储能电池系统基本分析
近年来，随着国家双碳政策的发布，储能电池系统大力发展，我们通过一篇文章来简要介绍一下储能系统的基本知识，主要讨论储能系统的结构组成，及关联的关键技术，并梳理一些基本概念。
一.电网系统的结构
图1 含电池储能系统的电网系统
电网系统是一个动态平衡系统，在发电和用电之间总是存在着波动不平衡的现象，增加了储能系统之后的电网系统，可以得到动态平衡的调整，让多种电能源及用电负载得以共同组成一个可靠的系统，同时储能系统可以对新能源发电起到调节的作用，改善新能源发电的供需不平衡。如图1中，给出了一个典型的增加储能装置及储能逆变器的电力系统，包含发电站，光伏发电站，风力发电站，电动汽车充电站，原有电力负荷等。
这样的系统可以有比较广泛的应用场景，如削峰填谷，发电侧负荷响应，电网黑启动，调峰调频等方面。在电池技术的发展下，从近些年的电化学储能装机容量的数据来看，2019年的装机容量达到855MWH,电化学储能得到了很大的发展。
图2 大型电池储能BMS系统结构
大型储能系统的电池容量非常大，达到MWH-几百MWH,转换功率达到数百MW,它一般由多簇电池组，多个PCS(电源转换系统)，及能量管理和调度系统EMS组成，储能管理单元ESMU和电源转换系统PCS之间以CAN通信及RS485连接，同时它和本地能量管理单元LEMS之间以以太网接口通信，并做IEC61850协议处理，视频监控系统以以太网接口和LEMS系统连接对系统数据显示。
针对每一个电池组而言，又由电池组管理模块ESBCM，电流传感器模块CSM,电池采集均衡模块ESBMM等组成，电池管理系统BMS的各个子系统和储能管理单元之间以CAN通信方式连接。同时，涉及到安全监控部分还有一个动环监控系统，具有各种传感信号监控，声光报警，消防，空调作用。
二.储能子系统的结构
储能子系统的主要组成部分就是电池，它是进行能量存储的部件，是储能系统的基础，一个大型储能系统由多个簇电池组组成，每一个电池簇由由多个电池插箱组成，每一个电池插箱又由多节电池组组成，容量可以达到数百MWH.电池的类型可能是磷酸铁锂电池，三元锂电池，钛酸锂电池等，从安全性，容量，寿命来看，磷酸铁锂是目前的主流选择。从电池的组成结构上说，由电芯，单体电池，多节电池组，电池簇，电池堆组成，设计者根据电池储能总容量和充放电倍率等决定电池的串并联数和结构。
PCS（功率变换系统）是储能子系统另一个重要的组成部分，通过它，交流电可以转换为高达1200V的直流总线电压，从而把能量存储在电池中，当需要用电时，电池中的能量通过PCS转化为交流电供给电网或者负载使用。
BMS(Battery Management System)也是储能系统的一个子系统，它通过对电池运行状态量的监测，如电压，电流，温度等，实现对电池状态SoC的计算,在此基础上去对电池实现均衡管理，故障报警，控制，保护，通信的一个系统。它是非常重要的一个核心部件。
EMS(Energy Management System)是储能系统非常重要的部分，它的主要作用是根据电网负荷，电池状态，电价规则等决定储能系统的控制策略，通过对PCS和BMS的控制，使得能量得以合理的调度使用。从结构上由三层结构，本地能量管理单元，区域能量管理单元，云端能量管理单元组成。
以上四部分是储能电池系统主要的组成部分，另外，还包括对电池簇高压的控制箱，以及动环监控，消防，空调系统等，我们这里就不做详细描述。
图3 大型电池储能子系统示意图
三．储能BMS系统功能和结构
图4 储能BMS主要功能特点
从图14中，我们可以看出BMS的主要功能，简要来说就是对电池系统进行监控，测量，诊断，保护，均衡，通讯等。
对于监控和测量来说，涉及到的量比较多，如电池单体电压，电池总电压，簇电流，电池及模组温度等。
对于故障保护来说，主要是对电池的故障进行诊断报警，如过充电，过放电，过流，过温等保护功能，及电池簇间并联的抗环流等，功能安全是需要考虑的重要方面。
对于通讯来说，主要是BMS和PCS,EMS及其它监控装置的通信功能，在这其中，数据记录和存储是进行通讯的基础。
图5 大型电池储能系统特点
对于大功率容量储能系统来说，电池电压一般较高，最高达到1200V左右，簇电流会达到100-300A，为了充分利用电池的容量，一般放电深度会在80%以上，由数千节单体电池组成。
如此大的功率处理，导致在板上的干扰非常大，监控数据也非常大，系统非常复杂，在设计上对数据耦合，屏蔽等的要求较高。
图6 电池储能系统EMC的测试要求
如前所述，大功率的处理导致EMC方面的要求较高，从图6所列的一些测试项目可知，设计BMS所需要通过的EMC相关测试。
均衡是储能系统的一个非常重要的功能，由于电池簇内的电池的一致性问题，在放电末期电池的容量一致性会有不少差异，加之储能系统需要80%以上的深度的充放电，所以必须要让储能系统具有非常强的电池均衡能力，如均衡电流需要达到0.5-5A之大，一般的被动均衡很难达到。主动均衡可以避免对电池组可使用容量的影响，提高储能系统的整体效率。
