开放式储能控制系统平台

一、储能系统的意义

 

随着全球能源供应的紧张和全球气候的变化以及环境的污染，越来越多的国家认识到新能源的重要性，都在大力发展新能源发电，尤其是风力发电、光伏发电等。由于太阳能发电和风力发电等清洁能源发电由于其在开发利用中对环境污染小和取之不竭的优势，受到了极大的关注。但是，可再生能源发电的功率输出具有波动性和随机性的特点，风能和太阳能受天气条件和地理环境影响比较大，因此风电大规模并网也带来不少缺陷。大规模的分布式发电并网，其过来输出功率的波动性严重威胁到了电力系统的稳定性和安全性。

 

储能系统应运而生，它可以做到削峰填谷，即储能系统在负荷低谷时吸收系统中多余的电能进行储存，在高峰负荷时把存储的电能释放供给系统负荷，有效的消除了昼夜间的峰谷差值，一方面保证了供电的可靠性和运行的稳定性，保证了良好的电压质量，另外也解决了因高峰负荷需要的输电线路投资大的问题。

 

目前，对于风力发电和太阳能发电等分布式发电接入网络系统的储能系统，国内外对此已经有了广泛的研究与应用，采用机械储能、超级电容器储能、蓄电池储能等储能技术来控制分布式发电并网稳定性、电力系统电压质量以到达电力系统安全稳定经济运行的目的。

 

二、系统总体方案阐述

 

研旭复合储能半实物仿真系统既适用于基础的本科教学、实训实验（参见下文二、教学基础实验），又适合于科研进阶研究，提供相关科研算例数据（参见下文三、科研进阶成果）。

 

储能系统平台主要包括以下部分：

a)储能DC-AC双向变流器（PCS）

b)双向DC-DC变流器

c)磷酸铁锂电池组

d)超级电容组                                 

e)电池/超容管理系统（BMS）

f)超级电容管理系统（CMS）

g)快速原型控制器YXSPACE

h)可编程负载（选配）

 

 

2.1 储能DC-AC双向变流器（PCS）

   

储能逆变器是整个微电网系统的核心设备，是应用在储能环节，以双向逆变为基本特点，具有一系列特殊性能、功能的并网逆变器。能有效调控电力资源，能很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，调剂余缺，保障电网安全。是可再生能源应用的重要前提和实现电网互动化管理的有效手段。

 

 

PCS特点：

1 正常运行状态下的功率跟踪

实现微电网正常运行状态下的功率跟踪， 实现电池的充放电管理及指定的微电网与主网的功率交换。

2 孤岛运行方式下的标准源

微电网由并网转为孤岛运行方式下，支撑系统能够提供参考电压和频率，实现各电源间的功率平衡分配，保证孤岛系统的稳定运行，提供抗短时冲击能力，平滑供电，储能，消峰填谷。支持不间断并网到孤网模式转换。

3同期并网

微电网由孤网转为并网时，支撑单元能够跟踪主网电压与频率，带动微电网系统无缝并入主电网

4 可根据当地负载对逆变器进行相应的时隙控制，直流软起功能，保证储能装置的稳定运行，恒功率放电和恒流、恒压充电策略。

5 可以工作在并网逆变运行模式，亦可工作在储能充电工作模式，能够根据微电网控制系统的指令输出有功和无功功率；

6 当公共电网恢复正常时且接到孤网转并网指令后，自身完成由孤网运行模式向并网运行模式的转换，转换过程造成的脱网时间≤20ms；当公共电网掉电或者异常时，自动切换至孤网运行模式，完成由并网运行模式向孤网运行模式的转换，该模式转换时间≤20ms；

 

2.2 磷酸铁锂电池模组

 

 

磷酸铁锂电池由128组3.2v50AH锂电池模块组成，一共分为1组，由128个电池串联。共20KWh，直流电压400V。

 

 

（2）电池BMS管理系统

 

电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态，同时将电池组的各种检测数据传输给PCS，供PCS策略调度时参考。

 

（3）技术参数/指标

 

1）检测母线电压、母线电流，电池组电量等基本信息

2）模拟量测量功能：实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压等参数，并计算给出蓄电池模块的SOC值；

3）均衡功能：保证储能电池的一致性，BMS具有电池模块内部单节电池间的均衡

4）电池系统运行报警功能；在电池系统运行出现过压、欠压、过流、通信异常、异常等状态时，可上报告警信息

5）电池系统保护功能：在电池系统运行时，如果电池的电压，电流，出现超过安全保护门限的紧急情况时，可切断故障，保护电池。

6）与PCS通讯交互，通讯方式为RS485。

7）实时电压显示，配有7寸工控触摸屏，可以实时显示每块电池的电压，温度采集等参数。

8）蓄电池组的电气保护：过压保护、低压保护、过流保护、高温保护；

 

2.3 超级电容模组

 

