储能系统的原理与应用

曾富军

（深圳市招华国际会展运营有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

深圳市招华国际会展运营有限公司为深圳国际会展中心运营方公司，深圳国际会展中心工程项目总设备容量为216 703.3 kW，分别从3个不同的110 kV变电站共引14路10 kV专用电源。由于工程供配系统庞大，并创造绿色可持续发展展馆，因此在供配电系统高压系统中引入储能系统，以优化供配电系统，降低能耗及公司各项成本，达到可持续发展。

1 储能系统概述

1.1 储能系统基本构造原理与主要技术参数

储能系统由磷酸铁锂电池系统、电池管理系统、能量管理系统、级联式能量转换装置、消防系统、空调系统以及集装箱等组成，其主回路一次系统原理图如下图所示。

图1 储能系统主回路原理图

储能系统从10 kV高压接入，依次接入高压控制开关柜、级联式能量装置进线柜、充电电阻柜、级联式能量转换装置启动柜、级联式能量转换装置功率柜、级联式能量转换装置主控制柜、级联式能量转换装置分相控制柜以及电池组等。储能系统单元采取级联H桥的拓扑结构，一次电路采用星形连接，每相由14个链节串联组成，每个链节由1个功率单元和1个电池柜组成，每个电池柜的额定直流电压为691.2 V，容量为69.12 kW·h，每个电池柜由12个57.6 V/5.76 kW·h电池PACK串联组成。

储能系统的主要技术参数中，单台装置电压等级为10 kV，额定功率为5 000 kW，交流相数为三相三线，通信接口为RS485/232、网口以及光口，支持IEC61850和Mod Bus等标准规约，安装方式为室内固定式和集装箱式，状态切换时，并网和孤网工作模式可无缝切换。

并网运行工作模式下，电压范围为-10%～15%Un，额定频率为50/60 Hz，交流过载能力为110%（10 min）和120%（1 min），功率因数为-0.99～+0.99，总电流波形畸变率（THD）＜3%，效率≥88%，功率控制精度≤0.5%（储能变流器输出大于其额定功率20%时），充放电转换时间≤5 ms，孤岛检测时间＜5 ms。

孤网运行工作模式下，电压精度为-1%～1%，输出电压失真度＜0.5%，额定输出频率为50/60 Hz，电压过渡变动范围为-5%～5%，频率过渡变动范围为-2%～2%（电阻负载），电压不平衡度＜3%，交流过载能力为110%（10 min）和120%（1 min），效率大于≥88%。

1.2 储能系统整体结构装置组成

单套储能系统装置构成如图1所示，一般由1台中控集装箱和3台分相集装箱组成。中控集装箱的主要设备包括进线柜、电阻柜、启动柜、控制柜、能量管理系统柜、EMS柜、监控系统以及散热风柜系统等。其中，进线柜中装有隔离刀闸、高压断路器、电压互感器以及高压带电显示装置，电阻柜中装有隔离刀闸、高压接触器、预充电限流电阻器以及电流互感器，启动柜中装有连接电抗器、霍尔传感器以及温控仪，控制柜中装有主控制器和人机界面。分相集装箱主要设备包括功率柜、分相控制柜以及电池簇等，其中功率柜中装有功率单元体，分相控制柜中装有分相控制器。

1.3 储能系统介绍

1.3.1 级联式能量转换装置

级联式能量转换装置也被称为链式级联式能量装置，是电力电子技术在电力系统中的典型应用，也是未来解决电能质量问题的重要手段，是储能系统的核心系统。其主回路为电压源型的变流器和并网电抗器，而不再是变流器、电抗器以及升压变压器的组合，此外采用级联直挂式的方式接入高压电网，是电池系统能量转换技术的一大飞跃。基本工作原理如图2所示。

图2 PCS工作原理图

级联式能量转换装置并联在高压母线上，采用级联式的拓扑结构与控制算法，每相由若干个H桥储能变流器单元进行串联移相叠加，再通过电抗直接并联与10 kV电网连接。适当地调节桥式电路交流输出电压的相位和幅值就可以使该电路输出有功和无功电流，从而实现有功功率和无功功率的快速调节。输出电流的表示如下：

式中，US为电网电压；U1为桥式电路输出电压；XL为系统阻抗（主要为电抗器感抗）；I1为输出电流。

功率单元是PC的核心部件，集成了H桥换流电路、直流纹波吸收电路、充电限流电路、信号隔离转换模块、功率单元控制板以及接触器等，负责完成交直流变换和功率传送，每一个功率单元的直流侧与对应电池组相连，交流侧依次串联后形成换流链，同相功率单元输出电压叠加后形成高压接入电网。

