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      淺談儲能系統關鍵技術

      發布日期:2022-02-23 瀏覽次數:12307

      1.儲能系統介紹


        儲能系統(EnergyStorageSystem,簡稱ESS)是一個可完成存儲電能和供電的系統,具有平滑過渡、削峰填谷、調頻調壓等功能??梢允固柲?、風能發電平滑輸出,減少其隨機性、間歇性、波動性給電網和用戶帶來的沖擊;通過谷價時段充電,峰價時段放電可以減少用戶的電費支出;在大電網斷電時,能夠孤島運行,確保對用戶不間斷供電。



      圖1-1微電網系統架構




        圖1-1是微電網系統架構,包含儲能、光伏、風機等,儲能系統是微網的核心組成,常配合光伏、風電等一起使用。由于電池儲能具有技術相對成熟、容量大、安全、噪聲低、環境適應性強、便于安裝等優點,所以儲能系統常用電池來儲存電能,目前儲能系統主要由儲能單元和監控與調度管理單元組成,儲能單元包含儲能電池組(BA)、電池管理系統(BMS)、儲能變流器(PCS)等;監控與調度管理單元包括中央控制系統(MGCC)、能量管理系統(EMS)等。


      2.儲能系統的關鍵技術


        儲能系統的技術主要包含對儲能變流器的控制、對儲能電池的管理,以及監控與調度管理單元對系統能量合理調度。


      2.1變流器控制策略

        儲能變流器又叫功率變換系統(PCS),是儲能單元中功率調節的執行設備,在監控與調度系統的調配下,實施有效和安全的儲電和放電管理。目前常用的變流器控制策略有PQ控制、VF控制、下垂控制、虛擬同步機控制四種方式。


      (1)PQ控制

        PQ控制是指恒定有功無功控制,控制儲能變流器輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率。PQ控制是新能源并網最常用的控制方式,只有在儲能系統并網模式下才可能運用,其控制原理圖如圖2-1所示。



      (a)恒定有功控制    (b)恒定無功控制

      圖2-1PQ控制示意圖



        圖2-1表明,在頻率、電壓變化范圍(fmin


      (2)VF控制

        VF控制是指儲能變流器維持輸出電壓和頻率不變;而輸出的有功功率和無功功率由負荷決定,其控制原理如圖2-1所示。不論輸出的有功功率和無功功率如何變化,VF控制的儲能變流器自動調整運行曲線,滿足負荷隨機變化,保持電壓頻率恒定,因此,其外特性為電壓源。




      (a)恒定頻率控制    (b)恒定電壓控制

      圖2-2VF控制示意圖


        VF控制常用于微網的孤島模式,支持電網的電壓和頻率,相當于電力系統的平衡節


      (3)下垂控制

        下垂控制是一種無互聯線逆變器并聯均流的控制方法,下垂控制變流器模型可以簡化為如圖所示交流電源:




        當PCS輸出阻抗主要呈現感性時,其輸出有功P近似于相角差成正比,無功功率近似于電壓的幅值差成正比,因此可以通過調節變流器輸出電壓的相位和幅值來調節逆變器輸出的有功功率和無功功率。



      (a)恒定頻率控制    (b)恒定電壓控制

      圖2-3下垂控制示意圖


        下垂控制既可以工作在獨立帶載的情況,也可以工作在多機并聯的情況下。在組建微電網時候,可以使用下垂控制模式建立微電網的電壓頻率,在無上層控制的情況下,逆變器可以根據本地設置參數分配系統的負荷;在有上層控制的情況下,逆變器按照上層控制器設置的參數運行,同時還可以根據自身情況選擇是否進行二次調頻。


      (3)VSG控制

        虛擬同步機(VSG)控制是一種基于同步發電機暫態模型的新型微電網逆變電源控制方法,借鑒同步發電控制中調速器和勵磁調節器的控制方法來設計變流器的控制器,使微源的輸出特性類似一個同步發電機系統,對電力系統具有更加友好的并網特性,便于使用電力系統中成熟的方法對微源進行管理調度,同時外特性接近同步機,有利于電力系統的建模分析,避免了現在并網變流器模型多樣給電力系統分析帶來的困難。


      圖2-4VSG控制示意圖


      2.2電池管理系統


        電池管理系統(BMS)安裝于儲能電池組內,負責對儲能電池組進行電壓、溫度、電流、容量等信息的采集,實時狀態監測和故障分析,同時通過CAN總線與PCS、監控與調度系統聯機通信,實現對電池進行優化的充放電管理控制。系統每簇電池組各自配一套電池管理系統,能達到有效和高效地使用每簇儲能電池及整體合理調配的目的。


