儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

曾富軍

（深圳市招華國(guó)際會(huì)展運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

深圳市招華國(guó)際會(huì)展運(yùn)營(yíng)有限公司為深圳國(guó)際會(huì)展中心運(yùn)營(yíng)方公司，深圳國(guó)際會(huì)展中心工程項(xiàng)目總設(shè)備容量為216 703.3 kW，分別從3個(gè)不同的110 kV變電站共引14路10 kV專(zhuān)用電源。由于工程供配系統(tǒng)龐大，并創(chuàng)造綠色可持續(xù)發(fā)展展館，因此在供配電系統(tǒng)高壓系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能系統(tǒng)，以優(yōu)化供配電系統(tǒng)，降低能耗及公司各項(xiàng)成本，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)概述

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)基本構(gòu)造原理與主要技術(shù)參數(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)由磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及集裝箱等組成，其主回路一次系統(tǒng)原理圖如下圖所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)主回路原理圖

儲(chǔ)能系統(tǒng)從10 kV高壓接入，依次接入高壓控制開(kāi)關(guān)柜、級(jí)聯(lián)式能量裝置進(jìn)線柜、充電電阻柜、級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置啟動(dòng)柜、級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置功率柜、級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置主控制柜、級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置分相控制柜以及電池組等。儲(chǔ)能系統(tǒng)單元采取級(jí)聯(lián)H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一次電路采用星形連接，每相由14個(gè)鏈節(jié)串聯(lián)組成，每個(gè)鏈節(jié)由1個(gè)功率單元和1個(gè)電池柜組成，每個(gè)電池柜的額定直流電壓為691.2 V，容量為69.12 kW·h，每個(gè)電池柜由12個(gè)57.6 V/5.76 kW·h電池PACK串聯(lián)組成。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)中，單臺(tái)裝置電壓等級(jí)為10 kV，額定功率為5 000 kW，交流相數(shù)為三相三線，通信接口為RS485/232、網(wǎng)口以及光口，支持IEC61850和Mod Bus等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，安裝方式為室內(nèi)固定式和集裝箱式，狀態(tài)切換時(shí)，并網(wǎng)和孤網(wǎng)工作模式可無(wú)縫切換。

并網(wǎng)運(yùn)行工作模式下，電壓范圍為-10%～15%Un，額定頻率為50/60 Hz，交流過(guò)載能力為110%（10 min）和120%（1 min），功率因數(shù)為-0.99～+0.99，總電流波形畸變率（THD）＜3%，效率≥88%，功率控制精度≤0.5%（儲(chǔ)能變流器輸出大于其額定功率20%時(shí)），充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間≤5 ms，孤島檢測(cè)時(shí)間＜5 ms。

孤網(wǎng)運(yùn)行工作模式下，電壓精度為-1%～1%，輸出電壓失真度＜0.5%，額定輸出頻率為50/60 Hz，電壓過(guò)渡變動(dòng)范圍為-5%～5%，頻率過(guò)渡變動(dòng)范圍為-2%～2%（電阻負(fù)載），電壓不平衡度＜3%，交流過(guò)載能力為110%（10 min）和120%（1 min），效率大于≥88%。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)裝置組成

單套儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置構(gòu)成如圖1所示，一般由1臺(tái)中控集裝箱和3臺(tái)分相集裝箱組成。中控集裝箱的主要設(shè)備包括進(jìn)線柜、電阻柜、啟動(dòng)柜、控制柜、能量管理系統(tǒng)柜、EMS柜、監(jiān)控系統(tǒng)以及散熱風(fēng)柜系統(tǒng)等。其中，進(jìn)線柜中裝有隔離刀閘、高壓斷路器、電壓互感器以及高壓帶電顯示裝置，電阻柜中裝有隔離刀閘、高壓接觸器、預(yù)充電限流電阻器以及電流互感器，啟動(dòng)柜中裝有連接電抗器、霍爾傳感器以及溫控儀，控制柜中裝有主控制器和人機(jī)界面。分相集裝箱主要設(shè)備包括功率柜、分相控制柜以及電池簇等，其中功率柜中裝有功率單元體，分相控制柜中裝有分相控制器。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)介紹

