基于模块化理论的数字储能系统优化设计.pdf

电力行业节能20节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023基于模块化理论的数字储能系统优化设计王东 王林飞*（中国三峡新能源（集团）股份有限公司建设管理分公司，内蒙古 乌兰察布 011800）摘要：从技术路线方面对数字储能系统进行整体优化设计。一方面通过引入模块化理论，基于高频开关器设备和能量感应系统，将电池管控颗粒度从模组级细化为能量切片；另一方面以能量交换系统(DESS)代替传统数字储能的电池管理系统(BMS)，将电池单元由传统固定串并联结构演进为电池矩阵网络化互联成组结构。通过锂电池热失控研究、锂电池电芯加热实验以及强制过充实验对上述优化方案的本质安全进行验证，并分析50 MW/100 MWh磷酸铁锂电池系统的应用效果。结果表明：磷酸铁锂电芯在到达自发热起点温度的窗口期或因外界因素导致电芯温度升高到达临界点的窗口期，单体电池电压上升最高点的窗口期，对电芯进行提前预警和快速隔离可以有效防止电芯热失控的发生。在具体实施过程中，优化方案提高了大规模电池储能系统的循环寿命、安全性、可靠性和有效容量，而且具备毫秒级电池网络拓扑可重构能力和工作电流级的均衡能力，并基于云技术实现了高效自动运维巡检功能。关键词：数字储能；模块化理论；能量交换系统中图分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）10-0020-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.006Optimization design of digital energy storage system based on modularization theoryWANG Dong WANG Lin-feiAbstract：The overall optimization design of digital energy storage system is carried out from the technical route.On the one hand,the particle size of battery control is refined from module level to energy slice based on the introduction of modularization theory and high-frequency switch equipment and energy sensing system.On the other hand,the energy exchange system(DESS)is used to replace the traditional battery management system(BMS)for digital energy storage,and the battery cell is evolved from the traditional fixed series parallel structure to the battery matrix network interconnection group structure.The intrinsic safety of the above optimization scheme is verified from the research of lithium battery thermal runaway,lithium battery cell heating experiment and forced overcharge experiment,and a 50 MW/100 MWh lithium iron phosphate battery system is specifically implemented.The results show that early warning and rapid isolation of lithium iron phosphate battery cells can effectively prevent the occurrence of thermal runaway of battery cells during the window period when they reach the self heating starting point temperature,the window period when the battery cell temperature rises