一种储能系统多级保护方法_丁凯.pdf

2023.06ELECTRONICS QUALITY一种储能系统多级保护方法丁凯，胡云（江西赣锋锂电科技股份有限公司，江西 新余338025）摘要：以锂电池储能系统包括通讯连接的能量管理系统、电池管理系统、双向充放电设备和储能电池系统为研究对象，设计了一种分层保护方法。该方法采取多级嵌套保护策略，有助于提高系统的稳定性和可靠性；一旦系统发生故障，可以将安全风险降至最低，还能够减少现场的修护成本。但是该保护方法依赖于各子系统保护动作的时间差异以及相互之间的可靠通讯。关键词：储能系统；能量管理系统；电池管理系统；分层保护；多级嵌套中国分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）06-0099-03doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.06.023A Multilevel Protection Method for Energy Storage SystemDING Kai，HU Yun（Jiangxi Ganfeng Lithium Battery Technology Co.，Ltd.，Xinyu 338025，China）Abstract：A layered protection method is designed by taking lithium battery energy storage system including energymanagement system，battery management system，bidirectional charging and discharging equipment and energystorage battery system as research object.In this method，the multi-level nested protection strategy is adopted，which is helpful to improve the stability and reliability of the system.In case of system failure，safety risks can be mini-mized and the on-site repair costs can be reduced.However，the protection method depends on the time differenceof the protection action of each subsystem and the reliable communication between them.Keywords：energy storage system；energy management system；battery management system；layered protection；multi-level nesting收稿日期：2022-12-12作者简介：丁凯（1988），男，江西新余人，江西赣锋锂电科技股份有限公司中级工程师，硕士，从事锂电池储能的电气设计工作。0引言储能是智能电网、可再生能源系统和能源互联网的重要组成部分和关键技术。锂电储能的应用能够改变我国传统供能用能模式，对推动我国能源结构转型、消费侧能源革命、保障能源安全和实现节能减排目标具有重大意义。电池储能系统在分布式发电与微电网系统中实现电能的存储、削峰填谷和平抑新能源出力波动等功能，是该系统中必不可少的环节。随着电池技术的不断发展，以及世界各国对电池和新能源技术的大力支持，已经出现越来越多关于大型的电池储能系统装置的研发和应用。由于大规模储能系统单体电池容量更大，电池簇单体数量更多，电池簇并联数量更大，电池堆电流更大，电池簇充放电深度更深，电池簇运行一致性和寿命要求更为严格。系统一旦出现故障，轻则导致停机维护，影响收益，重则造成巨质量管理Quality Management99ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY大的安全风险1。锂电池储能电站的监控与管理需按3级管理模式进行管理，即：间隔层储能单元电池管理系统（BMS：Battery Management System）和双向充放电设备（PCS：Power Conversion System）2对电池模组及单体、辅助设备和交流电器等本地数据进行采集与存储；站控层的数据服务器对BMS、PCS和配电网中的关键数据进行采集与存储；站端向调控端和集控中心按需求上传相关数据。储能的能量管理系统（EMS：Energy Manage-ment System）是储能系统的最上层管理系统，主要对储能系统和负荷进行监控，对数据进行分析。并基于数据分析结果制定合理的功率分配方案。可监控系统中设备实时数据，以组态或列表的方式查看设备的实时数据，并可通过该界面对设备进行控制和动态配置。EMS根据负荷预测结果，结合运行控制模块实测数据和系统分析模块分析结果，确定储能/负荷的协调优化控制策略。主要包含能量管理、储能调度和管理策略。