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行业漫谈 | 浅谈储能系统关键技术

2017-05-19
1.储能系统介绍
      储能系统(Energy Storage System,简称ESS)是一个可完成存储电能和供电的系统,具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。可以使太阳能、风能发电平滑输出,减少其随机性、间歇性、波动性给电网和用户带来的冲击;通过谷价时段充电,峰价时段放电可以减少用户的电费支出;在大电网断电时,能够孤岛运行,确保对用户不间断供电。
 储能系统
图1-1 微电网系统架构


      图1-1是微电网系统架构,包含储能、光伏、风机等,储能系统是微网的核心组成,常配合光伏、风电等一起使用。由于电池储能具有技术相对成熟、容量大、安全可靠、噪声低、环境适应性强、便于安装等优点,所以储能系统常用电池来储存电能,目前储能系统主要由储能单元和监控与调度管理单元组成,储能单元包含储能电池组(BA)、电池管理系统(BMS)、储能变流器(PCS)等;监控与调度管理单元包括中央控制系统(MGCC)、能量管理系统(EMS)等。


      2.储能系统的关键技术
      储能系统的技术主要包含对储能变流器的控制、对储能电池的管理,以及监控与调度管理单元对系统能量合理调度。

      2.1 变流器控制策略

      储能变流器又叫功率变换系统(PCS),是储能单元中功率调节的执行设备,在监控与调度系统的调配下,实施有效和安全的储电和放电管理。目前常用的变流器控制策略有PQ控制、VF控制、下垂控制、虚拟同步机控制四种方式。


    (1) PQ控制
      PQ控制是指恒定有功无功控制,控制储能变流器输出的有功功率和无功功率等于其参考功率。PQ控制是新能源并网最常用的控制方式,只有在储能系统并网模式下才可能运用,其控制原理图如图2-1所示。
储能系统
 (a) 恒定有功控制                (b) 恒定无功控制 
图2-1 PQ控制示意图

     图2-1表明,在频率、电压变化范围(fmin<f<fmax,Umin<U<Umax)PQ控制可以稳定有功、无功输出。

    (2) VF控制
      VF控制是指储能变流器维持输出电压和频率不变;而输出的有功功率和无功功率由负荷决定,其控制原理如图2-1所示。不论输出的有功功率和无功功率如何变化,VF控制的储能变流器自动调整运行曲线,满足负荷随机变化,保持电压频率恒定,因此,其外特性为电压源。
 
储能系统
(a) 恒定频率控制                 (b) 恒定电压控制
图2-2 VF控制示意图

      VF控制常用于微网的孤岛模式,支持电网的电压和频率,相当于电力系统的平衡节

    (3)下垂控制
      下垂控制是一种无互联线逆变器并联均流的控制方法,下垂控制变流器模型可以简化为如图所示交流电源:
 
储能系统

      当PCS输出阻抗主要呈现感性时,其输出有功P近似于相角差成正比,无功功率近似于电压的幅值差成正比,因此可以通过调节变流器输出电压的相位和幅值来调节逆变器输出的有功功率和无功功率。
 
储能系统
(a) 恒定频率控制                 (b) 恒定电压控制

图2-3 下垂控制示意图


      下垂控制既可以工作在独立带载的情况,也可以工作在多机并联的情况下。在组建微电网时候,可以使用下垂控制模式建立微电网的电压频率,在无上层控制的情况下,逆变器可以根据本地设置参数分配系统的负荷;在有上层控制的情况下,逆变器按照上层控制器设置的参数运行,同时还可以根据自身情况选择是否进行二次调频。

    (3) VSG控制
      虚拟同步机(VSG)控制是一种基于同步发电机暂态模型的新型微电网逆变电源控制方法,借鉴同步发电控制中调速器和励磁调节器的控制方法来设计变流器的控制器,使微源的输出特性类似一个同步发电机系统,对电力系统具有更加友好的并网特性,便于使用电力系统中成熟的方法对微源进行管理调度,同时外特性接近同步机,有利于电力系统的建模分析,避免了现在并网变流器模型多样给电力系统分析带来的困难。
 
储能系统
图2-4 VSG控制示意图

      2.2 电池管理系统
      电池管理系统(BMS)安装于储能电池组内,负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集,实时状态监测和故障分析,同时通过CAN总线与PCS、监控与调度系统联机通信,实现对电池进行优化的充放电管理控制。系统每簇电池组各自配一套电池管理系统,能达到有效和高效地使用每簇储能电池及整体合理调配的目的。

      BMS应具有电池电压均衡、电池组保护、热管理、电池性能的分析诊断等功能。BMS要求能够实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压、并计算得到的电池内阻等参数,通过分析诊断模型,得出单体电池当前容量或剩余容量(SOC)的诊断,单体电池健康状态(SOH)的诊断、电池组状态评估,以及在放电时当前状态下可持续放电时间的估算。

      2.3 监控与调度管理系统
      监控与调度管理系统是储能单元的能量调度、管理中心,包含中央控制系统(MGCC)和能量管理系统(EMS),负责收集全部电池管理系统数据、储能变流器数据及配电柜数据,向各个部分发出控制指令,控制整个储能系统的运行,合理安排储能变流器工作;系统既可以按照预设的充放电时间、功率和运行模式自动运行,也可以接受操作员的即时指令运行。

      其中,能量管理系统是储能系统的大脑,主要实现能量的合理调度,根据电网峰谷平特点,实现微网的经济运行,具有运行优化、负荷预测、发电预测、微源调度、潮流控制等功能。

      3. 储能关键技术在储能电站项目运用案例
      图3-1为易事特4.4MWh集装箱储能电站项目,该储能电站系统采用户外集装箱安装方式,具有高防护、安装简单容易施工的特点。系统主要由储能电池组、BMS系统、250KW并离网型储能变流器、能量管理系统、智能交流配电柜、集装箱、环境控制系统和安防系统等组成。
 
储能系统

3-1  易事特4.4MW集装箱储能电站项目


      其中,250KW储能变流器具有双向逆变特点,既能向负荷供电,作为系统的调节和支撑单元,又能作为负荷吸收能量,并具备应急电源(UPS)功能。该储能变流器既支持并网运行模式,也可以脱离大电网在孤岛模式下运行。并网运行时,用户可以将变流器设置成上述所说的PQ控制、下垂控制或VSG控制模式,此时变流器可以向负荷供电,也可以给电池进行充电。当检测到电网停电,系统会自动切换离网孤岛模式,离网时的变流器可运行在VF控制、下垂控制或VSG模式,此时储能系统作为主电压源为集装箱所在本地负荷提供稳定的电压和频率支撑,确保负荷系统安全稳定运行。

      4.结语
      储能系统是未来2年到5年电源行业发展的趋势,国内外市场规模数万亿,目前国内外储能电站建设如火如荼,易事特在进军储能市场方面已经走在了行业的前列,并凭借在电源行业27年来的深耕细作,相信会在储能市场占领一席之地。

      参考文献:
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      作为全球新能源企业500强、国家火炬计划重点高新技术企业的易事特集团股份有限公司是国内早期对智慧能源、智慧组件投入研发的企业之一,借助易事特博士后科研工作站和国家级企业技术中心高端创新团队创新研发,易事特已在全国多个省市建设了智慧能源光储充一体化解决方案的应用项目,收到了良好的社会效益和经济效益。