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1、黄丁顺/讲师关键词/Keywords电池储能系统模块化系统建模特性分析电气技术|Electric Technology42电力电气2014 年第 33 卷第 13 期电池储能系统的动态模型及其控制 特性分析随着智能电网的发展，具有波动性、间歇性的可再生能源发电大规模接入电网，影响电网运行的稳定性，需要借助储能技术以提高电网接纳能力。传统扩容方式受限于输电走廊布局等资源限制与负荷需求不断增长之间的矛盾，引入储能技术不仅可以有效地缓解这一矛盾，还能够延缓设备的更新投资，提高网络资源和设施利用率。与此同时，储能技术的引入将提高用户分布式能源接入的能力和应对灾变的能力，可以更好地保证供电可靠性，改善电
2、能质量，并起到削峰填谷的作用。首先介绍了电池储能系统的组成及其典型结构，分析了电池储能系统动态模型并阐述了其工作原理，搭建了电池储能系统的动态仿真模型，并对所提出的电池储能系统动态模型进行了电磁暂态仿真分析与研究。黄丁顺/北京理工大学汪亚明/浙江理工大学信息电子学院屠荣平/国网宁波市鄞州区供电公司电 池 储 能 系 统 ( Battery EnergyStorage System，BESS)主要由电池系统 ( Battery System，BS) 、功率转换系统 ( Power Conversion System，PCS) 、电 池 管 理 系 统 ( Battery ManagementSy
3、stem，BMS)和监控系统等 4 部分组成。在实际应用中，为便于设计、管理及控制通常将电池系统、功率转换系统和电池管理系统重新组合成模块化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。电池储能系统结构如图 1 所示。( 1)电池系统电池系统是电池储能系统实现电能存储和释放的主要载体，其容量的大小及运行状态直接关系着电池储能系统的能量转换能力及其安全可靠性。因受电池单体端电压低，比容量和比功率有限，以及充放电倍率不高等因素的制图 1BESS 结构示意图约，常通过电池单体的串/并联实现电池系统容量的扩大，即大容量电池系统( Large Capacity Battery
4、System，LCBS) ，LCBS 一般由成千上万个电池单体经串并联后而组成。图 2 为一种常用的 LCBS 成组方式，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的成组设计原则是: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电池储能系统的容量设计要求、冗余度及运行模式等因素而定。图 2LCBS 成组方式示意图( 2)功率转换系统功率转换系统是一种由电力电子变换电池储能系统的动态模型及
5、其控制特性分析Electric Technology|电气技术www. eage. com. cn2014 年 7 月上电力电气43器件构成的装置，它连接着电池系统和交流电网，是电池储能系统与外界进行能量交换的关键组成部分。功率转换系统作为电池储能系统的核心部分，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电池储能系统的四象限运行，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、功率平滑和低电压穿越等;四是根据 PCS 拓扑结构
6、( 如单级 AC/DC、双 级 AC/DC + DC/DC1 、单 级 并联2 、双级并联和级联多电平结构3 等) ，通过相关控制策略实现对电池系统状态的均衡管理。( 3)电池管理系统电池管理系统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、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、可靠和稳定的运行。电池管理系统是电池储能系统有效、可靠运行的保证。电池储能系统典型结构目前，电池储能系统的研究与开发还处于初级阶段，尚未形成完全统一、成熟的系统结构形
7、式，但其系统结构形式与容量扩大方式有关。当前电池储能系统容量扩大主要有两种方式:一是从扩大单个 PCS 容量的角度出发，通过采用高压、大电流变换器或级联多电平技术实现电池储能系统的扩容3 ;二是从系统角度出发，采用多个模块化电池储能系统并联运行来实现电池储能系统的扩容。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电池储能系统较少采用第一种方式。对于第二种方式，从目前电池储能系统在电力系统中的工程应用情况来看，根据电池储能系统的接入方式、功率等级及放电持续时间等方面来分，其典型结构主要有:
8、低压小容量电池储能系统、中压大容量电池储能系统和高压超大容量电池储能系统，图 3 为3 种电池储能系统典型结构图。图 3电池储能系统典型结构 图 3a 为低压小容量电池储能系统，系统由一个模块化电池储能系统构成，一般直接接入400 V交流电网中，额定功率通常在 500 kW 及其以下，可放电持续时间为 1 4 h，可用于微电网主电源、小区或楼宇储能、小型可再生能源并网等场合;图 3b 为中压大容量电池储能系统，它是将多个模块化电池储能系统并联后再经升压设备接入10 kV或 35 kV 电网，通常其额定功率在10 MW及其以下，可放电持续时间为 1 4 h，可用于电能质量治理、削峰填谷、备用电源
