集装箱储能系统在微电网中的应用
安科瑞 陈聪
【摘要】随着分布式新能源和智能电网的发展，微电网技术进步的需求越来越迫切。文章通过研究微电网的特点，提出了一种用于改善微电网电能质量的集装箱储能系统，包括储能电池簇、电池管理系统、功率变换系统、储能监控系统等，设计出具有三层架构的电池管理系统和多组电池独立控制的功率变换系统，经过实际运行证明能够改善微电网电能质量。
【关键词】微电网；集装箱储能系统；电池管理系统；功率变换系统
1微电网概述
近年来为了解决能源危机、环境问题以及提高电力供应的可靠性，分布式发电技术得到广泛关注。但是大量分布式电源的接入会给电力系统的稳定性、电能质量带来负面影响。为了解决电网和分布式发电之间的矛盾，充分发挥分布式发电的优势，本世纪初，学术界提出了微电网（MicroGrid，MG）的概念，既可与电网并网运行，也可在电网故障或需要时脱离主网独立运行。微电网扮演着双重角色：对于电网来说是单一可控的单元，可接受控制信号并在数秒内做出响应来满足系统的需要；对于用户，微电网是可定制的电源，能满足用户多样化的需求。因此，微电网已成为分布式发电*有效的利用方式。典型微电网系统组成见图1。
微电网系统主要由风力发电机、分布式光伏、储能系统、柴油发电机组、微电网母线、配电网以及各类负荷组成。其中光伏和光伏逆变器构成光伏电源系统，与风力发电机都属于分布式电源；储能系统作为电能调节装置；柴油发电机组作为辅助电源；负荷由生产车间、动力供应点及其他负荷组成。
微电网中分布式电源的运行状态很容易受到外界环境影响，导致其输出产生波动，影响微电网稳定运行。储能系统接入微电网，可以作为后备电源提供短时供电，也能够解决电压跌落、瞬时供电中断等动态电能质量问题，通过调压、调频以及系统故障时的低电压穿越等维持系统稳定，通过向电网及负荷提供有功和无功补偿、维持电压稳定等改善微电网电能质量。因此储能系统成为调节微电源性能，保证负荷供电质量，抑制系统振荡的重要环节，研究储能系统在微电网中的应用具有重要的意义。
2集装箱储能系统
集装箱储能系统主要由储能电池簇、电池管理系统（BMS）、功率变换系统（PCS）、储能监控系统（EMS）等组成，见图2。其技术核心是电池模块和电池簇结构设计、电池管理系统技术、电池系统的控制技术、热管理系统设计等。
图2中，储能电池簇、电池簇控制单元、PCS以及电网构成动力主回路，进行电能的转换和输入输出。储能电池管理模块（BMU）、组端采集模块（BCMU）、储能系统管理单元（BAMS）、PCS以及EMS构成通信网络，传输采集数据、报警信息和控制信号，实现对储能系统的即时控制。BMU与储能电池直接连接，获取单体电池的电压、温度、SOC等信息，其中均衡模块可以对电池进行均衡维护。BCMU连接至整组电池及动力主回路，可采集组端电压、主回路电流等信息。其中断路器（QF）、直流接触器（KM）和熔断器（FU）构成主电路的保护和控制结构，分流器（FL）用于采集电池簇电流。
3兆瓦级集装箱储能系统介绍
某地区为了实现储能与光伏能源互补，平滑随机气象、技术原因引起的新能源间隙性波动，实现清洁能源高效利用，同时达到针对峰谷电价策略，按照夜储日供的策略，减少单位用电支出的目的，建设了总容量为1.5MWh的集装箱储能系统，见图3。该集装箱式电池储能系统是以40尺标准集装箱为载体，将磷酸铁锂电池系统、PCS、BMS、EMS、空调系统、消防系统、配电系统等集中在一个特制箱体内，以实现高集成度、大容量、可移动的储能装置，具有隔热、恒温、消防阻燃、防风沙等特点，满足复杂环境下的使用。
3.1磷酸铁锂电池簇
磷酸铁锂电池具有较高的安全性，电池不会因过充、过放、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。同时磷酸铁锂电池为绿色环保电池，不含重金属与稀有金属，无毒、无污染。为达到系统功率和容量要求，电池簇设计时采用8簇电池并联，每簇96个6.4V320Ah电池模块串联，串并联后总容量达到1.57MWh。
3.2BMS
电池管理系统具备三层架构，主要由单体电池管理模块BMU、组端采集模块BCMU、储能系统管理单元BAMS、充/放电保护单元组成。
（1）系统功能
BMS通过三层模块实时检测和上传电池及电池簇电压、温度、电流等电池参数，估算电池SOC、SOH、电量等能量状态，电池报警和保护，电池簇均衡，BMS故障诊断，与其他系统通信，实现电池智能管理。BMU实现电池电压和温度模拟量测量、电池电压和温度异常报警和上报、电池SOC和SOH估算、电池均衡等功能。BCMU实现电池簇电压、电流、环境温度、绝缘电阻检测，电池簇电压、电流、环境温度、绝缘异常报警，电池簇SOC估算，执行电池簇保护，单体电池信息上传等。BAMS上传和汇总展示电池及电池簇信息，电量计算，BMS系统内故障诊断，BMS参数设定，电池簇就地监控，与PCS和EMS通信等。
（2）通讯
模块BMU、BCMU、BAMS之间通过CAN总线高速率通讯，能够实时获取电池电压、电流、SOC、温度等信息。同时自下而上地采集信息和自上而下地控制信号都能及时送达，保证了系统控制的即时和准确。BMS和PCS采用基于RS485接口的MODBUS协议通信。BMS与上级监控主机使用RJ45通信，数据传输采用TCP/IP及MODBUS协议。因此通过远程服务器经以太网可对集装箱储能系统进行实时监控与数据管理，实现遥测、遥信、遥控，使储能系统得以及时的维护，保证储能系统的安全运行，提高供电系统的可靠性。
