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电池储能系统的组成及其典型结构

2015-09-11 14:44      点击:




  (1)电池储能系统的组成

BESS 主要由电池系统(Battery System, BS)、功率转换系统(Power ConversionSystem, PCS)、电池管理系统(Battery Management System, BMS)、监控系统等 4部分组成;同时,在实际应用中,为便于设计、管理及控制通常将电池系统、PCS、BMS 重新组合成模块化 BESS,而监控系统主要用于监测、管理与控制一个或多个模块化 BESS。图 1-2 为 BESS 的系统结构示意图。

电池储能系统结构示意图

1)电池系统

电池系统是 BESS 实现电能存储和释放主要载体,其容量的大小及运行状态直接关系着 BESS 的能量转换能力及其安全可靠性。通过电池单体的串/并联可实现电池系统容量的扩大,即大容量电池系统(Large Capacity Battery System, LCBS)。因受电池单体端电压低、比能量及比功率有限、充放电倍率不高等因素的制约,LCBS一般由成千上万个电池单体经串并联后而组成。由电池单体经串/并联成 LCBS 的方式较多,在实际开发与应用中一种常用成组方式:先由多个电池单体经串/并联后形成电池模块(Battery Module,BM),再将多个电池模块串联成电池串,最后由多个电池串经并联而成 LCBS。图 1-3 为一种常用 LCBS 成组方式示意图,电池系统由m 个电池串并联而成,每个电池串由 n 个电池单体或模块串联而成。此外,在电池系统成组过程中常用成组设计原则是:电池模块中电池单体的串/并联个数以便于管理和更换为前提,同时兼顾电池管理系统中对应设备接口数目进行成组;电池串中电池模块的串联个数以电池串的端电压设计要求而定;LCBS 中电池串的并联个数由 BESS 的容量设计要求、冗余度及运行模式等因素而定。

大容量电池储能系统成组方式示意图

2)功率转换系统

PCS 是一种由电力电子变换器件构成的装置,它连接着电池系统和交流电网,是 BESS 与外界进行能量交换的关键组成部分。PCS 作为 BESS 的核心部分,其主要功能包括:一是两种不同工作模式下(并网模式、孤网模式)对电池系统的充放电功能,并实现两种工作模式的切换;二是通过控制策略实现 BESS 的四象限运行,为系统提供双向可控的有功、无功功率,实现系统有功、无功功率平衡;三是通过相关控制策略实现系统高级应用功能,如黑启动、削峰填谷、功率平滑、低电压穿越等;四是根据 PCS 拓扑结构(如单级 AC/DC、双级 AC/DC+DC/DC、单级并联、双级并联、级联多电平结构等),通过相关控制策略实现对电池系统电压和荷电状态的均衡管理等。总之,PCS 作为 BESS 中最重要的组成部分,其控制策略及实验平台的实现是本文重点研究内容之一。

3)电池管理系统

BMS 是一种由电子电路设备构成的实时监测系统,能有效地监测电池系统的各种状态(电压、电流、温度、荷电状态、健康状态等)、对电池系统充电与放电过程进行安全管理(如防止过充、过放管理)、对电池系统可能出现的故障进行报警和应急保护处理以及对电池系统的运行进行优化控制,并保证电池系统安全、可靠、稳定的运行。BMS 系统是 BESS 中不可缺少的重要组成部分,是 BESS 有效、可靠运行的保证。电池系统及其各级组成部分的荷电状态(State of Charge, SOC)是实现整个电池系统是否能安全、可靠运行以及对其进行准确管理与控制的关键指标,因此,准确估计出电池系统及其各级组成部分的 SOC 是 BMS 最重要的功能之一,也是本文重点研究内容之一。

(2)BESS 的典型结构

目前 BESS 的研究与开发还处于初级阶段,并未存在完全统一、成熟的系统结构形式,但其系统结构形式与容量扩大方式有关。当前 BESS 容量扩大主要有两种方式:第一种方式是从扩大单个 PCS 容量角度出发,通过采用高压、大电流变换器或级联多电平技术实现 BESS 的扩容;第二种方式是从系统角度出发,采用多个模块化 BESS 并联运行来实现 BESS 的扩容。虽然第一种方式的系统结构简单且较适合高压大容量系统,具有一定发展潜力,但因受电力电子器件发展水平、投资成本及控制技术等因素制约,在目前实际应用中的大规模 BESS 较少采用第一种方式。对于第二种方式,从目前 BESS 在电力系统中的工程应用情况来看,根据

电池储能系统典型结构

BESS 的接入方式、功率等级及放电持续时间等方面来分,其典型结构主要有:低压小容量 BESS、中压大容量 BESS、高压超大容量 BESS,图 1-4 为 3 种 BESS 典型结构图。图 1-4(a)为低压小容量 BESS,系统由一个模块化 BESS 构成,一般直接接入 400V 交流电网中,额定功率通常在 500kW 及其以下,可放电持续时间为1~4h,可用于微网主电源、小区或楼宇储能、小型可再生能源并网等场合;图 1-4(b)为中压大容量 BESS,它是将多个模块化 BESS 并联后再经升压设备接入 10kV或 35kV 电网,通常其额定功率在 10MW 及其以下,可放电持续时间为 1~4h,可用于电能质量治理、削峰填谷、备用电源及可再生能源并网等场合;图 1-4(c)为高压超大容量 BESS,它是将多个模块化 BESS 并联后经低压升压设备组成中压大容量 BESS,再将多个中压大容量 BESS 并联后经高压升压设备接入 35kV 或 110kV电网,通常其额定功率在 10MW 以上,可放电持续时间为 15min~6h,适用于削峰填谷、电网调峰调频、备用电源及可再生能源并网等场合。

从以上几种 BESS 典型结构的对比分析可以看出,BESS 的扩容其本质是将多个模块化 BESS 并联运行,具有易线性扩展、可即插即用、可维护性强等优点;同时,可根据设计要求而灵活选择各模块化 BESS 间的安装距离,即可方便地实现大规模分布式储能系统(Distributed Battery Energy Storage System, D-BESS),提高了系统可靠性。因此,模块化BESS并联运行将是实现大容量BESS有效方式之一。