分布式储能系统研发关键技术分析

薄 涛

（杭州煦达新能源科技有限公司上海分公司，上海）

引言

将分布式储能技术应用在配电网、用户侧、微电网、分布式发电等方面，可产生显著经济和社会效益，呈现出巨大的应用潜力。但结合分布式储能系统的特点来看，其中涉及的电压通常达到几百伏甚至上千伏，同时为了达到有效供应电力资源的目标，整个电池簇的串联电芯数量也达到上百个。有鉴于此，对于分布式储能系统的开发设计而言，如何保障电池簇的运行质量、确保安全等，是值得认真思考的课题。

1 分布式储能系统工作原理

分布式储能系统的原理如图1 所示，其是一种直流微电网储能系统，市电通过变流器与直流母线间进行能量交互，同时将多个电池组耦合入直流母线储存能量系统，这可以保障电力能源的稳定输出。当电力能源运行时，电池组可以通过直流母线配合三相变流器进行功率控制，同时也可以作为整体电力系统中的能量来源，从而提高整体电力系统的稳定性和耐久性[1]。

2 具体研发内容

2.1 储能系统规划

本次储能系统规划时，选择了一种典型的储能系统结构，其架构如图2 所示。其主要包括能源管理系统、电池簇、电池管理系统、储能变流器，以及接入负荷、电网的节点单元。

图2 储能系统架构

其中能源管理系统是信号侧的管理单元，能源管理系统的主要作用包括对能量进行时移，即通过储能的方式对电网中用电负荷削峰填谷，换言之，当电厂电力资源处于电负荷低谷时，系统对电池充电，在用电负荷高峰时，将存储的电量进行释放；对负荷动态进行跟踪，主要是基于电力负荷变化情况，对电力负荷运行的情况进行调整，以调控实时平衡；用于系统调频，频率的变化会对发电及用电设备的安全高效运行及寿命产生影响，因此能源管理系统会针对电力运行频率进行调整控制，最大化地保障用电设备的用电安全。

电池簇，本次储能系统设计时，选择了磷酸铁锂电池，其可以进行模块组合，并根据需求进行灵活配置，同时具有安装方便、快捷等特点。进一步而言，为了提高电池系统的安全性，设计过程中将电芯通过串联组成模组，若干个模组封装成PACK，然后将PACK 放置在电池架上，通过接线形成电池簇，电池簇再进一步汇流与PCS连接，随后用电池舱进行封装，以达到存储电量要求的目标。

电池管理系统，该系统是电池簇的管家，主要负责对电池内电压、温度、电量的管理，以及包括进行绝缘检测、SOC计算、SOH 监控、电池均衡、放电功率计算等。其主要目标是保护电池，防止电池过充、过放、过温、压差过大、温差过大等，尽量减缓电池的衰减，延长系统的寿命。

储能变流器，执行交流电与直流电电能变换，连接于电池簇与电网或负荷的变换器。分布式电源可能具有间歇性、波动性、孤岛保护等特点，储能变流器可以维持系统功率的稳定，调节分布式电网中的电流，使电流保持稳定、平衡[2]。

2.2 关键元器件选型

为了保障储能系统的可靠，选择了高安全、高循环寿命的磷酸铁锂电池作为储能单元，其具有模块化、易安装维护等特点；选用了铝壳单体，其参数为3.2V/280Ah，采用激光点焊技术组成PACK，电池PACK箱为1P16S，参数为51.2V/280Ah(14.336 kWh)；本次储能系统每14 个电池模组串联为1 簇，能量为51.2V*280Ah*14=200.7 kWh，每一簇对应一台逆变器；储能系统满功率运行电压范围为：2.95V*n（电芯数）～3.50V*n（电芯数）之间，即660.8 V～784 V 之间。为保证电池的长期使用，默认实际放电为标定容量的90%，即180 kWh。

电芯选择：储能系统规划时，电芯是重要的组件，同时也是关系到系统运行质量、运行稳定性的关键。为了保障此次储能系统的质量，电芯设计选择时，加强了市面上多种电芯型号、类型，最终选择了磷酸铁锂电芯，其型号规格为 Li-Cell-EES （江西赣锋）、PC-0B1-72174L4-AH（瑞普兰钧），容量280 Ah，标称电压3.2 V，工作电压范围2.5 V～3.65 V，电芯月自放电率≤3%，电芯通过GB/T 36276-2018 国家强检测试，安全性能符合国家标准。

