电池储能电站电池管理系统关键技术

2020-11-13余斌朱维钧徐浩许立强肖俊先

湖南电力 2020年5期

余斌，朱维钧，徐浩，许立强，肖俊先

(1. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2. 湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004)

0 引言

随着国民经济的快速发展, 工业用电、商业用电和居民用电都大幅增加, 日内用电最高负荷同比逐年攀升, 日内峰谷差扩大, 存在电力供应缺口[1-2]。储能系统已成为“采—发—输—配—用—储” 中的一个关键环节, 可用于缓解电力供应需求与经济性的矛盾[3-6]。

近年来电池储能技术高速发展, 发电厂及用户侧已配置大量电池储能系统, 用于平滑出力波动或降低用电成本等[7-8]。鉴于电池储能具有规模配置灵活、响应速率快、建设周期短、受地理条件限制小等优势, 江苏、河南、湖南等地区已相继有电池储能电站并网投运[9-10]。电网侧配置储能电站后,可提升电网调峰能力、新能源消纳能力、特高压直流消纳能力和直流闭锁时的应对能力, 还可充当黑启动电源[11-13]。

储能用电池的使用性能, 除与电池模块的参数特性有关外, 与其应用的电池管理系统( battery management system, BMS) 的功能有着密切的关系。电池管理系统对保护电池安全、提高电池利用率、延长电池寿命等意义重大[14]。储能电站电池管理系统是储能电池系统的大脑, 主要用于对储能电池进行实时监控、故障诊断、 SOC 估算、短路保护、漏电检测、显示报警, 保障电池系统安全可靠运行, 是整个储能系统的重要构成部分[15]。BMS 能够实时监控、采集电池模组的状态参数,并对相关状态参数进行必要的计算、处理, 得到更多的系统参数, 并根据特定控制策略对电池系统进行有效控制。同时BMS 可以通过自身的通讯接口、模拟/ 数字输入输出接口与外部其他设备( 变流器、能量管理单元、消防等) 进行信息交互, 形成整个储能系统的联动, 利用所有的系统组件, 通过可靠的物理及逻辑连接, 高效、可靠地完成整个储能系统的监控[16-18]。

1 大型电池储能电站电池管理系统架构

储能电池管理系统作为电池系统的核心组成部分, 是电池组与外部设备的桥梁, 决定着电池的利用率, 其性能对储能系统使用成本和安全性能非常重要。储能电池管理系统的拓扑配置应与储能变流器( power coversion system, PCS) 的拓扑、电池的成组方式相匹配, 如图1 所示。

图1 电池储能电站BMS 系统原理图

电池管理系统由电池管理单元 ( Battery Management Unit, BMU )、电池簇管理单元(Battery Cluster Management Unit, BCU)、电池阵列管理单元 ( Battery Array Management Unit,BAU) 三部分组成。 BMU 负责电池单体及电池模组管理, 集各单体电池电压、温度等信息采集、均衡、信息上送、热管理等功能一体。 BCU 负责一个电池簇中全部BMU 的管理, 同时具备电池簇的电流采集、总电压采集、绝缘电阻检测、 SOC 估算等功能, 并在电池簇发生故障时跳开直流接触器, 使电池簇退出运行, 保障电池安全。 BAU 对BMU、 BCU 上传的数据进行数值计算、性能分析、数据存储, 并与PCS、监控后台进行信息交互,BAU 配有显示屏, 实现电池信息、参数配置、故障报警显示等功能, 监控后台根据BAU 上传的各种信息进而控制逆变器对电池组进行有效地充放电, 达到调峰调频、削峰填谷、动力输出等作用。

2 电池管理系统控制策略

电池管理系统主要有自动运行模式、维护模式两种。自动运行模式下, BAU 根据下属BCU 电池簇状态, 进行自动控制吸合与断开。

2.1 自动运行模式控制策略

1) 上电BCU 数量检测

BAU 上电检测BCU 就位数量, 当全部n 组BCU 都就位, BAU 允许满功率充放电；当BCU 就位数少于n 组就位时, BAU 根据具体就位数进行限功率运行( BMS 给PCS / EMS 发最大充放电电流)。少于最少支持组数 ( 上位机可设置) 时,BAU 不就位, 不能进行充放电。

2) 上电总压差检测

当BAU 检测就位通过后, 进行总压压差判断。当电池组最大总压与最小总压之间压差小于电池组允许吸合最大总压差, BMS 判断, 所有就位电池组压差较小, 符合继电器吸合条件, 则闭合所有BCU 主负继电器, 进入预充均衡流程。