超级电容组是由6组48V，165F电容模块组成，6串1并。孤岛运行时，可为系统提供瞬间功率支撑；容量10kW.60s，额定输出直流电压280V，电流50A。

 

（2）48V 165F模组参数

 

 

2.4 双向DC-DC变流器

 

双向DC-DC变流器，是将磷酸铁锂电池组和超级电容组的直流电进行升/降压，使其接入到400V-800V直流母线上，可实现能量的双向流动，完成储能系统的充放电，同时可接受中央控制器的调度和监测。

 

 

（1）设备特点

 

1）全数字化，各种参数及信号全部数字化处理运行。性能和可控性均远优于普通的模拟变换器。

2）能工作于恒流、恒压、MPPT 和压控电流源等多种工作模式，并可在线快速频繁地切换工作模式。

3）模块带有液晶屏显示，可实时显示各种参数。

4）带 RS485 串口通信功能，遵循 MODBUS-RTU 协议，方便终端远程监控其工作状态和参数。

5）各种异常情况保护功能：带有过压，过流，过热，短路保护功能，故障撤销后自动恢复工作。

 

2 教学基础实验——储能系统实验列表：

 

1）储能系统整体原理认知实验（基础）

2）BMS电池管理系统操作实验（基础）

3）双向DC/DC恒压放电控制实验（研究） 

4）双向DC/DC恒压充电控制实验（研究）

5）双向DC/DC恒流放电控制实验（研究）

6）双向DC/DC恒流充电控制实验（研究）

7）双向DC/DC能量自动双向流动实验（创新）

8）双向DC/AC恒流放电控制实验（研究） 

9）双向DC/AC恒流充电控制实验（研究）

10）双向DC/AC恒功率放电控制实验（研究）

11）双向DC/AC恒功率充电控制实验（研究）

12）双向DC/AC能量自动双向流动实验（创新）

13）控制采集板、驱动功率板等板卡硬件原理（开源）

14）DSP的入门、使用和烧写实验（开源）

15）CCS软件使用（开源）

16）软件开发流程讲解（开源）

 

三、科研进阶成果——复合储能功率分配策略案例

 

1）实验目的

 

验证复合储能对系统中脉冲负载冲击的补偿作用。

 

2）系统结构

 

试验系统由模拟柴发、PCS、可变电阻负载及锂电池同超级电容器组成的复合储能等构成，其结构如图1所示。

 

图1 试验系统结构图

 

其中，模拟柴油发电机以电压源模式运行稳定交流电压或者直接采用电网，PCS双向变流器整流模式运行，复合储能装置DC/DC变流器采用下垂控制或者恒功率模式运行。

 

3）试验工况

 

工况一：采用下垂控制对功率波动在复合储能之间进行分配（主要验证本地控制）

 

模拟柴发（或电网）及复合储能装置带10kW电阻负载运行，并通过在运行过程中设置可变电阻负载功率由10kW突变至20kw(模拟脉冲负载)，持续时间为5s，然后恢复至10kW。其中，锂电池和超级电容器均采用下垂控制（下垂系数通过RCP可调），观察在该过程中复合储能在负载变化时的响应曲线（主要观察锂电池和超级电容器的输出电流变化曲线和母线电压变化曲线）。

 

恒压模式下负载变化时母线电压变化曲线

 

下垂模式下负载变化时母线电压变化曲线

 

工况二：采用低通滤波器对复合储能功率指令进行分配（主要验证不同设备之间的通信）

 

模拟柴发（或电网）及复合储能装置带10kW电阻负载运行，并通过在运行过程中设置可变电阻负载功率由10kW突变至20kw(模拟脉冲负载)，持续时间为5s，然后恢复至10kW。其中，锂电池和超级电容器均采用功率控制（负载变化时功率控制指令可以由同一台RCP采用低通滤波法分别给出至锂电池和超级电容器），观察该过程中复合储能在负载变化时的响应曲线（主要观察锂电池和超级电容器的输出电流变化曲线和母线电压变化曲线）。

 

负载变化时锂电池输出电流变化曲线

 

负载变化时超级电容输出电流变化曲线

 

 

四、快速原型控制器介绍

 

研旭公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示：

 

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，再结合TI公司的CCS编译工具产生可执行文件，下载至YXSPACE控制器中运行。

 

实物图片：

 

 

YXSPACE独特优点：

 

（1）采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU，其仿真结果针对实际研究更具有参考性；

（2）在Matlab中设计的控制算法自动生成代码，自动加载到实时目标机中运行，避免了繁琐的编程和Debug工作

（3）使用门槛低，会Matlab仿真即可完成实验测试工作，所有测试工作只需一人即可完成

（4）模型与硬件接口链接简单，只需记住端口编号即可，更不用配置硬件各类细节，免去一切不必要的麻烦；

（5）性价比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。

（6）具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库，将模型中的数据直接与硬件对接，无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件，可适用于各种工程调试需求。

（7）模型转换文件的透明化，用户可直接查看模型转换后的源码。