3.3PCS
电池簇通过功率变换系统与电网交换能量，起到了电池与电网间连接的接口作用，实现能量在电池与电网间的双向交换。该储能系统需要实现四组电池的单独控制，通过投切灵活配置容量，DC/DC变换器采用下垂控制。
由于单级型功率变换系统拓扑结构容量不能随时改变，储能系统电压输出不稳定，均流特性较差。该微电网中的功率变换系统作为光储互补系统的一部分，需要实现多组电池的独立控制、系统容量的自由配置及根据实际情况投切电池簇，故功率变换系统设计为多级型拓扑结构。多级型功率变换系统将蓄电池簇产生的直流电能先经过DC/DC变换器升压，再供给PWM变流器作为直流侧输入电压，经逆变后输入电网。反之电网产生的交流电能，经过PWM变流器整流成直流电压，经过DC/DC变换器降压，输出储能电池簇的充电电压。
3.4EMS
EMS搭载在控制主机上，采用B/S架构设计，通过以太网通信获取电池、BMS、
PCS的基本信息以及储能系统工作环境状态信息等基本数据，并对其处理分析，智能管理、
控制调度电池模块充放电；EMS具有可视化交互界面，实时更新显示储能系统状态；EMS将运行过程中的储能系统状态数据、故障报警数据、工作人员操作信息等，记录并存入数据库，以供调用、查询。EMS还能对电池做在线的、实时的健康状态评估，便于用户及时了解电池的性能，提高工作效率，减少工作负担。
4优势
本文设计的集装箱储能系统具有可移动、灵活性强、可扩充、可拆卸等功能，无论从商业角度还是技术角度都有一定的实用价值。其主要特点有以下几面：
（1）模块化：集装箱集成了完整的储能系统设备，外形上具有标准的尺寸，方便海运和陆运。它可以用起重机吊装，适用于船舶、卡车和安置地点的装卸，可快速安装、投运和改造。
（2）灵活接口：集装箱储能系统的动力、通信等接口采用标准化设计，适用任何接入需求，如空调、光伏、风机、电力电缆和其他设备的接入。
（3）良好的保护：集装箱本身具备稳固的结构和良好的密封性，能防尘、防腐、防潮，在运输过程中保护内在设备和设施，并在储能系统的生命期内提供良好的保护，免受天气、运输及其他环境的侵害。
（4）可移动性：综合比较其他储能电池，锂电池能量密度高，可移动性强，不受地域限制，便于装卸和运输。
5应用
集装箱储能系统接入微电网母线，微电网根据峰谷特性，在谷段对电池进行充电，将多余电能储存起来，在峰段将能量回馈给电网。风电、光伏发电系统可以根据微网系统控制选择接入母线；接入母线时，可以将风电、光伏等能量储存起来，真正实现了“负荷调节、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量”，也可以实现孤网运行功能。储能电池簇充电结束处于备用状态，可由后台统一控制回馈电网。以兆瓦级储能系统作为一个单元，适用范围广，可以通过多个单元并联组合扩充容量。
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Acrel-2000ES储能柜能量管理系统
6.1系统概述
安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
6.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：
6.3系统功能
6.3.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。
6.3.2设备监控
系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
6.3.3曲线报表
系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。
6.3.4策略配置
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。
6.3.5实时报警
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。
6.3.6事件查询统计
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
6.3.7遥控操作
可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。
6.3.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
7结束语
本文提出了一套适用于微电网的集装箱储能系统，该集装箱储能系统主要包含磷酸铁锂电池簇、电池管理系统、功率变换系统和储能监控系统，详细介绍了每个系统的作用及相互间的联系。本文提出的集装箱储能系统设计方案已经在1.5MWh微电网储能项目中投入使用，在长期运行过程中证实了该方案的实用性及可行性，对改善微电网电能质量起到了积极作用。
参考文献
[1］郭振，詹梨梨，王冬林，陈颉.集装箱储能系统在微电网中的应用研究
[2］ 张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术[M].北京：中国电力出版社，2010：110-126.
[3] 企业微电网设计与应用手册2022.05版.