当BAU 检测当前就位总压差超过允许值,BAU 报总压差大故障, 需人工干预, 关闭故障组电池组, 或启用维护模式, 人工对电池组进行均衡。

3) 上电预充控制

在继电器每次闭合之前, 都必须对与电池簇相连的高压系统中的电容进行预充电, 在判定预充电过程完成后, 才能闭合继电器, 否则, 继电器易因过流产热而发生触点粘连损坏现象, 如图2 所示。

图2 预充电示意图

BAU 在进行预充控制时, 先控制所有BCU,闭合预充继电器。当BCU 检测到预充电流、预充前后电压差小于一定值, 预充时间大于一定值, 则BCU 报预充完成, 此时BAU 检测所有预充完成后,控制吸合主正继电器, 断开预充电路。

4) 均衡控制

电池的容量、内阻和电压等参数不可能完全一致, 电池单体间微小的内部性能差异会随着充放电运行而不断累积, 并明显地体现为电池系统一致性变差、电池系统充放电性能劣化、电池系统可用容量大幅衰减等缺陷。均衡控制根据电池电压进行电池间的均衡充电, 能够提高成组电池一致性, 缓解电池短板效应引起的电池系统性能劣化问题。均衡控制分为被动均衡和主动均衡两种。被动均衡是电阻耗能式, 在每一颗单体电池并联一个电阻分流, 耗能均衡就是将电池中多余的能量消耗掉, 实现整组电池电压的均衡。主动均衡为能量转移式, 将单体能量高的转移到单体能量低的, 或用整组能量补充到单体最低电池, 在实施过程中需要一个储能环节, 使得能量通过这个环节重新进行分配。

5) 充放电管理

系统运行时, 实时监测每个单体电压以及电池包温度。根据电池系统状态评估充电上限电压值、放电下限电压值、可充电最大电流、可放电最大电流, 通过报文发给PCS。 PCS 进行充放电操作, 控制充放电电流不能超过BMS 请求最大值。

在充电模式: 当单体电压充到“ 充电降流单体电压”, BMS 根据当前PCS 充电电流, 进行降流请求。当多次达到“ 充电降流单体电压” 后, 电流会达到“最小限制充电电流”, BMS 不再控制降流, 维持PCS 充电, 直至充电达到“充电停止单体电压”, BMS 将充满标志置位, 充电限制电流限制为0。 PCS 停止进行充电。只有当“充电一级报警消失”, BMS 才允许进行再次充电。

在放电模式: 当单体电压放到“ 放电降流单体电压”, BMS 根据当前PCS 放电电流, 进行降流请求。当多次达到“ 放电降流单体电压” 后, 电流会达到“最小限制放电电流”, BMS 不再控制降流, 维持PCS 放电, 直至放电达到“放电停止单体电压”, BMS 将放空标志置位, 放电限制电流限制为0, PCS 停止进行放电。只有当“放电一级报警消失”, BMS 才允许进行再次放电。

当电池系统出现三级严重故障时, BMS 延时强制切断继电器, 对电池进行保护；当单体电压低于或高于极限电压时, BMS 强制切断继电器, 对电池进行保护。

2.2 维护模式控制策略

当电池簇出现单体压差大、总压大或发生三级报警需要维护时, 可通过BAU 上位机, 人工控制故障簇电池组进行单独充放电, 人工小电流进行充放电维护；当电池组平台基本一致时, 可停止维护模式, 重新给BMS 上低压电后, BMS 自动识别进入自动控制模式。

3 电池管理系统保护策略

电池的安全保护是电池管理系统最重要的功能。电池管理系统通过对电池进行状态监测及分析, 实现对电池运行过程各种异常状态进行保护,并能发出告警信号或跳闸指令, 实施就地故障隔离。电池管理系统中包含电流保护、电压保护、温度保护及SOC 保护等功能。

1) 电流保护, 也称过流保护, 指的是在充、放电过程中, 如果工作电流超过了安全值, 则应该采取措施限制电流增长。电流保护包括电池簇充电过流保护和电池簇放电过流保护。

2) 电压保护指的是在充、放电过程中, 电压超过设定值时, 应采取措施限制电压越限。电压保护包括电池簇电压过高/ 低、单体电压过高/ 低、单体电压差。

3) 温度保护。电池的充放电对环境温度范围有特殊的要求, 温度保护是当温度超过一定限制值的时候对电池采取保护性的措施。温度保护包括单体过温保护、单体欠温保护、单体温差大保护、极柱过温保护。其中极柱温度过高可能是由于连接处螺丝松动或浮充电压过高引起的。

4) SOC 保护。电池SOC (State of Charge) 是在特定放电倍率条件下, 电池剩余电量占相同条件下额定容量百分比。为了防止电池过放, 当SOC低于设定值时, 应采取保护性措施限制放电。