to the critical point due to external factors,and the window period when the cell voltage rises to the highest point.In the specific implementation process,the optimization scheme improves the cycle life,safety,reliability and effective capacity of the large-scale battery energy storage system.The battery energy storage system has the ability to reconfigure the millisecond level battery network topology and balance the working current level,and realizes the efficient automatic operation and maintenance patrol function based on cloud technology.Key words:digital energy storage;modularization theory;energy exchange system引言我国目前的发电装机容量约24亿kW，根据人均生产总值和人均能源消费量推测，为了满足碳中和要求，2060年我国发电装机容量至少需要达到60亿80亿kW。常规风、光发电不能主动为电网提供电力支撑，致使消纳利用受限，波动性能源的出工效率只有传统火电的1/3，具备顶峰支撑、调峰、一次调频及惯量支撑等功能的数字储能系统应运而生。目前，锂电池数字储能仍处于初级发展阶段，数字储能电站的智慧化运维停留在表层，很多企业都在建设储能运维平台，但基本以数据展作者简介：王东（1982），男，本科，工程师，研究方向为电力工程。通信作者：王林飞（1995），男，硕士，助理工程师，研究方向为电力工程。收稿日期：2023-01-09引用本文：王东，王林飞.基于模块化理论的数字储能系统优化设计 J.节能，2023，42（10）：20-24.电力行业节能21NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION示为主，需要扩充智慧运维、状态诊断等功能。储能行业目前采用的电池管理系统（BMS系统）技术尚不成熟，不具备与PCS、消防等系统达到有效合作并联的条件。陆国庆1提出，产业结构模块化是信息技术革命对产业演进的影响之一。朱瑞博2以IC产业为例研究了模块的整合问题，从产业系统论的角度研究了模块和模块化。模块化理论在国内外最早用于经济学研究，但随着信息时代的到来，人们将模块化思想越来越多地应用到自动化、数字信息化等专业3。侯朝勇4基于DSP-FPGA的全数字控制方式对数字储能技术进行了优化和改进。李香龙5等将数字能量交换系统引入储能技术，用以提升储能系统的可靠性、安全性和能量效率。文中从电池管理系统和设计理念方面对数字储能系统进行优化，引用数字能量交换系统（DESS系统），并在数字储能优化设计中引入模块化理论。通过实验验证系统的安全性，并通过实例分析磷酸铁锂电池系统的应用效果。1储能系统构架1.1电池网络动态重构数字储能系统的核心是电池网络动态重构，其过程如图1所示。将电池单体之间的硬连接方式转变为程序控制的柔性连接方式，在100 ms内完成电池网络拓扑动态重构，通过可重构电池网络实现电池模组层面的充放电能量管理和控制，在不采用传统或被动均衡电池管理系统(BMS)的前提下保证每个电池模组达到要求的充放电截止电压，同时实现毫秒级故障电池模组的在线识别和在线隔离，实现电池系统中电池和管控的解耦，进而将模拟电池储能系统转变为数字电池储能系统，实现电池系统的互联网化能量管控。电芯单体之间的物理连接可以根据电池自身情况和外部工况，通过软件和高频能量交换背板进行动态重构，从而克服短板效应。1.2控制系统优化优化后的数字储能系统具备如下特点：第一，具备毫秒级电池模组级网络拓扑的动态可重构能力，拓扑重构周期100 ms；对电池模组状态（如SOC等）的差异性容忍度为100%；具备毫秒级在线识别和微秒级自动隔离疑似故障电池模组的能力，识别时延 50 ms，隔离时延50 s。第二，具备工作电流级的均衡能力。系统最小均衡电流不小于电池模组额定工作电流的50%。第三，具备基于云的自动运维巡检功能。能通过本地和远程两种方式对电池网络系统进行自动充放电运维巡检，并可隔离系统中任一电池模组。优化后的数字储能系统拓扑图如图2所示。