图7 单体电池的不均衡现象
被动均衡原理示意图如图8所示，通过切换开关和放电电阻为较高电压的电池放电，这样做的结果是影响效率，且放电电流会受到限制，一般只有30-100mA。
图8 单体电池被动均衡示意图
温度对电池储能系统的寿命影响非常大，而储能系统的寿命要求需要达到15年之久，那么必须要对电池储能系统进行细致的热设计和热管理，尤其是如调频调峰之类的应用，大倍率的放电导致电池发热严重，且不均衡。所以散热系统，散热通道，热设计，热管理等非常重要。
数据处理能力也是储能系统非常重要的要求，由于系统复杂，所以数据量非常大，需要系统控制单元具有强的数据处理能力及响应速度。这个要求对系统处理器能力，代码结构及质量都提出了较高要求，IEC61850就是一个典型的协议架构，涉及到数据保存，故障追朔，系统冗余设计等。
这里我们了解一下什么是IEC61850?
IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。它通过标准的实现，实现了智能变电站的工程运作标准化。使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD（系统配置）文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。
IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。 [1]
IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它是由国际电工委员会第57技术委员会(IECTC57)的3个工作组10,11,12(WG10/11/12)负责制定的。
此标准参考和吸收了已有的许多相关标准,其中主要有:IEC870-5-101远动通信协议标准;IEC870-5-103继电保护信息接口标准;UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0)(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系); ISO/IEC9506制造商信息规范MMS(ManufacturingMessage Specification)。
变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层站控层、间隔层、过程层。
在站控层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(IED,测控单元和继电保护)均采用统一的协议,通过网络进行信息交换。
IEC61850系列标准共包含10个部分(IEC61850对应我们电力行业标准编号DL/T860),具体的十个系列标准，在这里我们就不一一详述了，有机会再进一步交流，这里只做简单概念梳理。
图9 电池储能系统三级管理架构
为了提高电池的管理性能，数据处理可靠安全，一般采用三级架构，如图9所示。
图10 电池管理三级架构的作用
底层的电池管理模块主要用于单节电池的信息采集，如电压，温度，状态计算，主动均衡，热管理等。
中间层负责电池组信息采集，主要是电池组电压，电流，电池组状态计算，其它数据计算等。
顶层的储能系统管理单元，主要负责数据显示，数据查询，数据计算，控制策略实施，通讯协议实现等。
四．电池储能系统的安全考虑
众所周知，安全是大功率储能系统非常重要的一方面，不仅涉及到财产安全，也涉及到人身安全。基于此，电池的安全状态分析和预警是BMS非常重要的能力。
首先在设计指标上，对储能系统提出15年的设计寿命指标，因此BMS的设计寿命也是15年以上。
其次在BMS设计上,需要对通信控制进行标准化，如BMS和PCS，BMS和EMS之间的通信等，不仅要考虑协议的标准化，而且要考虑控制策略的标准化，提高系统的可靠性。
在算法上，如电池状态的估计需要高精度，高收敛性，高鲁棒性等，这方面需要做比较大的努力，另外尤其重要的是电池安全预警算法直接决定了在故障前期的预警能力，需要做比较多的工作。
最后，电池储能系统的安全，一定程度上取决于电池本身的安全可靠性上的提升，所以电池厂家需要在这方面不断提高。
总结，本文从电力系统的结构谈起，简要探讨了电池储能系统的结构，电池BMS的主要功能特点，以及涉及到的一些典型问题，如热管理，电池均衡，通信协议，硬件架构等，对理解电池储能系统的宏观层面具有一定的价值。
参考文章：高特电子-储能BMS关键技术及发展趋势探讨
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