的電量均衡，可以提供無源被動 均衡或有源主動均衡。
具有事件記錄功能，即包括報警事件，保護事件，同時與后臺監控系統通 信，把電池的狀態傳告給逆變器(PCS)，以便于逆變器更準確地控制電池充放電狀 態及充放電功率大小。
電池管理系統的功能是針對于鋰離子電池成組而言的，可以更好地發揮電池陣 列的儲能功效，同時更好地保護電池陣列，保證電池陣列的使用壽命。

3安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能，涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優化了電池性能，提高電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。

3.2適用場合

3.2.1系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

3.2.2工商業儲能四大應用場景

1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業儲能進行探索融合發展新場景，已出現在數據中心、5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

3.3系統結構





3.4系統功能

3.4.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。



圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

光伏界面




圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年**利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

儲能界面


圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。



圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。



圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。



圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。



圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。



圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。



圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。



圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的*大、*小電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界面





圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年**利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界面





圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

視頻監控界面



圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

3.4.2發電預測
系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。



圖16光伏預測界面

3.4.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。





圖17策略配置界面

3.4.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備指定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。



圖18運行報表

3.4.5實時報警
應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。



圖19實時告警

3.4.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。



圖20歷史事件查詢

3.4.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度***和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度***和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。



圖21微電網系統電能質量界面

3.4.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。



圖22遙控功能

3.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。



圖23曲線查詢

3.4.10統計報表
具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。



圖24統計報表

3.4.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。



圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

3.4.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。



圖26通信管理

3.4.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的**保障。



圖27用戶權限

3.4.14故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統**運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。



圖28故障錄波

3.4.15事故追憶
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶指定和隨意修改。



圖29事故追憶

3.5系統硬件配置清單





4總結

本文介紹了蓄電池的工作原理及分類，在介紹蓄電池性能的基礎上對比分析了同蓄電池的性能。另外，分析了鋰離子蓄電池的優缺點，對不同正極材料的鋰離子蓄電池進行了性能對比，闡明了新近出現的磷酸鐵銼電池的優缺點。*后，簡單介紹了電池管理系統的組成及其作用。
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