对于电池模组的选择，以实际情况为基础，选择了综合性能较为良好的1P16S 电池模组方式，其是由16个单体电芯串联组成，电量为14.336 kWh，标称电压为51.2 V。电池模组配置BMS 的采集模块BMU，用于模组的电压、温度等参数采集，并具有均衡等功能[3]。

2.3 储能变流器设计

本次储能变流器（PCS）设计过程中，根据实际情况，主电路采用两级变换架构，双向DCDC+双向T型架构三电平逆变器。具体的工作模式分为两种：工作模式一，PCS 是在充电状态下，市电通过三电平拓扑整流为直电流，此时BUCK-BOOST 电路工作在BUCK 状态下，将电压降为符合电池充电要求的直流电，配合电池管理系统对电池组进行均衡充电管理，延长蓄电池组使用寿命；工作模式二，PCS 在放电模式下，电池输入的电压经过BUCK-BOOST提升到适合逆变的母线电压，通过三电平三相逆变将电池组放电时释放的能量回馈到电网中，可以对电网友好的实现节能作用。

由于储能变流器为双向功率流动转换器（PCS），其DC-DC电路为BUCK-BOOST拓扑，这有效提高了升压比，BUCK-BOOST 电路实现了能量的双向流动，控制简单，降低系统复杂度，提高了运行效率。

此次，双向功率流动转换器（PCS）的DC-AC 是采用的三电平三相逆变器拓扑。基于其特点来看，具有损耗低的特点，以及输出电压在三个电平间切换，可以实现更加丰富的电平变换，三电平拓扑的真正优势还在于减少了逆变器中开关器件的电压应力，由此产生的输出电压波形更加接近正弦波，谐波失真小，从而只需使用更小的输出滤波器[4]。

2.4 电池安全运行控制逻辑开发

鉴于分布式储能系统的特点，电池很可能受到电流过大或过小的冲击，久而久之，很可能引发一些安全问题发生。一旦电池簇中任何一个电池元件出现质量问题，均会造成系统运行的安全隐患。对此，本次创新开发了基于电池安全运行逻辑程序，以在计算程序上形成对电池安全的有效保护。具体而言，主要是结合电力运行的各个时段，给出有效的安全保护方式，如主要是基于谷时段→峰时段→平时段→峰时段进行电池的安全维护管理。

谷时段（00:00-08:00 充电，SOC:10-100）：（1）SOC小于15%时，以40%功率充电；（2）SOC 大于15%时，以100%功率充电；（3）BMS 报一级故障时，以40%功率充电；（4）BMS 报二级故障时关机。

峰时段（08:00-12:00 放电，SOC:100-36）：（1）记录放电过程中最大负荷；（2）下发无功功率：电表PF>0.6且PF<0.9，下发60%无功功率；电表PF>0.92，下发0%无功功率；（3）以90%有功功率放电；（4）BMS 报一级故障时以15%功率放电；（5）BMS 报二级故障时关机。

平时段（12:00-17:00 充电，SOC:36-66）：（1）需量限制：读取放电过程中的最大负荷作为需量限制，根据{min(需量限制。变压器容量)- 负载功率}*0.8 来限；（2）

BMS 报一级故障时，功率减半充电；（3）BMS 报二级故障时关机；（4）充电限制到SOC增加30%为止。

峰时段（17:00-21:00 放电，SOC:66-10）：（1）记录放电过程中最大负荷；（2）下发无功功率：电表PF>0.6且PF<0.9，下发60%无功功率，电表PF>0.92，下发0%无功功率；（3）以90%有功功率放电；（4）BMS 报一级故障时，以40%功率放电；（5）BMS 报二级故障时关机。

3 技术难点攻克

3.1 电芯电压采样线连接检测

从分布式储能系统中电池簇电芯电压特点来看，存在采样线数量众多现象，鉴于此，若其中出现连接断开、连接不牢固、虚接等问题时，将直接会影响电池管理系统的检测和判定，进而影响到储能系统的稳定性。