9、及可再生能源并网等场合;图 3c 为高压超大容量电池储能系统，它是将多个模块化电池储能系统并联后经低压升压设备组成中压大容量电池储能系统，再将多个中压大容量电池储能系统并联后经高压升压设备接入电气技术|Electric Technology44电力电气2014 年第 33 卷第 13 期35 kV 或 110 kV 电网，通常其额定功率在10 MW以上，可放电持续时间为 15 min 6 h，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。从以上几种电池储能系统典型结构的对比分析可以看出，电池储能系统的扩容其本质是将多个模块化电池储能系统并联运行，具有易线性扩展、可即插即用和可维
10、护性强等优点4- 6 ;同时，可根据设计要求而灵活选择各模块化电池储能系统间的安装距离，即可方便地实现大规模分布式储能系统 ( Distributed Battery EnergyStorage System，D- BESS) ，提高了系统可靠性。因此，模块化电池储能系统并联运行将是实现大容量电池储能系统有效方式之一。电池储能系统的动态模型结构及其工作原理图 4 为电池储能系统的动态模型结构示意图。系统主要由多个并联的模块化 BESS 子系统、监控系统构成;每个模块化 BESS 子系统又由一个电池系统及其电池管理系统、一个功率转换系统( PCS)组成;每个 PCS 主要由三相桥式电压源变换器
11、( Voltage Source Converter，VSC)及其本地控制器构成，电池系统接入 PCS 中 VSC 的直流母线端。此外，为进行电池储能系统的充、放电等基本工作特性仿真，在电池储能系统的交流侧接上负载及其他电源 ( 风电) ，负载主要是电阻及电动机负载。图 4电池储能系统的动态模型结构从图中可以看出，首先由并联运行的模块化BESS 子系统共同建立空载时的公共母线电压幅值( up)和频率 ( fp) ;当电阻负载或大电动机投入时，各模块化 BESS 子系统的本地控制器根据BMS 提供的电池系统 SOCb值来判断各自电池系统 是 否 有 电，若 其 SOCb值 大 于 某 一 阈 值
12、( SOCbmin) ，即表明电池系统有电，则电池储能系统开始放电;当风电投入时，各模块化 BESS 子系统的本地控制器根据 BMS 提供的电池系统SOCb值来判断各自电池系统是否充满，若其SOCb值小于某一阈值 ( SOCbmax) ，即表明电池系统未充满，则电池储能系统开始充电;BMS 实时监测电池系统的运行状态信息 ( 如电池系统的端电压 Ub、电池系统的电流 Ib等) 、进行电池系统SOCb估计，并向监控系统和 PCS 中的本地控制器反馈其相关信息，而监控系统主要用于监测各模块化 BESS 子系统及其主要组成部分的运行状态( 如 SOCb1 SOCbn、Ub1 Ubn和 Ib1 Ibn
13、等) 、控制其运行状态转换和对电池储能系统进行保护等功能。为便于分析与研究，当电池储能系统放电时，假设各模块化 BESS 子系统的电池系统容量足够大，能满足负载功率需求且电池系统未达到其放电截止电压;当电池储能系统充电时，假设各模块化 BESS 子系统的电池系统并未完全充满，能吸收全部电源且电池系统未到达充电截止电压。下面主要从系统的角度来分析与研究功率转换系统及电池系统的动态模型及其控制特性。功率转换系统与电池系统建模1. 功率转换系统模型图 5 为功率转换系统的结构示意图。在每个模块化 BESS 子系统中，PCS 主电路是以 IGBT 为主要开关元件的传统三相桥式 VSC，脉宽调制( Pu
14、lse Width Modulation，PWM)的 VSC 直流侧连接电池系统，交流侧连接电抗器 Xs。图中，ua、ub和 uc分别指公共母线电压 up的三相对称相电压;upwma、upwmb和 upwmc分别指 VSC 交流侧三相对称电压;Sa、Sb和 Sc分别指上桥臂开关状态;Sa、Sb和 Sc分别指下桥臂开关状态 ;“1”和“ 0”分别代表桥臂上管的导通和关断。电池储能系统的动态模型及其控制特性分析Electric Technology|电气技术www. eage. com. cn2014 年 7 月上电力电气45图 5功率转换系统结构2. 电池系统模型考虑到实际应用中电池单体常被封装
15、在电池模块中、电池系统往往由电池模块经简单的串/并联而成以便于电池管理与控制，本文采用的电池系统模型，其基本思想为:以电池模块的容量及电压等级来确定电池单体串、并联的个数，再根据电池单体模型及已确定的串、并联方式，并结合由串/并联型电池系统等效电路模型来构建电池模块等效电路模型;以电池系统的容量及电压等级来确定电池串中电池模块串、并联的个数，再利用电池模块等效电路模型及已确定的串、并联方式来构建电池系统等效电路模型，进而得到电池系统模型。图 6 为电池系统等效模型构建示意图。图 6电池系统等效电路模型构建示意图电池储能系统的仿真结果分析为进一步分析电池储能系统的动态模型及其充、放电等基本工作特
16、性，在 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真环境下搭建了由两个等容量模块化BESS 子 系 统 构 成 的 100 A h 128 V 2( 25. 6 kWh)电池储能系统仿真平台，其中BESS1与 BESS2各自的电池系统由 2 4 ( 2 并 4串)个电池模块构成，每个电池模块又由 2 12个电池单体构成。同时，为进行充、放电等基本工作特性的仿真试验，在电池储能系统交流侧连接风电及纯电阻负载。图 7 为电池储能系统的仿真模型结构，具体系统仿真参数如下表所示。图 7电池储能系统的仿真模型结构图表电池储能系统动态模型仿真参数参数名称数值参数数值系统参考频率/Hz50系统参考电压/kV6. 3PCS 容量/MVA1DFIG 发出功率/kW300T1、T2容量/MVA1电阻负载/kW250电池单体容量/Ah25电池单体工作电压/V3. 2电池模块容量/Ah50电池模块工作电压/V38. 4单个电池系统容量/Ah100电池系统工作电压/V1281. 放电工作特性仿真分析放电工作特性仿真主要用来分析电池