EMS能在并网模式下运行，不仅能够保证用户供电可靠性，还提高了系统的经济性。目前储能系统的各个子系统，如PCS、EMS和BMS，保护相对比较完善，但也各自独立，缺乏逻辑严密的嵌套联动，能起到的保护作用有所缺失。因此，需要多系统进行多级嵌套保护。在控制上针对不同的故障设置不同优先级的保护策略，不仅可以提供系统的可靠性，还能够减少现场维护的人工成本。1课题研究对象为了解决上述存在的问题，本文阐述了一种带有多级保护控制的储能系统，其工作原理逻辑框图如图1所示，该系统包括通讯连接的EMS、BMS、PCS和储能电池系统。图1中的储能电池系统，包括电池、带有风道设计的电池机箱、机架和配套的保护设备。PCS主要用于对储能电池系统执行充放电的保护动作，能够控制电池充放电功率、电流和时长。EMS用于为PCS充放电设置控制策略，对现场用电进行能量调度管理，提供能量调度过程中的数据分析；实时采集BMS的反馈信息，根据储能电池系统反馈数据调整PCS输出。BMS用于实时监测电池状态，获取电池运行参数，同时将该电池运行参数通过网络通讯的方式上传至EMS和PCS，还能够发出控制信号至电池中电池侧的通断设备执行保护动作3-4。2保护策略研究本文介绍了一种储能系统的多级保护方法，应用在如上述所的储能系统中，详细控制策略如图2所示，其中，Y表示“是”，N表示“否”。包含以下步骤：1）EMS、BMS和PCS对系统进行循环检测，当EMS检测到故障时，EMS会与PCS通讯，EMS发送指令至PCS执行保护动作；2）若EMS与PCS通讯失效，或PCS执行保护失效，系统未停止，则EMS对BMS进行通讯，EMS发送指令要求BMS控制电池侧的通断设备进行保护；3）如果EMS未检测到故障，BMS检测到故障时，则BMS首先与PCS进行通讯，BMS下指令要求PCS执行保护动作5；4）若BMS与PCS通讯失效，或PCS执行保护失效，系统未停止，则BMS控制电池侧的通断设备进行保护；5）若BMS控制的电池侧的通断设备保护失效，则系统通过保护器件进行自动保护6；6）如果PCS检测到故障，则PCS执行自我保护；如果自我保护执行失效，则系统通过保护器件进行自动保护4。BMS检测的故障包括系统的过充、过放、电池压差异常、电池电流异常、电池温度异常和通讯异常等。PCS检测的故障包括PCS与EMS的通讯故障等。EMS检测的故障包括BMS、PCS上传的故障信息等7。步骤6）中的自我保护通过调节PCS充放电功率或断开接触器或断路器进行保护。本文阐述的系统较传统单一通讯方式更加安图1系统框图1002023.06ELECTRONICS QUALITY全可靠，运行稳定。系统采取这种多级嵌套的保护策略，有助于提高系统的稳定性和可靠性，一旦系统发生故障，可以减少现场的维护成本，还能更大限度地降低系统的安全风险。在应用实例中，假设某套储能系统EMS和BMS对外通讯都发生了故障，该储能系统在某次充放电过程中发生过流故障。EMS检测到了异常电流会对PCS下发保护命令，但由于通讯故障，保护命令不能及时下发给PCS，导致PCS保护动作无法正常进行。此时BMS也会检测到异常电流，并同时对PCS下发停机命令。如果BMS对PCS的通讯也发生故障而导致PCS不能正常停止充放电，那么PCS的自我检测会在最后判定故障后自行切断充放电回路，对系统起到保护作用。整个保护过程EMS的故障检测时间最快，可以达到毫秒级，其次是BMS，检测和保护时间也可设定为数百毫秒内，这样可以避免与EMS的故障保护时间冲突。最后PCS的故障保护时间可以设定为秒级动作，避开EMS和BMS的故障检测和执行时间。通过这种嵌套保护逻辑可以对储能系统起到更加安全可靠的保护。3结束语储能电站的储能系统通常配备了完善的消防系统和监控系统，系统全自动控制。电气件的选择要考虑一定的裕量，控制上从EMS、PCS和BMS3个方面做多层保护，进行分级控制，可以充分保证系统稳定、可靠运行。需要说明的是，在本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。多级嵌套保护的执行需要两方面的技术保障。一是各子系统保护执行的逻辑和时间差异，这些差异是各保护子系统能够进行分层控制的基础。二是各保护子系统之间的通讯连接，为了保障储能系统的保护策略充分可靠，相互之间的通讯通常需要做一定的冗余备份。多级嵌套保护利用了BMS、EMS和逆变器各自的保护优势，结合系统故障的动作时间进行分层保护，并同时上下联动保护动作的信息。做到预防和保护动作相结合，提高了系统保护的可靠性8。参考文献：1陈海生，吴玉庭.储能技术发展及路线图M.北京：化学工业出版社，2020.2余勇，年珩.电池储能系统集成技术与应用M.北京：机械工业出版社，2021.3刘明义.电池储能电站监控与能量管理技术M.北京：中国电力出版社，2022.4马骏杰.逆变电源的原理及DSP实现M.北京：北京航空航天大学出版社，2018.5于尔铿.能量管理系统：EMS M.北京：科学出版社，1998.6达维德安德里亚.大规模锂离子电池管理系统M.李建林，译.北京：机械工业出版社，2016.7陈坚，康勇.电力电子变换和控制技术（第三版）M.北京：高等教育出版社，2002.8李泓.锂电池基础科学M.北京：化学工业出版社，2021.图2控制策略框图质量管理Quality Management101