2数字能量系统2.1数字能量交换系统单簇数字储能电池系统拓扑图如图3所示。图1电池网络动态重构过程图2优化后的数字储能系统拓扑图图3单簇数字储能电池系统拓扑图电力行业节能22节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 20232.1.1DESS系统设计DESS数字能量交换系统分为三层架构，由能量网卡、能量集线器、能量交换机组成，另有辅助设备能量适配器控制电池簇的通断。能量网卡。能量网卡是电池功率连路的桥接单元，可以对其管理的单个模组进行功率流管控，是系统功率输出的最小单元，也是系统信息化管理的神经单元。每个电池模组连接一个能量网卡，每簇系统需要42个能量网卡，0.6 MW系统需要168个能量网卡。能量网卡连接在电池模组体之间，电池模组为非传统方式电池模组串并联硬链接，由能量网卡桥接组成电池阵列。安装过程中无须考虑电压叠加的安全问题。数字能量网卡使用定制铜排直接固定在电池模组上，具有电池模组的充放电驱动开关，能够响应数字能量集线器的指令配置。电池能量集线器。10个能量网卡被接入一个能量集线器，数字能量集线器控制系统电池的开关状态，根据数字能量交换机的指令发放相应命令到各部分电路，采集各部分电路的状态数据并与数字能量交换机数据交互。数字能量集线器负责电池模组的充电管理，根据数字能量交换机的指令确定充电的起始和终止以及充电电流值。数字能量集线器还能够检测电池模组充满的状态，管理电池组在充电中的均衡，检测电池在充电过程中的健康状况。数字能量集线器还能够采集充电中的数据，供数字能量交换机使用并可上传给外部监控系统。数字能量集线器负责电池模组的放电管理，依据数字能量交换机的指令确定放电的起始和终止。数字能量集线器还能够检测电池模组截止的状态，检测电池模组在放电中的健康状况。数字能量集线器也采集放电中的数据，供主控电路使用并可上传给外部监控系统。数字能量适配器。数字能量适配器是系统直流输入和输出的接口，负责输入输出的安全保护，可以接收数字能量交换机的指令，保障系统在充放电切换时的平稳过渡。本项目一簇配置一套数字能量适配器。能量交换机。数字能量交换机负责控制系统的总体状态，协调各电路间的工作，根据系统状态和用户指令发放相应命令到各部分电路，采集各部分电路的状态数据用于内部控制的决策依据或上传给外部监控系统。数字能量交换机还负责控制系统和外界的通信接口，处理通信协议。系统上传的状态数据和用户控制命令都经由数字能量交换机处理。数字能量交换机设计有液晶屏幕，位于数字能量交换机的机壳上，用于数字能量交换系统的功能显示，能够查看系统的运行状态（充电、放电、空闲、故障等）以及充放电的电压、电流等信息。本项目一簇配置一套能量交换机。数字能量采集板。数字能量采集板用于单体电池信息采集，结合本项目设计，采集16路电压信号和6路温度信号。系统通过内部通信上传采集数据，用于系统运行策略的调整等。2.1.2被动均衡策略第一，电池模组被动均衡。储能电池动均衡方案由MOSFET开关、大功率电阻等元件组成。单体均衡控制电路根据单体电池之间的SOC差异或电压差异进行均衡，通过控制MOSFET开关实现高能量电池使用电阻耗电的方式释放多余能量，以达到电池均衡的目的。BMU根据采集到的电池单体信息，某节电芯单体电压超过均衡开启电压门限，且与最低电压压差超出均衡开启压差门限时，该电芯均衡回路开启，进行耗散式被动均衡，压差范围回落至规定范围后关闭均衡。均衡状态可通过上位机进行查看。均衡开启电压为3.40 V，均衡开启压差为50 mV，均衡关闭压差为30 mV。电池模组被动均衡方式如图4所示。第二，电池蔟被动均衡。为了进行电池簇均衡，在每个电池簇中均加入一个预充回路。预充回路由一个电阻和一个接触器组成。电池蔟被动均衡方式如图 5所示。在并联的电池系统准备开始对外放电之前，即电池系统与负载之间未形成回路，主接触器未闭合之前，先闭合各个电池簇预充回路中的接触器，使电池系统中的N个电池簇形成了并联关系。N个电池簇中的预充回路闭合后，电压较高的电池簇将给电压较低的电池簇充电，直至所有的电池簇的电压基本平衡，电路中不再存在环流现象。在上电开始阶段，预充电阻解决方案通过预充回路对N个电池簇的电压进行调整，由于预充电阻存在，避免了电池簇之间的电流过大。当BMS每次闭合主接触器时，会先执行预充流程，预充完成后再闭合图4电池模组被动均衡方式图5电池蔟被动均衡方式电力行业节能23NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION主接触器，断开预充接触器。检测到电池簇压差小于15 V 时，不启动预充，直接对电池系统上电；压差为1545 V时，启动预充回路；电池压差大于45 V时，系统不进入预充流程，需进行人工维护。