风储电池能量管理系统的功能设计及实验分析

马荣华，赵 嵩，魏 鑫

(1.郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052；2.郑州航空工业管理学院，河南郑州450052；3.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州450052)

风储电池能量管理系统的功能设计及实验分析

马荣华1，赵 嵩2，魏 鑫3

(1.郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052；2.郑州航空工业管理学院，河南郑州450052；3.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州450052)

主要对10 kW/20 kWh风储锂电池的能量管理系统进行设计，所设计的系统共包括2部分：储能管理单元和电池管理单元。其中的储能管理单元不仅可控制电池储能系统充电和放电、还可监测其状态并对所收集的数据进行分析;电池管理单元可通过监测电池的温度和电压等对电池进行实时保护和均压控制，通过这2个系统的相互协调可对储能系统的充放电过程进行安全动态管理。通过实验对所设计系统的有效性进行验证，从而为锂电池储能系统在工程中的应用奠定一定的基础。

储能管理;电池管理;均压控制

由于风能的间歇性、随机性及不可预测性，使得风电的并网对电力系统的稳定及安全有一定的威胁，这在一定程度上限制了对风能的有效利用。由于电池储能技术可使风电功率实现时空的转移，所以该技术是提高风电并网能力的有效手段，而一套可靠又安全的能量管理系统对电池储能技术是至关重要的，通过该系统可对储能系统的状态进行监测等，同时还可实现对蓄电池的实时保护等[1]。目前，大规模的电池储能技术在我国还处于发展阶段，相关能量管理系统的设计仍需进一步的探索。

1 系统结构

风-储联网系统的组成主要包括发电机组、电网及BESS(电池储能系统)等，风-储联网系统的运行图如图1所示。电网根据自身需求和调度周期内风电的出力大小向ESMU(储能管理单元)发送指令，在每个控制周期内ESMU会根据所得信息向变流器的控制系统发送充放电指令，即通过调节储能电池充电功率的值对BESS(电池储能系统)的工作状态进行实时监测，根据充放电的功率和锂电池的荷电状态(简称SOC)对储能系统的充放电功率进行调整，从而提高系统的安全性。

图1 风-储联网系统的运行图

图1中的BESS主要包括锂电池组、储能交流器和10 kW/20 kWh锂电池的能量管理系统3部分[2]，其中锂电池组由180节40 Ah磷酸铁锂电池串联组成，共包括15箱，每箱12节，锂电池的能量管理系统包括2部分：BMU(电池管理单元)和ESMU。

当储能系统进行充电时：

当储能系统进行放电时：

式中：P(t)、E(t)、P(t+Δt)、E(t+Δt)分别表示t及t+Δt时刻储能系统充放电的功率及能量；η为系统充放电的功率；Δt为采样的时间间隔。

在储能系统进行充放电时其功率应满足：

式中：Pmax表示储能系统充放电时的最大功率；Pdown.max、Pup.max分别表示储能系统功率下降和上升的最大速率。

储能系统在充放电时的能量必须满足：

式中：Emax表示储能系统的容量。

2 能量管理系统设计

2.1 ESMU设计

该系统的ESMU主要包括控制、通信、监测和数据管理四个模块，如图2所示。

图2 储能管理系统的结构

通信模块的设计主要基于Modbus协议，通信介质为串口线，与变流器之间的数据通信的建立通过RS-485接口，通信介质为基于Modbus_TCP协议的网线，与电池之间的数据通信主要通过RJ-45接口建立。

通过通信模块可以与BESS中的某些部分实现数据通信，但所使用的数据均为符合Modbus应用协议的报文，这不利于实现人机之间的交互。通过控制与监测模块可很好地实现人机之间的交互，完成对交互指令的翻译和通信的报文，同时通过与通信模块之间的配合可对BESS的状态进行实时的监测和控制[3]。控制模块还可对变流器的工作时间、工作模式等进行设定，监测模块可对电池的电流、电压及温度等状态进行监视，同时还可动态监视变流器的交直流侧的电流、电压、功率等。

