楊瑋琰

摘 要：電池儲(chǔ)能電站由于建設(shè)周期短、響應(yīng)迅速，已成為解決電力系統(tǒng)削峰填谷、新能源消納、調(diào)峰調(diào)頻等問(wèn)題的重要措施。為了保障大型電池儲(chǔ)能電站的電池安全可靠性和循環(huán)壽命，須深入研究電池管理系統(tǒng)技術(shù)。本文介紹大型電池儲(chǔ)能電站電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，分析電池管理系統(tǒng)的控制及保護(hù)策略，并梳理了電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)試內(nèi)容，以期為相關(guān)行業(yè)人員及工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能電站;電池管理系統(tǒng);控制策略;保護(hù)策略;調(diào)試

1 電池儲(chǔ)能電站設(shè)備調(diào)試

1.1分系統(tǒng)調(diào)試

電池儲(chǔ)能電站根據(jù)功能不同，存在多個(gè)子系統(tǒng)：電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)、繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置子系統(tǒng)、時(shí)鐘同步子系統(tǒng)、交直流一體化電源子系統(tǒng)、儲(chǔ)能電站輔助監(jiān)控子系統(tǒng)、計(jì)量子系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)通信子系統(tǒng)和二次安全防護(hù)子系統(tǒng)等。其中，電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)由電池及BMS、PCS和EMS組成，是電池儲(chǔ)能電站最核心的部分。在分系統(tǒng)調(diào)試階段，電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)的主要調(diào)試內(nèi)容包括：

①BMS、PCS和EMS三大系統(tǒng)之間通信測(cè)試;②BMS、PCS和EMS三大系統(tǒng)之間遙測(cè)、遙信、遙控和遙調(diào)量測(cè)試;③BMS、PCS和EMS三大系統(tǒng)之間對(duì)時(shí)功能測(cè)試;④BMS與PCS協(xié)同保護(hù)邏輯測(cè)試;⑤EMS對(duì)BMS、PCS控制功能測(cè)試。

1.2 系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)電池儲(chǔ)能電站各子系統(tǒng)功能驗(yàn)證正確，且完成與各級(jí)調(diào)度主站的通信調(diào)試后，還需要進(jìn)行儲(chǔ)能電站接入變電站并網(wǎng)點(diǎn)的線路光纖差動(dòng)保護(hù)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，為電池儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)的系統(tǒng)調(diào)試提供安全保障。根據(jù)電池儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)測(cè)試規(guī)程要求，測(cè)試項(xiàng)目應(yīng)包括：

①電網(wǎng)適應(yīng)性測(cè)試;②功率控制測(cè)試;③過(guò)載能力測(cè)試;④低電壓/高電壓穿越測(cè)試;⑤電能質(zhì)量測(cè)試;⑥保護(hù)功能測(cè)試;⑦充放電響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間測(cè)試;⑧能量效率測(cè)試。

2 電池管理系統(tǒng)控制策略

電池管理系統(tǒng)主要有自動(dòng)運(yùn)行模式、維護(hù)模式兩種。自動(dòng)運(yùn)行模式下，BAU根據(jù)下屬BCU電池簇狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)控制吸合與斷開(kāi)。

2.1 自動(dòng)運(yùn)行模式控制策略

2.1.1 上電BCU數(shù)量檢測(cè)

BAU上電檢測(cè)BCU就位數(shù)量，當(dāng)全部n組BCU都就位，BAU允許滿功率充放電;當(dāng)BCU就位數(shù)少于n組就位時(shí)，BAU根據(jù)具體就位數(shù)進(jìn)行限功率運(yùn)行（BMS給PCS/EMS發(fā)最大充放電電流）。少于最少支持組數(shù)（上位機(jī)可設(shè)置）時(shí)，BAU不就位，不能進(jìn)行充放電。

2.1.2 上電總壓差檢測(cè)

當(dāng)BAU檢測(cè)就位通過(guò)后，進(jìn)行總壓壓差判斷。當(dāng)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(fù)繼電器，進(jìn)入預(yù)充均衡流程。當(dāng)BAU檢測(cè)當(dāng)前就位總壓差超過(guò)允許值，BAU報(bào)總壓差大故障，需人工干預(yù)，關(guān)閉故障組電池組，或啟用維護(hù)模式，人工對(duì)電池組進(jìn)行均衡。

2.1.3 上電預(yù)充控制

在繼電器每次閉合之前，都必須對(duì)與電池簇相連的高壓系統(tǒng)中的電容進(jìn)行預(yù)充電，在判定預(yù)充電過(guò)程完成后，才能閉合繼電器，否則，繼電器易因過(guò)流產(chǎn)熱而發(fā)生觸點(diǎn)粘連損壞現(xiàn)象。BAU在進(jìn)行預(yù)充控制時(shí)，先控制所有BCU，閉合預(yù)充繼電器。當(dāng)BCU檢測(cè)到預(yù)充電流、預(yù)充前后電壓差小于一定值，預(yù)充時(shí)間大于一定值，則BCU報(bào)預(yù)充完成，此時(shí)BAU檢測(cè)所有預(yù)充完成后，控制吸合主正繼電器，斷開(kāi)預(yù)充電路。

