李 奇,鐘衛(wèi)連

(懷化職業(yè)技術學院,湖南 懷化 418000)

自新能源大規(guī)模并網(wǎng)和智能電網(wǎng)建設以來,電池儲能系統(tǒng)得到廣泛應用。在發(fā)電側、電網(wǎng)側和負荷側,電池儲能系統(tǒng)都發(fā)揮了雙向功率控制和能量調控的作用,增強了電力管理的靈活性。隨著現(xiàn)代通信技術、大數(shù)據(jù)和人工智能技術的發(fā)展,電池儲能系統(tǒng)被賦予了數(shù)字化和智能化的特點,促進了與商業(yè)模式和市場體系的融合,推動了新能源消納、電力輔助服務、需求側響應與綜合智慧能源的融合發(fā)展。隨著電池儲能系統(tǒng)容量的擴大和應用場景的不斷增加,儲能系統(tǒng)集成商的技術水平和能力有待提升。電池儲能系統(tǒng)的集成技術關系到設備的優(yōu)化運行、安全和壽命保障,以實現(xiàn)在多個應用領域的安全、高效和一體化運行。為解決電池儲能系統(tǒng)的安全難題,云邊協(xié)同技術應運而生。該技術通過將電池儲能系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行分析和處理,并通過邊緣計算將實時控制指令傳輸回邊緣設備進行執(zhí)行,實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制,保障儲能系統(tǒng)的安全運行。通過現(xiàn)代化的技術保障儲能系統(tǒng)的安全運營,成為儲能系統(tǒng)建設需要關注的重要議題。

為系統(tǒng)和全面地闡述電池儲能系統(tǒng)硬件集成、軟件控制和典型應用,陽光電源股份有限公司余勇博士和浙江大學年珩教授共同主編完成《電池儲能系統(tǒng)集成技術與應用》一書,該書包含10個章節(jié)。第1章為緒論;第2章為電池儲能系統(tǒng)架構與關鍵設備;第3章為電池儲能系統(tǒng)主要應用與解決方案;第4章為電池儲能系統(tǒng)電氣設計;第5章為電池儲能系統(tǒng)結構與安全設計;第6章為電池儲能系統(tǒng)本地控制與遠程通信;第7章為電池儲能系統(tǒng)設備集成安裝與檢驗;第8章為電池儲能系統(tǒng)建模與仿真;第9章為先進技術在電池儲能系統(tǒng)中的應用展望;第10章為儲能集成技術典型應用案例與系統(tǒng)。

1 電池儲能系統(tǒng)集成技術面臨的問題與任務

電池儲能系統(tǒng)集成是指將電能儲存技術、控制技術、信息技術、機電一體化技術和網(wǎng)絡互聯(lián)技術等有機地結合起來,形成一個完整的電力儲能系統(tǒng),實現(xiàn)電能的高效儲存和調度。儲能技術是儲能系統(tǒng)集成的核心,如利用鋰離子電池、超級電容器等技術實現(xiàn)電能的存儲與輸出;控制技術是指儲能系統(tǒng)需要實現(xiàn)對電量、電壓等參數(shù)的監(jiān)控和調節(jié),通過應用先進的控制技術,如智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡化監(jiān)控平臺,實現(xiàn)儲能裝置的動態(tài)管理;信息技術是指儲能系統(tǒng)集成需要對各種設備進行管理和監(jiān)測,利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術,實現(xiàn)遠程監(jiān)測和應用優(yōu)化,在保證高效運行的同時,降低操作和維護成本;機電一體化技術是指儲能系統(tǒng)集成需要實現(xiàn)多個組件和系統(tǒng)的有機結合,要充分考慮機電一體化技術,提高組件的互通性和可擴展性;網(wǎng)絡互聯(lián)技術是指集成多個儲能設備的管理和控制,需要實現(xiàn)地域范圍的無縫深度互聯(lián),實現(xiàn)能源的快速調度,在能源配置等方面發(fā)揮更大的作用。儲能系統(tǒng)的集成是一項高復雜性的系統(tǒng)工程,需要多個技術領域的深度結合,才能實現(xiàn)電能的高效儲存和調度。

電池儲能系統(tǒng)集成技術在發(fā)展中除了面臨以上技術挑戰(zhàn)外,還需要考慮儲能系統(tǒng)的性能匹配問題、安全問題和經(jīng)濟問題等。安全問題是不容忽視的關鍵問題,只有做好系統(tǒng)的安全保障建設,才能確保安全使用。