2.2能量管理系统使用EMS能量管理系统完成整个数字储能系统的集中监控与管理。EMS与站内升压站监控系统、PCS、电池舱DESS系统以及辅助设备（空调、消防、环境）等进行连接，采集各设备的运行数据并将重要信息上传电网调度中心6。同时接收调度中心的命令，根据不同的运行模式，采用对应的优化策略，对储能系统进行充放电控制。2.2.1整体框架调度中心交互层。平台提供与调度中心交互的功能，在保证通信及信息安全要求的前提下，EMS系统可以与电力调度中心交换信息，包括：接收调度下发的指令信息以及接收调度中心下发的各种控制指令或计划目标值；主动上送给调度中心当前电站运行的关键信息，如当前运行功率、最大允许充放电功率等信息。储能站控层。EMS系统负责整个电站的数据采集与监视控制，是储能站的中枢大脑；EMS系统向下可以接收储能电站实时数据信息，并将重要信息上传调度系统；向上可以接收调度AGC、AVC指令，并根据控制策略对储能电站下发控制指令；同时其协调控制器可以直接采集并网点的电压、频率，进行紧急功率支撑和快速频率响应。储能基本单元层。边缘采集服务器完成集装箱内的PCS数据采集、BMS数据采集、门禁、消防、环境等辅助设备的信息接入。根据需要可以选配动环系统和当地监控系统。EMS监控系统架构如图6所示。2.2.2网络架构储能管控区的网络架构如图7所示。3实验分析与结果基于动态可重构电池网络的数字储能系统，通过电池网络拓扑的毫秒级重构，微秒级故障电池单体/模组的在线精确隔离等专有技术，是目前唯一一种从原理上保证了电池储能系统的本质安全性和系统可靠性的系统级技术体系。数字储能系统实现了电池模组级的开路电压监测和故障精准隔离，克服了传统电池系统测不准、断不开的难题。同时在电池模组故障隔离后系统仍然能够正常运行，提高了电池系统的可用性和可靠性及能量利用率。数字储能系统本质安全机制如下：第一，数字储能系统通过动态可重构电池网络对电池模组级物理连接拓扑进行周期性的重构，精准控制电池模组接入一次回路的时间，达到电池模组级的高精度容量均衡。通过控制电池模组的工作时间可以控制电池图6EMS监控系统架构图7储能管控区的网络架构电力行业节能24节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023产热量，实现热管理功能，从原理上保证不会发生热堆积，保障电池模组的工作温度处于预设的范围，杜绝了热失控的主要成因热堆积造成的电池温升过高。第二，数字储能系统具备过压、欠压、高温、低温、过流、绝缘、短路等典型故障的诊断功能和电池模组级的细粒度电气保护功能。数字储能系统具备毫秒级在线检测疑似故障单体/模组，微秒级隔离该单体所在电池模组的电池能量管控能力。数字储能系统依据电行为进行提前预警，在热失控发生前对疑似故障单体/模组进行快速精准隔离，从原理上避免热失控的发生。3.1锂电池热失控研究根据国内外研究资料，锂电池从微短路发展到热失控是一个比较漫长的过程7。防止储能电池热失控是提升储能系统本质安全的重要途径8。磷酸铁锂电芯的自发热起点温度一般在100130(T1)，储能电池正常使用温度在50 以下，50100 的温度变化过程是对电芯进行温控处理的关键窗口，这个窗口时间是小时级时间(30 000 s/3 600 s8 h)。在早期对电芯进行提前预警和快速隔离可以有效防止电芯热失控现象的发生9。3.2锂电池电芯加热实验通过实验室强制加热进行热失控试验，加热导致锂电池热失控曲线如图8所示。采用2个500 W加热器，温升控制为47/min，50100 的温度变化过程是对电芯进行温控处理的关键窗口，窗口时间为小时级(60 min/60 min1 h)。在早期对电芯进行提前预警和快速隔离可以有效防止电芯热失控的发生。3.3强制过充实验实验室强制过充，充电电流0.25P（0.25倍满额有功功率下的电流）导致热失控试验过程中，锂电池的电压、温度与时间曲线如图9、图10所示。采用0.25P电流恒流充电，单体电池电压上升至最高点(5 V)的过程是对电芯进行温控处理的关键窗口，窗口时间为分钟级(1 000 s/60 s16 min)。在早期对电芯进行提前预警和快速隔离可以有效防止过充导致的电芯热失控的发生。4结语文中提出基于模块化理论进行电池网络动态重构的数字储能系统，介绍当前数字储能系统中BMS的不足，引出数字储能系统优化的必要性，基于模块化理论进行电池网络动态重构具有科学性和匹配性，提出电池网络动态重构的基本原理，详细介绍DESS系统和EMS系统，最后用实验对系统的本质安全进行验证。下一步需建立信息与能量的量化关系模型，以达到细粒度精确控制，为后续研究进行铺垫。参考文献1 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