一种应用于柴油机测试平台的新型嵌入式储能系统

牛建娜，周 友，吴 峂

（北京低碳清洁能源研究所，北京102209）

内燃机车柴油机在装车前，都要经过多种性能试验：磨合试验、调整检查试验、验收试验等。目的是测试柴油机性能参数，判断机车各部件运行是否可靠，控制特性和功率特性是否满足要求，按铁道部机车检修规程要求，内燃机车的中修周期为23 万～30 万千米，大修周期为70 万～90 万千米[1]。图1所示的水阻测试系统是国内内燃机车试验及检修必不可少的手段，如图1所示，柴油机内柴油燃烧所产生的热量经过整流器转换为直流电，然后又以热的形式消耗在水中。

图1 柴油机水阻测试系统示意图Fig.1 Diagrammatic layout of hydraulic resistance test system for diesel locomotive

据不完全统计，一台中小型柴油机在功率测试过程中转化成热而浪费掉的能量如果全部转化为电能，可达到生产这台柴油机所用电能的1/3 左右[2]。由此可看出，水阻试验存在以下几个缺点：①浪费了大量的工业用水；②浪费了宝贵的电能；③金属极板腐蚀严重。为了高效回收或循环利用这些能量，如今比较成熟的直流电动机-交流发电机组式电力回收方式（机组回收法）已在铁路多家工厂得到了应用， 但机组回收法具有造价高、效率低、噪音大、机械磨损大、操作复杂、起停不易等缺点[3-4]。

本文提出了一套新型的应用于柴油机测试平台的嵌入式储能系统，如图2所示，该系统可以通过电力转换装置将柴油机测试过程产生的能量存储于储能电池组中，这些被回收的电能再经由变压器馈入当地电网。下文以一个实际的能量回收项目为例，介绍了嵌入式储能系统的主要功能及储能系统核心设备间的协同工作模式。

图2 嵌入式储能系统在示范项目中的体现Fig.2 The embedded energy storage system in energy harvesting demo

1 项目概述

项目采用了一套新型的嵌入式储能系统对柴油机测试过程中浪费的能量进行了回收，该系统由储能电池组、电池管理系统（BMS）、能量转换系统（PCS）及监控系统等关键设备组成，能量回收项目组成架构如图3所示。由图3 可看出，项目整体规模为200 kW/560 kW·h，由2个100 kW/280 kW·h的储能分系统构成了基本的储能单元，监控系统对两套并联的储能单元进行协调控制，回收柴油机测试过程中产生的能量。

图3 200 kW/560 kW·h 能量回收项目系统架构Fig.3 Architecture of energy harvest demo

2 嵌入式储能系统设计及功能描述

2.1 储能电池系统及电池管理系统

2.1.1 储能电池系统

表1 列出了目前国内储能系统常用的几种储能电池的性能参数，从中可以看出铅酸电池具有成本低、循环寿命长、安全性高等优点。所以考虑到经济性及安全性因素，本项目的储能电池系统由两组铅酸电池构成，每组电池又由350 支2 V/400 A·h 的单体电池串联组成。

表1 4 种主要储能电池的参数[5]Table 1 Parameters of four main energy storage batteries[5]

储能电池系统采用整体化的设计方案，将每套280 kW·h 的储能电池组放置于标准的20 尺（1m=3尺）集装箱内。图4 显示了电池组在集装箱内的排布方式，储能电池组的每支单体电池采取卧放排布方式放置于集装箱两侧的电池架上，两列电池之间预留了足够空间以供后期操作及维护使用。电池管理系统（BMS）控制柜位于集装箱左侧，储能电池组的风道位于电池支架背面，可以将空调产生的风量均匀导向每个电池，确保电池在最佳温度下使用。

2.1.2 电池管理系统（BMS）

图4 储能电池系统布局图Fig.4 Layout of 280 kW˙h energy storage battery system

（1）电池管理系统的架构设计 电池管理系统分两级结构，即电池管理单元（BMU）和电池组管理单元（ESMU）。BMS 两级结构的具体分工为：BMU 采集电池串中各单元单体电池的电压、内阻、温度等参数，并将测量数据和判断结果发送到ESMU，BMU也可实现电池串中单元电池之间的均衡；ESMU 结合电池前一个状态信息对当前的数据进行分析，得到电池串当前的状态信息，主要包括估算电池串的SOC、过压欠压判断、过流判断、过充过放判断、过温判断等。ESMU 可在各电池串之间进行均衡，从而实现电池串内所有单体电池间的均衡管理[6-7]。

如图5所示，应用于本项目的BMS 共有14个BMU，每个BMU 模块支持25 支单体电池组成的电池串的信息采集。BMS 将采集的电池信息通过通讯接口上传至PCS，PCS 依据电池的状态信息对储能电池组采取相应的指令进行保护。

图5 电池管理系统结构图Fig.5 Architecture of BMS

（2）电池管理系统（BMS）的功能 电池管理系统作为储能电池系统的重要组成部分，是用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合[8-12]，电池管理系统的主要功能有：①实时监控电池、电池组的运行工况并将数据上传至PCS 及储能监控系统；②对单体储能电池进行过充或过放的安全保护；③紧急情况的报警；④接受监控系统的运行调度。