        BMS應具有電池電壓均衡、電池組保護、熱管理、電池性能的分析診斷等功能。BMS要求能夠實時測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓、并計算得到的電池內阻等參數,通過分析診斷模型,得出單體電池當前容量或剩余容量(SOC)的診斷,單體電池健康狀態(SOH)的診斷、電池組狀態評估,以及在放電時當前狀態下可持續放電時間的估算。


      2.3監控與調度管理系統


        監控與調度管理系統是儲能單元的能量調度、管理中心,包含中央控制系統(MGCC)和能量管理系統(EMS),負責收集全部電池管理系統數據、儲能變流器數據及配電柜數據,向各個部分發出控制指令,控制整個儲能系統的運行,合理安排儲能變流器工作;系統既可以按照預設的充放電時間、功率和運行模式自動運行,也可以接受操作員的即時指令運行。


        其中,能量管理系統是儲能系統的大腦,主要實現能量的合理調度,根據電網峰谷平特點,實現微網的經濟運行,具有運行優化、負荷預測、發電預測、微源調度、潮流控制等功能。


      3.儲能關鍵技術在儲能電站項目運用案例


        圖3-1為易事特4.4MWh集裝箱儲能電站項目,該儲能電站系統采用戶外集裝箱安裝方式,具有高防護、安裝簡單容易施工的特點。系統主要由儲能電池組、BMS系統、250KW并離網型儲能變流器、能量管理系統、智能交流配電柜、集裝箱、環境控制系統和安防系統等組成。


      3-1易事特4.4MW集裝箱儲能電站項目


        其中,250KW儲能變流器具有雙向逆變特點,既能向負荷供電,作為系統的調節和支撐單元,又能作為負荷吸收能量,并具備應急電源(UPS)功能。該儲能變流器既支持并網運行模式,也可以脫離大電網在孤島模式下運行。并網運行時,用戶可以將變流器設置成上述所說的PQ控制、下垂控制或VSG控制模式,此時變流器可以向負荷供電,也可以給電池進行充電。當檢測到電網停電,系統會自動切換離網孤島模式,離網時的變流器可運行在VF控制、下垂控制或VSG模式,此時儲能系統作為主電壓源為集裝箱所在本地負荷提供穩定的電壓和頻率支撐,確保負荷系統安全穩定運行。


      4.結語


        儲能系統是未來2年到5年電源行業發展的趨勢,國內外市場規模數萬億,目前國內外儲能電站建設如火如荼,易事特在進軍儲能市場方面已經走在了行業的前列,并憑借在電源行業27年來的深耕細作,相信會在儲能市場占領一席之地。

      1.儲能系統介紹


        儲能系統(EnergyStorageSystem,簡稱ESS)是一個可完成存儲電能和供電的系統,具有平滑過渡、削峰填谷、調頻調壓等功能??梢允固柲?、風能發電平滑輸出,減少其隨機性、間歇性、波動性給電網和用戶帶來的沖擊;通過谷價時段充電,峰價時段放電可以減少用戶的電費支出;在大電網斷電時,能夠孤島運行,確保對用戶不間斷供電。



      圖1-1微電網系統架構




        圖1-1是微電網系統架構,包含儲能、光伏、風機等,儲能系統是微網的核心組成,常配合光伏、風電等一起使用。由于電池儲能具有技術相對成熟、容量大、安全、噪聲低、環境適應性強、便于安裝等優點,所以儲能系統常用電池來儲存電能,目前儲能系統主要由儲能單元和監控與調度管理單元組成,儲能單元包含儲能電池組(BA)、電池管理系統(BMS)、儲能變流器(PCS)等;監控與調度管理單元包括中央控制系統(MGCC)、能量管理系統(EMS)等。


      2.儲能系統的關鍵技術


        儲能系統的技術主要包含對儲能變流器的控制、對儲能電池的管理,以及監控與調度管理單元對系統能量合理調度。


      2.1變流器控制策略

        儲能變流器又叫功率變換系統(PCS),是儲能單元中功率調節的執行設備,在監控與調度系統的調配下,實施有效和安全的儲電和放電管理。目前常用的變流器控制策略有PQ控制、VF控制、下垂控制、虛擬同步機控制四種方式。


      (1)PQ控制

        PQ控制是指恒定有功無功控制,控制儲能變流器輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率。PQ控制是新能源并網最常用的控制方式,只有在儲能系統并網模式下才可能運用,其控制原理圖如圖2-1所示。



      (a)恒定有功控制    (b)恒定無功控制

      圖2-1PQ控制示意圖



        圖2-1表明,在頻率、電壓變化范圍(fmin


      (2)VF控制

        VF控制是指儲能變流器維持輸出電壓和頻率不變;而輸出的有功功率和無功功率由負荷決定,其控制原理如圖2-1所示。不論輸出的有功功率和無功功率如何變化,VF控制的儲能變流器自動調整運行曲線,滿足負荷隨機變化,保持電壓頻率恒定,因此,其外特性為電壓源。