1.3.1 級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置

級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置也被稱(chēng)為鏈?zhǔn)郊?jí)聯(lián)式能量裝置，是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，也是未來(lái)解決電能質(zhì)量問(wèn)題的重要手段，是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。其主回路為電壓源型的變流器和并網(wǎng)電抗器，而不再是變流器、電抗器以及升壓變壓器的組合，此外采用級(jí)聯(lián)直掛式的方式接入高壓電網(wǎng)，是電池系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的一大飛躍。基本工作原理如圖2所示。

圖2 PCS工作原理圖

級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置并聯(lián)在高壓母線上，采用級(jí)聯(lián)式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制算法，每相由若干個(gè)H橋儲(chǔ)能變流器單元進(jìn)行串聯(lián)移相疊加，再通過(guò)電抗直接并聯(lián)與10 kV電網(wǎng)連接。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流輸出電壓的相位和幅值就可以使該電路輸出有功和無(wú)功電流，從而實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的快速調(diào)節(jié)。輸出電流的表示如下：

式中，US為電網(wǎng)電壓；U1為橋式電路輸出電壓；XL為系統(tǒng)阻抗（主要為電抗器感抗）；I1為輸出電流。

功率單元是PC的核心部件，集成了H橋換流電路、直流紋波吸收電路、充電限流電路、信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊、功率單元控制板以及接觸器等，負(fù)責(zé)完成交直流變換和功率傳送，每一個(gè)功率單元的直流側(cè)與對(duì)應(yīng)電池組相連，交流側(cè)依次串聯(lián)后形成換流鏈，同相功率單元輸出電壓疊加后形成高壓接入電網(wǎng)。

高壓大容量的電化學(xué)儲(chǔ)能變流器裝置對(duì)控制器的要求非常高，為了儲(chǔ)能系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性，級(jí)聯(lián)式能量轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的主控制系統(tǒng)。以雙高速數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）結(jié)合雙大容量現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）為核心，通過(guò)復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量管理和全局尋址，大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件（FLASH、SDRAM以及EEPROM等）支持多種總線協(xié)議的通信接口。PCS主控制器通過(guò)光纖與功率單元控制板相連，完成鏈節(jié)的控制和信息收集，具備的控制功能包括以下6點(diǎn)。一是儲(chǔ)能級(jí)聯(lián)式能量裝置能夠控制電能的四象限運(yùn)行，即有功的充放和無(wú)功的容感性補(bǔ)償，二是可離網(wǎng)、并網(wǎng)運(yùn)行以及離并網(wǎng)模式切換，三是具有對(duì)電池單元SOC的相內(nèi)均衡功能和對(duì)電池單元SOC的相間均衡功能，四是能夠監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令對(duì)電池進(jìn)行充放電控制，五是能夠處理電池管理系統(tǒng)的各種告警信息，以確保電池的安全，六是能夠控制充放電過(guò)程符合電池的充放電特性。

1.3.2 電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)包括電池柜、電池簇管理系統(tǒng)以及電池陣列管理系統(tǒng)，其中電池柜包含多個(gè)電池PACK和高壓控制箱，每個(gè)PACK由多個(gè)電池模塊組成，電池模塊則是由多單體電芯組成。

單個(gè)電芯的技術(shù)參數(shù)如下，電池類(lèi)型為磷酸鐵鋰電池，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.2 V，標(biāo)稱(chēng)容量為50 Ah，額定能量≥128 Wh，最大持續(xù)充電電流為120 A（3.0 C）/25±2 ℃，單體電芯，自由狀態(tài)，最大持續(xù)放電電流為200 A（5 C）/-20～55 ℃。