2.2 能量转换系统（PCS）

2.2.1 能量转换系统的结构

应用于能量回收项目的PCS 是含有DC/DC（直直）模块和DC/AC（直交）模块的双极式结构，该结构的DC/DC 环节主要进行升降压变换，DC/AC模块可以将直流电能转为恒压恒频的交流电能直接并网。图6～图8 体现了3 种基于储能应用的能量转换系统的结构。

（1）图6 中，电池组的充放电装置与PCS 的中间直流环节相连；图7 中，电池组的充放电装置与PCS 的交流侧输出端相连。由图6 和图7 可以看出，基于分布式发电应用的传统PCS，储能电池组需要通过在直流侧添加DC/DC 模块或在交流侧添加DC/AC 模块才能接到电网。

图6 直流侧接入储能电池的PCS 在分布式发电中的应用Fig.6 Diagrammatic layout of PCS with DC connected energy storage battery in distributed generation

图7 交流侧接入储能电池组的PCS 在分布式发电中的应用Fig.7 Diagrammatic layout of PCS with AC connected energy storage battery in distributed generation

（2）而图8所示的新型嵌入式储能系统则可省掉DC/DC 模块或DC/AC 模块，储能电池组直接嵌入到PCS 系统，与其直流环节相连实现分布式发电。

图8 直接接入储能电池的PCS 在分布式发电中的应用Fig.8 Diagrammatic layout of PCS with direct connected energy storage battery in distributed generation

通过上述应用方案的对比，可看出本文提出的嵌入式储能结构极大提高了系统的集成度，并优化了系统的成本。

2.2.2 能量转换系统的模式功能

应用于内燃机车柴油机测试过程能量回收的能量转换系统，作为嵌入式储能系统的核心设备，能够将柴油机测试过程中产生的能量存储在大容量储能电池组中，也可以根据厂区实际需求，将这些能量经由380 V 并网点并入电网。

能量转换系统在运行过程中根据厂区实际负载需求有4 种工作模式：①内燃机直接向负载供电；②内燃机为蓄电池组充电；③蓄电池组并网充电；④蓄电池组并网放电。

2.2.3 能量转换系统的通讯功能

PCS 与BMS 间具有通信接口，可接收BMS 发送的蓄电池状态量及告警信息等，包括蓄电池组可充电电量、蓄电池组可放电电量、蓄电池组状态等。PCS 接到BMS 告警或保护信息后会采取相应的动作对蓄电池进行保护。

PCS 除了与BMS 进行通讯，也可以与监控系统进行信息交换。PCS 将自身的运行状态上送至监控系统，也可以接收监控后台下发的命令及定值进行相应的操作。

2.3 监控系统

2.3.1 监控系统采集的信息

储能监控系统可采集的信息包含内燃机、储能电池、电池管理系统、能量转换系统及电网负载在内的动态信息。图9 显示了监控系统的接线界面图，在柴油机测试过程中，通过此界面可以看出回收能量的状态信息，包括回收能量的流向及负载对能量的使用情况等。

图9 监控系统接线界面图Fig.9 Surface chart of wiring layout for monitoring system

2.3.2 监控系统的功能

储能监控系统是整个储能系统的高级监控枢纽，负责监控整个储能系统的运行状态，通过对电池系统、能量转换系统、电池管理系统等设备进行全面监控，实时采集有关设备运行状态及工作参数并上传至上级调度层，从而保证储能系统处于最优的工作状态[13]。监控系统在能量回收项目中的主要功能包括：①显示测控装置以及PCS 上传的详细信息；②对PCS 下发遥调命令供PCS 做4 种模式的功率控制；③记录历史数据。

2.3.3 监控系统的控制策略

储能监控系统在实际运行中会根据柴油机测试功率及厂区负载功率等实际情况采取不同的控制策略使储能系统平稳可靠运行，图10 以内燃机给电网放电的工作模式为例，体现了这一工作模式的运行控制策略。

图10 内燃机给电网放电的运行控制策略Fig.10 Control strategy of internal-combustion engine providing power to grid

3 嵌入式储能系统的仿真与实验分析

为了验证文中嵌入式储能系统在能量回收项目中运行的稳定性，通过Matlab 软件对100 kW 的储能系统建模进行了全电路仿真，图11 显示了储能系统在80 kW 交流负荷工况下运行的仿真波形图，仿真结果表明系统稳定可靠。图12 是储能系统实验的三相电流波形图，第一阶段：内燃机给储能电池组电池充电，电池组处于浮充状态。第二阶段：随着内燃机输出功率的增加，嵌入式储能系统开始为交流负荷供电。第三阶段：内燃机分别向电网和储能电池系统供电。

图11 能量回收系统各阶段的仿真波形图Fig.11 Simulation waveforms of energy storage system in energy harvesting demo

图12 能量回收系统三相交流电流波形Fig.12 Waveform of three phrase current of energy harvesting system

4 结 论

随着经济的高速发展，资源短缺和环境污染已成为制约人类社会进步的重要因素，开发高效的储能装置对可再利用能源充分回收并有效使用就显得尤为迫切。文中提出了一套应用于柴油机车测试平台能量回收的新型嵌入式储能系统，详细描述了系统架构、设备组成及其功能，并对这套系统运行的过程进行了仿真实验，证明了该系统在能量回收过程中运行稳定可靠。这套储能系统在柴油机车测试领域的应用，可以有效地解决测试过程产生的能源浪费及环境污染问题，具有重要的社会效益和经济效益。

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