安科瑞 劉秋霞

摘要：主要對10kW/20kWh風儲鋰電池的能量管理系統進行設計，所設計的系統共包括2部分：儲能管理單元和電池管理單元。其中的儲能管理單元不僅可控制電池儲能系統充電和放電、還可監測其狀態并對所收集的數據進行分析；電池管理單元可通過監測電池的溫度和電壓等對電池進行實時保護和均壓控制，通過這2個系統的相互協調可對儲能系統的充放電過程進行安全動態管理。通過實驗對所設計系統的有效性進行驗證，從而為鋰電池儲能系統在工程中的應用奠定一定的基礎。

關鍵詞：儲能管理；電池管理；均壓控制

0引言

由于風能的間歇性、隨機性及不可預測性，使得風電的并網對電力系統的穩定及安全有一定的威脅，這在一定程度上限制了對風能的有效利用。由于電池儲能技術可使風電功率實現時空的轉移，所以該技術是提高風電并網能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理系統對電池儲能技術是至關重要的，通過該系統可對儲能系統的狀態進行監測等，同時還可實現對蓄電池的實時保護等。目前，大規模的電池儲能技術在我國還處于發展階段，相關能量管理系統的設計仍需進一步的探索。

1系統結構

風-儲聯網系統的組成主要包括發電機組、電網及BESS(電池儲能系統)等，風-儲聯網系統的運行圖如圖1所示。電網根據自身需求和調度周期內風電的出力大小向ESMU(儲能管理單元)發送指令，在每個控制周期內ESMU會根據所得信息向變流器的控制系統發送充放電指令，即通過調節儲能電池充電功率的值對BESS(電池儲能系統)的工作狀態進行實時監測，根據充放電的功率和鋰電池的荷電狀態(簡稱SOC)對儲能系統的充放電功率進行調整，從而提高系統的安全性。

圖一風-儲聯網系統的運行圖

2能量管理系統設計

2.1 ESMU設計

該系統的ESMU主要包括控制、通信、監測和數據管理四個模塊，如圖2所示。通信模塊的設計主要基于Modbus協議，通信介質為串口線，與變流器之間的數據通信的建立通過RS-485接口，通信介質為基于Modbus_TCP協議的網線，與電池之間的數據通信主要通過RJ-45接口建立。

通過通信模塊可以與BESS中的某些部分實現數據通信，但所使用的數據均為符合Modbus應用協議的報文，這不利于實現人機之間的交互。通過控制與監測模塊可很好地實現人機之間的交互，完成對交互指令的翻譯和通信的報文，同時通過與通信模塊之間的配合可對BESS的狀態進行實時的監測和控制。控制模塊還可對變流器的工作時間、工作模式等進行設定，監測模塊可對電池的電流、電壓及溫度等狀態進行監視，同時還可動態監視變流器的交直流側的電流、電壓、功率等。

通過監控和通信模塊可對BESS的狀態進行監測和控制，但無法保存其運行時的數據，同時無法對其工作性能進行分析。通過數據管理模塊可將ESMU的狀態監測數據和控制指令信息實時導入，同時可實時地分析BESS的工作性能。可靠的數據基礎是實現對BESS數據管理和分析的前提，本文的ESMU以SQLserver為基礎建立了實時的數據庫用于對所監測的數據進行存儲。本文所建立的數據庫中共包括電池信息表、變流器信息表、指令信息表、調度功率信息表4個父表，每個父表中還包括各子表的屬性信息，父表下屬的4個子表分別記錄電池的狀態、變流器狀態、控制指令的數據和調度功率的數據。

2.2 BMU設計

電池組中的每箱電池配備一套用于采集每節電池電流、溫度、電壓等信息的子能量管理單元，子能量管理單元負責將所采集到的信息發送到主控管理單元，從而將信息傳至ESMU。圖3所示為BMU工作原理的示意圖。

BMU將所得的電池信息與電壓、溫度的預設值相比較，當總電壓或單體電壓或溫度等高于告警值時，BMU將發出警告信號，當總電壓或單體電壓或溫度等高于保護值時，BMU內的接觸器將會被觸發，電池停止工作。