      (a)恒定頻率控制    (b)恒定電壓控制

      圖2-2VF控制示意圖


        VF控制常用于微網的孤島模式,支持電網的電壓和頻率,相當于電力系統的平衡節


      (3)下垂控制

        下垂控制是一種無互聯線逆變器并聯均流的控制方法,下垂控制變流器模型可以簡化為如圖所示交流電源:




        當PCS輸出阻抗主要呈現感性時,其輸出有功P近似于相角差成正比,無功功率近似于電壓的幅值差成正比,因此可以通過調節變流器輸出電壓的相位和幅值來調節逆變器輸出的有功功率和無功功率。



      (a)恒定頻率控制    (b)恒定電壓控制

      圖2-3下垂控制示意圖


        下垂控制既可以工作在獨立帶載的情況,也可以工作在多機并聯的情況下。在組建微電網時候,可以使用下垂控制模式建立微電網的電壓頻率,在無上層控制的情況下,逆變器可以根據本地設置參數分配系統的負荷;在有上層控制的情況下,逆變器按照上層控制器設置的參數運行,同時還可以根據自身情況選擇是否進行二次調頻。


      (3)VSG控制

        虛擬同步機(VSG)控制是一種基于同步發電機暫態模型的新型微電網逆變電源控制方法,借鑒同步發電控制中調速器和勵磁調節器的控制方法來設計變流器的控制器,使微源的輸出特性類似一個同步發電機系統,對電力系統具有更加友好的并網特性,便于使用電力系統中成熟的方法對微源進行管理調度,同時外特性接近同步機,有利于電力系統的建模分析,避免了現在并網變流器模型多樣給電力系統分析帶來的困難。


      圖2-4VSG控制示意圖


      2.2電池管理系統


        電池管理系統(BMS)安裝于儲能電池組內,負責對儲能電池組進行電壓、溫度、電流、容量等信息的采集,實時狀態監測和故障分析,同時通過CAN總線與PCS、監控與調度系統聯機通信,實現對電池進行優化的充放電管理控制。系統每簇電池組各自配一套電池管理系統,能達到有效和高效地使用每簇儲能電池及整體合理調配的目的。


        BMS應具有電池電壓均衡、電池組保護、熱管理、電池性能的分析診斷等功能。BMS要求能夠實時測量蓄電池模塊電壓、充放電電流、溫度和單體電池端電壓、并計算得到的電池內阻等參數,通過分析診斷模型,得出單體電池當前容量或剩余容量(SOC)的診斷,單體電池健康狀態(SOH)的診斷、電池組狀態評估,以及在放電時當前狀態下可持續放電時間的估算。


      2.3監控與調度管理系統


        監控與調度管理系統是儲能單元的能量調度、管理中心,包含中央控制系統(MGCC)和能量管理系統(EMS),負責收集全部電池管理系統數據、儲能變流器數據及配電柜數據,向各個部分發出控制指令,控制整個儲能系統的運行,合理安排儲能變流器工作;系統既可以按照預設的充放電時間、功率和運行模式自動運行,也可以接受操作員的即時指令運行。


        其中,能量管理系統是儲能系統的大腦,主要實現能量的合理調度,根據電網峰谷平特點,實現微網的經濟運行,具有運行優化、負荷預測、發電預測、微源調度、潮流控制等功能。


      3.儲能關鍵技術在儲能電站項目運用案例


        圖3-1為易事特4.4MWh集裝箱儲能電站項目,該儲能電站系統采用戶外集裝箱安裝方式,具有高防護、安裝簡單容易施工的特點。系統主要由儲能電池組、BMS系統、250KW并離網型儲能變流器、能量管理系統、智能交流配電柜、集裝箱、環境控制系統和安防系統等組成。


      3-1易事特4.4MW集裝箱儲能電站項目


        其中,250KW儲能變流器具有雙向逆變特點,既能向負荷供電,作為系統的調節和支撐單元,又能作為負荷吸收能量,并具備應急電源(UPS)功能。該儲能變流器既支持并網運行模式,也可以脫離大電網在孤島模式下運行。并網運行時,用戶可以將變流器設置成上述所說的PQ控制、下垂控制或VSG控制模式,此時變流器可以向負荷供電,也可以給電池進行充電。當檢測到電網停電,系統會自動切換離網孤島模式,離網時的變流器可運行在VF控制、下垂控制或VSG模式,此時儲能系統作為主電壓源為集裝箱所在本地負荷提供穩定的電壓和頻率支撐,確保負荷系統安全穩定運行。


      4.結語


        儲能系統是未來2年到5年電源行業發展的趨勢,國內外市場規模數萬億,目前國內外儲能電站建設如火如荼,易事特在進軍儲能市場方面已經走在了行業的前列,并憑借在電源行業27年來的深耕細作,相信會在儲能市場占領一席之地。

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