考虑到这种问题现象的存在，本次系统研发过程中，给出了优化设计方案，即用电压采样线连接方法进行检测，其能够快速检测出储能系统中是否有采样线的断开、不牢、虚接等问题，可以防止储能系统在采样线断开、不牢情况下持续运行，进而可以保障系统的安全稳定。但对于这种方案的实现具有一定难度，也成为本次研发工作中的重点。

为了有效解决该问题，实现技术难关上的攻克，加强了储能系统的分析。发现电芯端电压在充放电过程中，瞬时电压与电芯实际会产生一定偏差。然而，对于储能系统的组装建设而言，所选用的电池簇均为精挑细选的组件，其一致性差异较小，安装地点相对集中，环境差异小，因而瞬时电压与电芯电压之间的偏差并不是十分明显。如图3 所示，为某一电芯的充放电电压曲线，其中黑圈的部分为充放电电流变化瞬时电芯电压变化情况。

图3 某一电芯的充放电电压曲线

鉴于此，本次研发了一种电芯电压采样线连接检测方法，应用于储能系统中以检测其中的电池簇电芯电压采样线的连接是否有异。具体的方案为：使储能系统控制储能变流器对电池簇按照设定的不同放电电流进行短时放电，再使所述储能系统按照设定的不同充电电流进行短时充电，如此循环进行。放电1 次，X 计为1；充电1 次，Y 计为1；X,Y 为大于等于3 的正整数。最终电池管理系统的电芯采样线连接不正常计数F 连续累加，若F超过(X+Y)*40%，则将所述电池管理系统的电芯采样线连接状态判断为不正确连接[5]。

3.2 充放电电流变化一致性检测

检测过程中，每次放电/充电过程的电流均逐渐对应增大，这样每次放电/充电时电芯电压变化量也逐渐增大。即每次放电电流为Id1,Id2,Id3…，每次充电电流为Ic1,Ic2,Ic3…,Id1=-Ic1，Id2=-Ic2，Id2=-Ic3，Id1

实际的一致性检测过程中，可以设定为各电芯初始电压的某一比例，如：电芯1 在第1 次放电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-1-d1[ΔU负，ΔU正]=[-5%*Ucell-1，-1%*Ucell-1]，Ucell-1为电芯1 在放电/充电前的端电压，电芯1 在第1 次充电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-1-c1[ΔU负，ΔU正]=[1%*Ucell-1，5%*Ucell-1]；

电芯1 在第2 次放电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-1-d2[ΔU负，ΔU正]=[-6%*Ucell-1，-2%*Ucell-1]，电芯1 在第2 次充电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-1-c2[ΔU负，ΔU正]=[2%*Ucell-1，6%*Ucell-1]；电芯1 在第3次放电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-1-d3[ΔU负，ΔU正]= [-7%*Ucell-1，-3%*Ucell-1]；

电芯1 在第3 次充电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-1-c3[ΔU负，ΔU正]=[3%*Ucell-1，7%*Ucell-1]。与此类似的，电芯2 在第1 次放电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-2-d1[ΔU负，ΔU正]= [-5%*Ucell-2-1%*Ucell-2]，Ucell-2为电芯1 在放电/充电前的端电压，电芯2 在第1 次充电时的端电压变化阈值设定为其自身当前电压附近某一范围：Mcell-2-c1[ΔU负，ΔU正]=[1%*Ucell-2，5%*Ucell-2]；以此类推到所有电芯…，从而实现充放电电流变化的一致性检测。通过在此过程中对一致性电压的甄别实现对电芯电压采样线进行检查，能快速准确的判断及定位每个电芯电压采样线的连接情况，协助系统定位问题，排除故障，从而解决了电芯电压采样线连接不牢或断开给储能系统正常工作带来的干扰。

4 结论

综上所述，对比于集中式储能系统，分布式储能系统有效减少了集中储能电站的线路损耗、投资压力等，但基于分布式储能系统的实际应用现状来看，存在分布点多、可控性差等问题。基于此，本文结合实际，研发了一种高效性的分布式储能系统，通过对电芯电压用采样线连接检测、充放电电流变化一致性检测技术等，大为提升了储能系统的运行可控性、稳定性，值得为类似项目提供参考。