通过监控和通信模块可对BESS的状态进行监测和控制，但无法保存其运行时的数据，同时无法对其工作性能进行分析。通过数据管理模块可将ESMU的状态监测数据和控制指令信息实时导入，同时可实时地分析BESS的工作性能。

可靠的数据基础是实现对BESS数据管理和分析的前提，本文的ESMU以SQL server为基础建立了实时的数据库用于对所监测的数据进行存储。本文所建立的数据库中共包括电池信息表、变流器信息表、指令信息表、调度功率信息表4个父表，每个父表中还包括各子表的属性信息，父表下属的4个子表分别记录电池的状态、变流器状态、控制指令的数据和调度功率的数据[4]。

2.2 BMU设计

电池组中的每箱电池配备一套用于采集每节电池电流I、温度T、电压U等信息的子能量管理单元，子能量管理单元负责将所采集到的信息发送到主控管理单元，从而将信息传至ESMU。图3所示为BMU工作原理的示意图。

图3 BMU工作原理的示意图

BMU将所得的电池信息与电压、温度的预设值相比较，当总电压或单体电压或温度等高于告警值时，BMU将发出警告信号，当总电压或单体电压或温度等高于保护值时，BMU内的接触器将会被触发，电池停止工作。

3 能量管理系统各功能的实现

3.1 ESMU功能实现

ESMU中主要包括监测、控制、数据管理3个主界面，通过这3个主界面可以实现对储能系统的状态监测、充放电控制及数据管理。

ESMU控制主要由4部分组成。其中第一部分对BESS的控制模式进行设置，主要包括恒流、恒功率、恒压充/放电及自定义充放电7种模式，自定义充放电模式以所导入的调度指令功率为依据控制BESS，同时通过调整BESS的充放电功率来满足相应的约束条件，避免电池充放电过度；第二部分主要对电流、功率及充放电的时间进行设置；第三部分主要用于显示系统时间；第四部分主要对电池及变流器运行时的参数进行设置。

ESMU的监测共包括2部分。其中第一部分用于显示变流器的相关信息，如电压、交直流侧电流及故障信息等；第二部分主要用于显示电池的单体电压、荷电状态及故障信息等。

ESMU数据管理主要包括4部分。其中第一部分主要用于导入调度功率等，对充放电的电流、电压等进行选择；第二部分主要对查看的时间段进行设置；第三部分用于显示所查看的结果；第四部分用于导出结果。

3.2 BMU功能实现

系统的寿命受电池电压的影响很大，本研究中对每箱电池均进行均匀控制。均匀控制的过程为，对箱体内每节电池的电压进行定时监测，当系统进行充电时，如果箱体中单节电池的最高端电压与箱体中电池电压的平均值相差20 mV以上时，启动均衡电路，此时单体电池中电压值最高的会向整箱电池放电，直至箱体中电压的平均值与其端电压的差值小于20 mV；若二者之间的差值小于20 mV时，则不启动均衡电路[5]。当系统放电时，与充电时所采用策略类似，图4所示为控制的具体方法。最大放电与充电均衡的电流均为10 A。

图4 BMU均压的控制流程

电池组充电时，当电池组的总电压大于690 V或最大的单体电压值大于3.60 V时，BMU会发出告警信号；当电池组的总电压大于700 V或最大的单体电压值大于3.65 V时，BMU会向电池组与变流器间的断路器发出相应信号，断开变流器与电池组之间的连接，同时停止对储能系统的充电。电池组放电时，当电池组的总电压大于550 V或最小的单体电压值大于2.90 V时，BMU会发出告警信号；当电池组的总电压大于520 V或单体电压值大于2.70 V时，BMU会向电池组与变流器间的断路器发出相应信号，断开变流器与电池组之间的连接，同时停止对储能系统的放电。当单节电池的温度小于15℃或大于35℃时，BMU会发出告警信号；当单节电池的温度小于10℃或大于40℃时，BMU内的接触器会产生相应动作，停止充放电。