电池管理系统的电流保护、电压保护、温度保护均采用了三级保护机制, 并与PCS 配合。一级报警发生时, BMS 通知PCS 降功率运行；二级报警发生时, BMS 通知PCS 停止进行充电或放电；三级报警发生时, BMS 通知PCS 停机, 延时后,BMS 主动断开继电器。电池管理系统保护动作策略如图3 所示。

图3 保护策略动作流程

4 电池管理系统调试技术

4.1 电池管理系统功能调试

1) BMS 实时采集电池电压, 具体采集数据指标: 单节电池电压采集范围为1～3 V；电压采集精度为±10 mV。系统带电后, 逐一检查单体电池电压, 应与BMS 采集显示电压一致。

2) BCU 可以实时采集电池组端电压, 具体指标: 电池组端电压采集范围为0 ～1 000 V；电压采集精度为±2% FSR。系统带电后, 逐一检查电池组端电压, 应与BMS 采集显示电压一致。

3) 当BMU 连接温度传感器时, BMU 可以采集电池的实时温度, 然后通过CAN 总线上传给BCU, 采集的指标: 温度采集范围为-20℃～85℃；温度采集精度为±1 ℃。电池单体之间温度应无明显差别, 否则应就地检查电池温度是否正常。

4) 通过PCS 对电池组进行充放电, 当BCU连接分流器时, BCU 可以采集电池组的实时充放电电流, 然后通过CAN 总线上传给BMS, 采集的指标: 电流检测范围为0 ～150 A；电流检测的精度为± 3% FSR。分别设置不同的充放电电流值, 用4 位半万用表的“mV 档位” 测量分流器两端电压值, 然后换算为电流值(或者用钳形电流表直接测量直流电流), 再同BMS 显示的电流值比较, 实际测量值与BMS 显示的电流值应无明显差别。

5) BMU 实时计算每节电池的SOC 值, 并通过CAN 总线上传到BCU。 SOC 的计算指标: SOC范围为0 ～100%； SOC 分辨率为1%。 SOC 的精度为≤8～10% (要求标定SOC 初始值)。

6) BMU 能够有效的对电池进行均衡, 使电池保持较好的一致性, 均衡为主动无损均衡。均衡方法: 在均衡过程中, 每通道只能有一节进行均衡；均衡电流: 2 A；均衡条件: 开路测试。测试时,人为放入几节电压较低电池, 开路静置状态, 每隔5 min 记录一次压差, 结果应满足相关产品技术条件规定。均衡电流可以使用钳形表进行观察。

7) BMU 和BCU 能够输出各种报警量, 用于控制系统, 使系统安全运行, 报警量包括单体电压、总电压、 SOC、温度、通信、硬件等, 具体应进行的工作:

①降低单体电池电压报警定值, 模拟单体电池电压过高, BMS 应正确输出报警量。

②升高单体电池电压报警定值, 模拟单体电池电压过低, BMS 应正确输出报警量。

③降低单体电池温度上限报警定值, 或者将温度探头放入高温环境, 模拟单体电池温度过高,BMS 应正确输出报警量。

④升高单体电池温度下限报警定值, 或者将温度探头放入低温环境, 模拟单体电池温度过低,BMS 应正确输出报警量。

⑤降低环境温度报警、保护定值, 模拟环境温度过高, BMS 应正确输出报警量。

⑥降低电池组端电压上限报警值, 模拟电池组端电压过高, BMS 应正确输出报警量。

⑦升高电池组端电压下限报警值, 模拟电池组端电压过低, BMS 应正确输出报警量。

⑧放空电池或者升高SOC 下限报警值, 模拟电池SOC 过低, BMS 应正确输出报警量。

⑨拔掉温度采集线, 模拟温度采集故障, BMS应正确输出报警量。

⑩拔掉电压采集线, 模拟电压采集故障, BMS应正确输出报警量。

⑪拆除某一节电池线, 模拟电池线连接故障,BMS 应正确输出报警量。

⑫断开BMU、 BCMU 及BAMS 的CAN 连接线,模拟CAN 通信故障, BMS 应正确输出报警量。

8) BMS 能够在本地对电池系统的各项事件及历史数据进行存储, 记录不少于10 000 条事件及不少于180 天的历史数据。运行参数的修改、电池管理单元告警、保护动作、充电和放电开始/ 结束时间等均应有记录, 事件记录具有掉电保持功能。每个报警记录包含所定义的限值、报警参数, 并列明报警时间、日期及报警时段内的峰值。

9) 通信功能。 BMS 与其他外部设备 ( 如PCS、 EMS 监控系统、就地监控系统等) 的所有通讯必须满足高效可靠的通讯规约, BMS 与PCS 之间采用485 或CAN 网通讯, 同时宜具备一个硬接点接口。 BMS 与EMS 监控系统、就地监控系统采用IEC61850 通讯协议, 采用双网通讯。