3能量管理系統各功能的實現

3.1 ESMU功能實現

ESMU中主要包括監測、控制、數據管理3個主界面，通過這3個主界面可以實現對儲能系統的狀態監測、充放電控制及數據管理。

ESMU控制主要由4部分組成。可以對BESS的控制模式進行設置，主要包括恒流、恒功率、恒壓充/放電及自定義充放電7種模式，自定義充放電模式以所導入的調度指令功率為依據控制BESS，同時通過調整BESS的充放電功率來滿足相應的約束條件，避免電池充放電過度；可以對電流、功率及充放電的時間進行設置；也可以用于顯示系統時間；以及對電池及變流器運行時的參數進行設置。

ESMU的監測共包括2部分。可以用于顯示變流器的相關信息，如電壓、交直流側電流及故障信息等；也可以用于顯示電池的單體電壓、荷電狀態及故障信息等。

ESMU數據管理主要包括4部分。主要用于導入調度功率等，對充放電的電流、電壓等進行選擇；對查看的時間段進行設置；用于顯示所查看的結果；用于導出結果。

3.2 BMU功能實現

系統的壽命受電池電壓的影響很大，本研究中對每箱電池均進行均勻控制。均勻控制的過程為，對箱體內每節電池的電壓進行定時監測，當系統進行充電時，如果箱體中單節電池的電壓與箱體中電池電壓的平均值相差20mV以上時，啟動均衡電路，此時單體電池中電壓值較高的會向整箱電池放電，直至箱體中電壓的平均值與其端電壓的差值小于20mV；若二者之間的差值小于20mV時，則不啟動均衡電路。

當系統放電時，與充電時所采用策略類似，圖4所示為控制的具體方法。較大放電與充電均衡的電流均為10A。

電池組充電時，當電池組的總電壓大于690V或單體電壓值大于3.60V時，BMU會發出告警信號；當電池組的總電壓大于700V或單體電壓值大于3.65V時，BMU會向電池組與變流器間的斷路器發出相應信號，斷開變流器與電池組之間的連接，同時停止對儲能系統的充電。電池組放電時，當電池組的總電壓大于550V或單體電壓值大于2.90V時，BMU會發出告警信號；當電池組的總電壓大于520V或單體電壓值大于2.70V時，BMU會向電池組與變流器間的斷路器發出相應信號，斷開變流器與電池組之間的連接，同時停止對儲能系統的放電。當單節電池的溫度小于15℃或大于35℃時，BMU會發出告警信號；當單節電池的溫度小于10℃或大于40℃時，BMU內的接觸器會產生相應動作，停止充放電。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

4.1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。

4.2適用場合

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。

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：工商業儲能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1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、電站發電量年有效利用小時數統計、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、電站發電量年有效利用小時數統計、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。

4.4.2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

4.4.3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

4.4.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，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

4.4.5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

4.4.6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

4.4.7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、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

4.4.8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

4.4.9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

4.4.10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

4.4.11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。

4.4.12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

4.4.13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、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

4.4.14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、提高電力系統安全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

4.4.15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*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規定和隨意修改。

圖29事故追憶

4.5系統硬件配置清單

5結　論

在設計和實現風儲電池能量管理系統的過程中,除了著眼于基本的控制策略功能實現以外,還需對其他影響系統可用性的因素加以關注。為避免電池、PCS、BMS、EMS、溫控系統和消防系統的能量損耗導致儲能系統的能量持續降低,在風儲能量管理系統的設計中需要對上述損耗加以補償,選擇性功率偏置可以起到良好的效果。通過該系統可控制對電池的充放電、狀態監測和運行狀態、性能的分析，同時可對電池的溫度、電壓進行實時保護及告警，從而保證系統運行的穩定及安全。

參考文獻:

[1]余福斌,魏濤,滕國棟,等.基于FPGA的鋰電池組能量管理系統設計[J].電源技術，2015，39(9):1879-1881.

[2]劉建偉,尹虎臣,韓民曉,等.靜止伏安發生裝置中的鋰電池充放電控制[J].大功率變流技術,2011(4):75-80.

[3]吉小鵬,金強,喬峰,等.海島微網能量管理系統的設計與實現[J].中南大學學報:自然科學版,2013,S1:420-424.

[4]馬榮華，趙嵩，魏鑫.風儲電池能量管理系統的功能設計及實驗分析.

[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版.