4 实验分析

通过所设计的ESMU，实现对10 kW/20 kWh锂电池的能量管理及对储能系统充放电的控制，通过充电实验验证所设计系统的有效性，本文主要分析了箱体内的压差实验和自定义的充放电的实验。

4.1 自定义充放电实验的分析

按图5中的调度指令功率控制BESS的充放电，调度的周期设置为1 min，以所测得的变流器直流侧的电压及电流为依据计算所得功率，图5(a)所示为实际功率，图5(b)所示为锂电池的SOC变化。观察图5可知，当锂电池的SOC或调度指令功率不在BESS的约束范围内时，ESMU则可实时地对BESS的充放电功率进行调整，以满足约束条件，同时提高整个储能系统的安全性[6]。

图5 实验波形

4.2 箱体内的压差分析

压差分析是验证BMU均压效果的一种有效手段，主要应用ESMU中的数据管理模块对箱体内某一时刻的压差进行分析。BMU工作时箱体内的压差如图6所示，观察可发现压差的最大值为16 mV。关闭BMU后，对电池以20 A的电流进行持续1.5 h的放电，图7所示为放电完成后电池的压差，观察发现此时压差的最大值为39.5 mV(远大于20 mV)，其他每节电池的压差也均大于20 mV。通过这一实验验证了BMU对电池的均压控制和对电池一致性的保持的有效性。

图6 BMU工作时箱体内的压差

图7 放电完成后电池的压差

5 结论

本文中设计了锂电池的能量管理系统，通过该系统可控制对电池的充放电、状态监测和运行状态、性能的分析，同时可对电池的温度、电压进行实时保护及告警，从而保证系统运行的稳定及安全。最后，通过实验对该系统的有效性进行了验证，同时可使电池组中单节电池的压差保持在20 mV之内。

参考文献:

[1]余福斌,魏涛,滕国栋,等.基于FPGA的锂电池组能量管理系统设计[J].电源技术,2015,39(9):1879-1881.

[2]刘建伟,尹虎臣,韩民晓,等.静止伏安发生装置中的锂电池充放电控制[J].大功率变流技术,2011(4):75-80.

[3]吉小鹏,金强,乔峰,等.海岛微网能量管理系统的设计与实现[J].中南大学学报:自然科学版,2013,S1:420-424.

[4]毕大强,赵润富,葛宝明,等.直流微电网能量控制策略的研究[J].电源学报,2014(1):1-7.

[5]贾景谱,马媛媛.基于RFID技术的锂电池管理系统设计与实现[J].电源技术,2014,38(11):2049-2050.

[6]孙冬,陈息坤.基于离散滑模观测器的锂电池荷电状态估计[J].中国电机工程学报,2015(1):185-191.

Function design and experimental analysis of tenergy management system of wind energy storage battery

MA Rong-hua1,ZHAO Song2,WEI Xin3
(1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical Colleg,Zhengzhou Henan 450052,China;2.Zhengzhou University of Aeronautics,Zhengzhou Henan 450052,China;3.Seventh thirteen Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Zhengzhou Henan 450052,China)

This article mainly discusses the 10 kW/20 kWh lithium-ion battery energy management system to carry on the design,the design of the system includes two parts:storage management unit and battery management unit.The energy storage unit management not only can control the battery energy storage system charging and discharging,also can monitor the status and analyze the collected data; Battery management unit is by monitoring the temperature and voltage of the battery to protect the battery and equalizing control, through the two systems of coordinates safety on the charging and discharging process of energy storage system for dynamic management.In this paper,through experiments to validate the effectiveness of design system,so as to lay the ground for lithium battery energy storage system in the engineering application of certain basis.

energy storage management;battery management;pressure control

TM 614

A

1002-087 X(2017)07-1048-04

2016-12-31

国家自然科学基金(71371173)

马荣华(1979—)，女，湖南省人，工学硕士，讲师，主要研究方向为计算机软件及理论研究。