2.1.4 均衡控制

電池的容量、內(nèi)阻和電壓等參數(shù)不可能完全一致，電池單體間微小的內(nèi)部性能差異會(huì)隨著充放電運(yùn)行而不斷累積，并明顯地體現(xiàn)為電池系統(tǒng)一致性變差、電池系統(tǒng)充放電性能劣化、電池系統(tǒng)可用容量大幅衰減等缺陷。均衡控制根據(jù)電池電壓進(jìn)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(yīng)引起的電池系統(tǒng)性能劣化問(wèn)題。均衡控制分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種。被動(dòng)均衡是電阻耗能式，在每一顆單體電池并聯(lián)一個(gè)電阻分流，耗能均衡就是將電池中多余的能量消耗掉，實(shí)現(xiàn)整組電池電壓的均衡。主動(dòng)均衡為能量轉(zhuǎn)移式，將單體能量高的轉(zhuǎn)移到單體能量低的，或用整組能量補(bǔ)充到單體最低電池，在實(shí)施過(guò)程中需要一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，使得能量通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)重新進(jìn)行分配。

2.1.5 充放電管理

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電壓以及電池包溫度。根據(jù)電池系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)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(guò)報(bào)文發(fā)給PCS。PCS進(jìn)行充放電操作，控制充放電電流不能超過(guò)BMS請(qǐng)求最大值。

在充電模式：當(dāng)單體電壓充到“充電降流單體電壓”，BMS根據(jù)當(dāng)前PCS充電電流，進(jìn)行降流請(qǐng)求。當(dāng)多次達(dá)到“充電降流單體電壓”后，電流會(huì)達(dá)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(dá)到“充電停止單體電壓”，BMS將充滿標(biāo)志置位，充電限制電流限制為0。PCS停止進(jìn)行充電。只有當(dāng)“充電一級(jí)報(bào)警消失”，BMS才允許進(jìn)行再次充電。

3 電池儲(chǔ)能電站系統(tǒng)通信故障應(yīng)急策略

電池儲(chǔ)能電站中后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)EMS對(duì)電池的監(jiān)測(cè)、對(duì)PCS的監(jiān)控都是通過(guò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，EMS與BMS之間、EMS與PCS之間都采用的IEC 61850雙網(wǎng)冗余通信，BMS與PCS之間采用了Modbus通信協(xié)議，儲(chǔ)能電站的運(yùn)行控制對(duì)通信系統(tǒng)依賴度高。

為了防止在通信鏈路發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)不失控，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定及可控性，制定通信故障時(shí)的響應(yīng)策略。當(dāng)PCS檢測(cè)到與EMS通信中斷時(shí)，PCS應(yīng)立即采取停機(jī)措施，否則該P(yáng)CS繼續(xù)運(yùn)行，而AGC會(huì)對(duì)剩下的PCS重新進(jìn)行功率分配，此時(shí)實(shí)際的總功率值將大于目標(biāo)功率值。當(dāng)BMS與EMS通信中斷時(shí)，EMS檢測(cè)到通信中斷則在一定延時(shí)后向該BMS對(duì)應(yīng)的PCS發(fā)停機(jī)命令。當(dāng)PCS檢測(cè)到與BMS通信中斷時(shí)，立即控制PCS轉(zhuǎn)為停機(jī)。

此外從通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上分析，站內(nèi)所有BMS和PCS數(shù)據(jù)都接入到間隔層交換機(jī)，是一種集中布置方式，數(shù)據(jù)負(fù)荷大，若間隔層交換機(jī)發(fā)生故障，將導(dǎo)致站內(nèi)所有儲(chǔ)能設(shè)備通信中斷。由于每個(gè)儲(chǔ)能單元都配置了就地監(jiān)控裝置，目前承擔(dān)著儲(chǔ)能單元通信匯集和就地監(jiān)控的功能。因此考慮利用就地監(jiān)控裝置與儲(chǔ)能單元層交換機(jī)在整站儲(chǔ)能設(shè)備通信中斷時(shí)，構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)緊急情況下的就地控制作用。

通過(guò)在就地監(jiān)控裝置中安裝AGC和AVC等功能模塊，使其具備與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)相同的功率控制功能。電池儲(chǔ)能電站應(yīng)急通信方案，各儲(chǔ)能單元采用環(huán)網(wǎng)型交換機(jī)組成局域環(huán)網(wǎng)。在系統(tǒng)通信正常時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)正常網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通信，就地監(jiān)控裝置存儲(chǔ)整站的控制命令。一旦所有的儲(chǔ)能單元都判斷通信中斷，則指定地址編號(hào)最小的就地監(jiān)控裝置為主控裝置，通過(guò)局域環(huán)網(wǎng)控制儲(chǔ)能設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)：國(guó)內(nèi)電源側(cè)及電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站建設(shè)數(shù)量及規(guī)模逐年增長(zhǎng)，在電池管理、系統(tǒng)保護(hù)、運(yùn)行控制等方面都需要進(jìn)一步深入研究及優(yōu)化。本文介紹了當(dāng)前大型電池儲(chǔ)能電站的電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，分析研究了電池管理系統(tǒng)的控制及保護(hù)策略，并梳理了電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵調(diào)試內(nèi)容，以為電池儲(chǔ)能站建設(shè)提供借鑒參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳遠(yuǎn)揚(yáng)，黃際元，吳佩穎，等.儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于某區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)例研究[J].湖南電力，2020，37（S2）：6-14.

[2]孫云濤，宋依群.基于調(diào)峰能力評(píng)估的省間調(diào)峰互濟(jì)交易模式[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2020，46（4）：86-91.

[3]徐青山，楊辰星，顏慶國(guó).計(jì)及規(guī)模化空調(diào)熱平衡慣性的電力負(fù)荷日前削峰策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2020，40（1）：156-163.

[4]孟婭，李欣然，黎淑娟，等.電池儲(chǔ)能參與配電網(wǎng)削峰填谷的變功率控制策略[J].電力建設(shè)，2020，39（4）：45-50.