2 電池儲能系統(tǒng)架構與關鍵設備

電池儲能系統(tǒng)一般由系統(tǒng)集成商將電池組、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、熱管理和其他設備等組合。從表面上看,儲能系統(tǒng)集成商只是將上述設備進行了組裝和集成,難度似乎并不高。實際上,儲能系統(tǒng)集成并非將各部件進行簡單的拼湊,電池、PCS、BMS和EMS等4大核心設備集合了電化學、電力電子、信息管理等多個細分領域的交叉學科,整體生產(chǎn)流程需經(jīng)過從研發(fā)設計、設備選型、集成生產(chǎn),直到最后測試驗證,涉及電芯的電化學領域、PCS的電子電力領域和匹配電網(wǎng)的電力領域,這要求集成商滿足系統(tǒng)集成涉及的多個領域的專業(yè)要求。同時,還要關注安全性、經(jīng)濟性和智能化等3大方面,要具備相關技術能力可以保障安全,有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)?？梢詫崿F(xiàn)經(jīng)濟性,以及持續(xù)的服務能力,可以通過智能化來幫助電力市場解決波動性問題。

3 儲能系統(tǒng)的設計和運行控制

電池儲能系統(tǒng)需要綜合考慮多個方面進行全方位設計,以構建高效、高性能、高安全、高經(jīng)濟的儲能系統(tǒng)。對于電池儲能的運行控制,需要對電池的充放電功率、充放電時間、溫度、荷電狀態(tài)(SOC)等參數(shù)進行監(jiān)控,以達到最佳的儲能效果。在電氣設計方面,需要電池儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)實現(xiàn)無縫連接,同時滿足國家相關的電氣安全標準,以確保電池儲能系統(tǒng)具有高可靠性和安全性。結構設計和熱設計則需要考慮電池組件的布置、冷卻等因素,以確保電池儲能系統(tǒng)在各種極端環(huán)境下都能夠正常工作。此外,在電池儲能系統(tǒng)的消防安全設計方面,需要考慮電池的材料特性、泄漏、短路等情況,采用適當?shù)南腊踩胧Ｔ谕ㄐ排c控制方面,需要考慮儲能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通,以實現(xiàn)實時監(jiān)控和運行控制。

在儲能安全的問題上,選用優(yōu)質的電芯只是基礎,更大的考驗是系統(tǒng)集成能力。當前常見的集裝箱式儲能系統(tǒng)擁有高達1 500 V的高電壓和MW·h規(guī)模以上的高能量,零部件數(shù)量和連接接口數(shù)以萬記,任何設計或安裝調試差異都可能引發(fā)安全問題。系統(tǒng)集成商的經(jīng)驗不足或設計不佳,會導致儲能壽命大打折扣,甚至引發(fā)安全事故。全球儲能安全事故的官方分析報告顯示,60%～80%以上的事故是由非專業(yè)的系統(tǒng)集成所致。由此可見,儲能安全是對系統(tǒng)集成技術的極大考驗。

4 云邊協(xié)同先進技術應用于電池儲能系統(tǒng)

傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)建設主要包含以下幾個部分:①BMS,主要功能是管理及維護各個電池單元的充放電,防止電池出現(xiàn)過充或過放,延長電池的使用壽命。BMS單元由采集模組、控制模組和電池管理應用組成。②PCS,主要控制儲能系統(tǒng)的充放電過程,進行直交流的轉換,并根據(jù)功率指令控制變流器對電池進行充放電,實現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率及無功功率的調節(jié),是儲能系統(tǒng)充放電策略的執(zhí)行單元。③EMS,全面采集BMS、PCS和其他輔助管理系統(tǒng)的信息,針對電池儲能系統(tǒng),實現(xiàn)調控一體化能量管理,以及儲能系統(tǒng)實時監(jiān)控、診斷預警、全景分析和高級控制等功能,滿足儲能系統(tǒng)監(jiān)視全面化、安全分析智能化、全景分析動態(tài)化等需求,保證儲能系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行。④輔助系統(tǒng),主要包含空調系統(tǒng)和消防系統(tǒng),用來維護儲能系統(tǒng)在相對安全的環(huán)境下運行,并在出現(xiàn)火災時,實現(xiàn)告警和滅火。

傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)一般采用固定的運行策略脫網(wǎng)運行,隨著智能微網(wǎng)和虛擬電廠等應用的出現(xiàn),儲能系統(tǒng)需要聯(lián)網(wǎng)并提供接口供智能調度系統(tǒng)進行調度,這需要引入物聯(lián)網(wǎng)的技術,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的技術升級。電力生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)有嚴格的安全要求和規(guī)范,網(wǎng)絡架構需要符合電力生產(chǎn)系統(tǒng)的安全規(guī)范,在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上必須要增加單向網(wǎng)閘穿透的功能。

此外,原有的EMS系統(tǒng)雖有一定的分析、告警功能,但設計目標側重系統(tǒng)的監(jiān)控,系統(tǒng)數(shù)據(jù)多存儲在結構化的數(shù)據(jù)庫中,對大數(shù)據(jù)的存儲和分析支持的能力有限,拓展和整合其他技術的能力較弱。要實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的模型優(yōu)化、參數(shù)調優(yōu)、提前預警、可預測維護等功能,需引入大數(shù)據(jù)、人工智能(AI)、深度學習等技術,完成儲能系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)化升級。

云邊協(xié)同先進技術是通過云計算、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡通信等技術手段來實現(xiàn)云端和邊緣設備的協(xié)同工作,以提高系統(tǒng)的效率和性能。通過云端的大數(shù)據(jù)分析和處理,可以對電池儲能系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和分析,提高系統(tǒng)的故障檢測和預警能力,實現(xiàn)更好的電池管理和維護。邊緣設備方面,可以使用傳感器等設備對電池儲能系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測,實現(xiàn)邊緣設備的智能化和自動化控制,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行處理。此外,云邊協(xié)同技術還可以實現(xiàn)多個電池儲能系統(tǒng)之間的協(xié)同工作,實現(xiàn)電池組件的共享和更有效的能量利用,為更廣泛的應用場景提供技術支持和基礎設施。云邊協(xié)同的優(yōu)勢在于,既具備云端大數(shù)據(jù)分析和AI的能力,又滿足本地應用對于實時性和可靠性的要求。在儲能場景應用中,既要滿足本地對于調度控制指令的實時、可靠響應,又要結合云端算力和AI算法分析,優(yōu)化控制策略,對安全故障進行預警、分析和運維。

針對儲能系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)化和運維智能化的需求,云邊協(xié)同可預測維護系統(tǒng)的基礎技術架構。通過低代碼、低可配置方式,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入、邊緣計算、數(shù)據(jù)匯聚、網(wǎng)閘穿透、數(shù)據(jù)存儲和分析,在邊緣實現(xiàn)預測性維護算法,云端實現(xiàn)算法、模型和參數(shù)的優(yōu)化,并通過邊緣計算提供的流計算框架,更新邊緣計算預測模型的參數(shù),實現(xiàn)云邊協(xié)同的可預測維護系統(tǒng)。

通過云邊協(xié)同的一體化方案,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高頻率的數(shù)萬點位采集,為邊緣端賦予實時分析和預測儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)的能力,使云端具備大數(shù)據(jù)分析能力。通過定時執(zhí)行策略,定期調整預測模型的參數(shù),實現(xiàn)儲能系統(tǒng)云邊協(xié)同一體化的可預測運維,助力新能源儲能系統(tǒng)的安全和高效運營。

5 結語

電池儲能系統(tǒng)集成技術,不僅涵蓋系統(tǒng)本身的硬件集成與軟件控制,還包括儲能系統(tǒng)與應用場景的銜接與協(xié)同。除電氣、電力電子、電化學、通信控制外,技術人員還應對應用領域相關知識,如電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電及微電網(wǎng)等,有著較深入的研究與理解。上述學科的融合,將進一步優(yōu)化電池儲能系統(tǒng)容量與功率配置、設計與運行控制,確保良好的經(jīng)濟性和壽命的可預期性?！峨姵貎δ芟到y(tǒng)集成技術與應用》源于作者和所在團隊多年的技術研究和積累,內(nèi)容實用,可讀性強,適合從事電池儲能系統(tǒng)集成設計的工程師、高等院校從事儲能系統(tǒng)研究的教師和學生等進行學習參考。

書名:電池儲能系統(tǒng)集成技術與應用

作者:余勇 年珩 主編

ISBN:9787111683353

出版社:機械工業(yè)出版社

出版時間:2021-08

定價:￥119.00元