電池PACK內(nèi)電池模塊的數(shù)量為3，電池模塊為2P6S，電池模塊中電芯數(shù)量為12，PACK內(nèi)電芯36個(gè)，PACK容量為5.76 kW·h，額定電壓為57.6 V。

高壓控制箱是電池柜功率器件（繼電器、485光纖轉(zhuǎn)換模塊、熔斷器、開(kāi)關(guān)電源、濾波器以及絕緣監(jiān)測(cè)儀）和單電池簇BMS主控的集合體，主要承擔(dān)電池組的功率線路控制和保護(hù)等作用，是電池完整成組和功能實(shí)現(xiàn)必不可少的部分。其工作電壓為100～800 V DC，供電模式為外部220 AC供電，電池接入電壓為100～800 V，最大過(guò)電流為300 A，通信接口為RS485、CAN以及光纖，絕緣檢測(cè)范圍為0～50 MΩ。

電池簇管理系統(tǒng)采用二級(jí)架構(gòu)，包括單體電池采集模塊和電池組管理模塊。單體電池采集模塊主要采集單體電芯電壓、溫度以及電流等，電池組管理模塊主要是實(shí)現(xiàn)電池組保護(hù)、控制、均衡以及通信管理，保護(hù)電池組正常運(yùn)行。控制柜收集所有電池系統(tǒng)的狀態(tài)，控制柜與級(jí)聯(lián)式能量裝置以及能量管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，以便達(dá)到更好的運(yùn)行表現(xiàn)。

主要技術(shù)參數(shù)如下，正常工作電流為3.5～10 mA，工作溫度為40～85 ℃，可監(jiān)測(cè)電池串?dāng)?shù)為12～24（單個(gè)采集模塊），可監(jiān)測(cè)溫度點(diǎn)數(shù)為0～8（單個(gè)采集模塊），電壓采集精度為±3 mV，單體電壓采集范圍為0～5 V，單點(diǎn)溫度采集范圍為40～120 ℃，靜態(tài)功耗為1～1.5 mA，均衡電流為800 mA。

電池陣列管理系統(tǒng)主要功能是評(píng)估電池側(cè)的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控以及電池運(yùn)行狀況，采集電池管理單元數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)報(bào)警和遙測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類(lèi)整理和運(yùn)算，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至能量管理系統(tǒng)，并將緊急報(bào)警事件轉(zhuǎn)發(fā)給級(jí)聯(lián)式能量裝置做處理。

1.3.3 能量管理系統(tǒng)

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)根據(jù)來(lái)自調(diào)度或業(yè)主云平臺(tái)的指令及儲(chǔ)能系統(tǒng)算法邏輯控制著儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行儲(chǔ)能充放電。其采用模塊化和功能集成的設(shè)計(jì)，分為系統(tǒng)層和設(shè)備層兩層結(jié)構(gòu)，設(shè)備層和系統(tǒng)層之間的通信采用網(wǎng)線或光纖進(jìn)行，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)備層下行設(shè)備通過(guò)網(wǎng)線與交換機(jī)和中央控制器通信，交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議設(shè)備數(shù)據(jù)及信息傳送給通信服務(wù)器與實(shí)時(shí)服務(wù)器。

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器電網(wǎng)調(diào)度及業(yè)主云平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)及通信，具有下數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)視與報(bào)警、監(jiān)視與報(bào)警以及時(shí)間同步等功能，確保儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與功能實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié) 論

隨著時(shí)代的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步以及技術(shù)的成熟，供配電系統(tǒng)運(yùn)用儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置將會(huì)越來(lái)越廣泛。但由于儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種高壓設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部帶有危險(xiǎn)的高電壓，同時(shí)一些部件因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱而溫度升高，直接觸摸會(huì)灼傷人體，因此當(dāng)工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作、維護(hù)和以及現(xiàn)場(chǎng)查看時(shí)，需嚴(yán)格遵守安全操作要求，確保安全，杜絕不正確操作。