高压大容量的电化学储能变流器装置对控制器的要求非常高，为了储能系统控制的准确性，级联式能量转换装置设计了功能强大的主控制系统。以双高速数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）结合双大容量现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）为核心，通过复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）实现开关量管理和全局寻址，大容量的数据存储器件（FLASH、SDRAM以及EEPROM等）支持多种总线协议的通信接口。PCS主控制器通过光纤与功率单元控制板相连，完成链节的控制和信息收集，具备的控制功能包括以下6点。一是储能级联式能量装置能够控制电能的四象限运行，即有功的充放和无功的容感性补偿，二是可离网、并网运行以及离并网模式切换，三是具有对电池单元SOC的相内均衡功能和对电池单元SOC的相间均衡功能，四是能够监控系统的控制指令对电池进行充放电控制，五是能够处理电池管理系统的各种告警信息，以确保电池的安全，六是能够控制充放电过程符合电池的充放电特性。

1.3.2 电池系统

电池系统包括电池柜、电池簇管理系统以及电池阵列管理系统，其中电池柜包含多个电池PACK和高压控制箱，每个PACK由多个电池模块组成，电池模块则是由多单体电芯组成。

单个电芯的技术参数如下，电池类型为磷酸铁锂电池，标称电压为3.2 V，标称容量为50 Ah，额定能量≥128 Wh，最大持续充电电流为120 A（3.0 C）/25±2 ℃，单体电芯，自由状态，最大持续放电电流为200 A（5 C）/-20～55 ℃。

电池PACK内电池模块的数量为3，电池模块为2P6S，电池模块中电芯数量为12，PACK内电芯36个，PACK容量为5.76 kW·h，额定电压为57.6 V。

高压控制箱是电池柜功率器件（继电器、485光纤转换模块、熔断器、开关电源、滤波器以及绝缘监测仪）和单电池簇BMS主控的集合体，主要承担电池组的功率线路控制和保护等作用，是电池完整成组和功能实现必不可少的部分。其工作电压为100～800 V DC，供电模式为外部220 AC供电，电池接入电压为100～800 V，最大过电流为300 A，通信接口为RS485、CAN以及光纤，绝缘检测范围为0～50 MΩ。

电池簇管理系统采用二级架构，包括单体电池采集模块和电池组管理模块。单体电池采集模块主要采集单体电芯电压、温度以及电流等，电池组管理模块主要是实现电池组保护、控制、均衡以及通信管理，保护电池组正常运行。控制柜收集所有电池系统的状态，控制柜与级联式能量装置以及能量管理系统进行通信，以便达到更好的运行表现。

主要技术参数如下，正常工作电流为3.5～10 mA，工作温度为40～85 ℃，可监测电池串数为12～24（单个采集模块），可监测温度点数为0～8（单个采集模块），电压采集精度为±3 mV，单体电压采集范围为0～5 V，单点温度采集范围为40～120 ℃，静态功耗为1～1.5 mA，均衡电流为800 mA。

电池阵列管理系统主要功能是评估电池侧的数据采集、网络监控以及电池运行状况，采集电池管理单元数据，包括实时报警和遥测数据，进行分类整理和运算，然后将数据转发至能量管理系统，并将紧急报警事件转发给级联式能量装置做处理。

1.3.3 能量管理系统

储能能量管理系统根据来自调度或业主云平台的指令及储能系统算法逻辑控制着储能设备的运转，进行储能充放电。其采用模块化和功能集成的设计，分为系统层和设备层两层结构，设备层和系统层之间的通信采用网线或光纤进行，采用星型网络结构，设备层下行设备通过网线与交换机和中央控制器通信，交换机通过网络将非标准化协议设备数据及信息传送给通信服务器与实时服务器。

储能能量管理系统的数据信息通过转发服务器电网调度及业主云平台进行转发及通信，具有下数据采集与处理、监视与报警、监视与报警以及时间同步等功能，确保储能能量管理系统的正常运转与功能实现。

2 结 论

随着时代的发展、社会的进步以及技术的成熟，供配电系统运用储能系统装置将会越来越广泛。但由于储能系统是一种高压设备，设备内部带有危险的高电压，同时一些部件因长时间运行发热而温度升高，直接触摸会灼伤人体，因此当工作人员对设备进行操作、维护和以及现场查看时，需严格遵守安全操作要求，确保安全，杜绝不正确操作。