基于云边协同的电池储能系统安全保障建设——评《电池储能系统集成技术与应用》

李 奇,钟卫连

(怀化职业技术学院,湖南 怀化 418000)

自新能源大规模并网和智能电网建设以来,电池储能系统得到广泛应用。在发电侧、电网侧和负荷侧,电池储能系统都发挥了双向功率控制和能量调控的作用,增强了电力管理的灵活性。随着现代通信技术、大数据和人工智能技术的发展,电池储能系统被赋予了数字化和智能化的特点,促进了与商业模式和市场体系的融合,推动了新能源消纳、电力辅助服务、需求侧响应与综合智慧能源的融合发展。随着电池储能系统容量的扩大和应用场景的不断增加,储能系统集成商的技术水平和能力有待提升。电池储能系统的集成技术关系到设备的优化运行、安全和寿命保障,以实现在多个应用领域的安全、高效和一体化运行。为解决电池储能系统的安全难题,云边协同技术应运而生。该技术通过将电池储能系统的监测数据传输到云端进行分析和处理,并通过边缘计算将实时控制指令传输回边缘设备进行执行,实现对储能系统的实时监测和控制,保障储能系统的安全运行。通过现代化的技术保障储能系统的安全运营,成为储能系统建设需要关注的重要议题。

为系统和全面地阐述电池储能系统硬件集成、软件控制和典型应用,阳光电源股份有限公司余勇博士和浙江大学年珩教授共同主编完成《电池储能系统集成技术与应用》一书,该书包含10个章节。第1章为绪论;第2章为电池储能系统架构与关键设备;第3章为电池储能系统主要应用与解决方案;第4章为电池储能系统电气设计;第5章为电池储能系统结构与安全设计;第6章为电池储能系统本地控制与远程通信;第7章为电池储能系统设备集成安装与检验;第8章为电池储能系统建模与仿真;第9章为先进技术在电池储能系统中的应用展望;第10章为储能集成技术典型应用案例与系统。

1 电池储能系统集成技术面临的问题与任务

电池储能系统集成是指将电能储存技术、控制技术、信息技术、机电一体化技术和网络互联技术等有机地结合起来,形成一个完整的电力储能系统,实现电能的高效储存和调度。储能技术是储能系统集成的核心,如利用锂离子电池、超级电容器等技术实现电能的存储与输出;控制技术是指储能系统需要实现对电量、电压等参数的监控和调节,通过应用先进的控制技术,如智能化控制系统和网络化监控平台,实现储能装置的动态管理;信息技术是指储能系统集成需要对各种设备进行管理和监测,利用物联网、云计算等信息技术,实现远程监测和应用优化,在保证高效运行的同时,降低操作和维护成本;机电一体化技术是指储能系统集成需要实现多个组件和系统的有机结合,要充分考虑机电一体化技术,提高组件的互通性和可扩展性;网络互联技术是指集成多个储能设备的管理和控制,需要实现地域范围的无缝深度互联,实现能源的快速调度,在能源配置等方面发挥更大的作用。储能系统的集成是一项高复杂性的系统工程,需要多个技术领域的深度结合,才能实现电能的高效储存和调度。

电池储能系统集成技术在发展中除了面临以上技术挑战外,还需要考虑储能系统的性能匹配问题、安全问题和经济问题等。安全问题是不容忽视的关键问题,只有做好系统的安全保障建设,才能确保安全使用。

2 电池储能系统架构与关键设备

电池储能系统一般由系统集成商将电池组、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、热管理和其他设备等组合。从表面上看,储能系统集成商只是将上述设备进行了组装和集成,难度似乎并不高。实际上,储能系统集成并非将各部件进行简单的拼凑,电池、PCS、BMS和EMS等4大核心设备集合了电化学、电力电子、信息管理等多个细分领域的交叉学科,整体生产流程需经过从研发设计、设备选型、集成生产,直到最后测试验证,涉及电芯的电化学领域、PCS的电子电力领域和匹配电网的电力领域,这要求集成商满足系统集成涉及的多个领域的专业要求。同时,还要关注安全性、经济性和智能化等3大方面,要具备相关技术能力可以保障安全,有一定的产业规模可以实现经济性,以及持续的服务能力,可以通过智能化来帮助电力市场解决波动性问题。

3 储能系统的设计和运行控制

电池储能系统需要综合考虑多个方面进行全方位设计,以构建高效、高性能、高安全、高经济的储能系统。对于电池储能的运行控制,需要对电池的充放电功率、充放电时间、温度、荷电状态(SOC)等参数进行监控,以达到最佳的储能效果。在电气设计方面,需要电池储能系统与电网实现无缝连接,同时满足国家相关的电气安全标准,以确保电池储能系统具有高可靠性和安全性。结构设计和热设计则需要考虑电池组件的布置、冷却等因素,以确保电池储能系统在各种极端环境下都能够正常工作。此外,在电池储能系统的消防安全设计方面,需要考虑电池的材料特性、泄漏、短路等情况,采用适当的消防安全措施。在通信与控制方面,需要考虑储能系统与其他系统的互联互通,以实现实时监控和运行控制。

在储能安全的问题上,选用优质的电芯只是基础,更大的考验是系统集成能力。当前常见的集装箱式储能系统拥有高达1 500 V的高电压和MW·h规模以上的高能量,零部件数量和连接接口数以万记,任何设计或安装调试差异都可能引发安全问题。系统集成商的经验不足或设计不佳,会导致储能寿命大打折扣,甚至引发安全事故。全球储能安全事故的官方分析报告显示,60%～80%以上的事故是由非专业的系统集成所致。由此可见,储能安全是对系统集成技术的极大考验。

4 云边协同先进技术应用于电池储能系统

传统的储能系统建设主要包含以下几个部分:①BMS,主要功能是管理及维护各个电池单元的充放电,防止电池出现过充或过放,延长电池的使用寿命。BMS单元由采集模组、控制模组和电池管理应用组成。②PCS,主要控制储能系统的充放电过程,进行直交流的转换,并根据功率指令控制变流器对电池进行充放电,实现对电网有功功率及无功功率的调节,是储能系统充放电策略的执行单元。③EMS,全面采集BMS、PCS和其他辅助管理系统的信息,针对电池储能系统,实现调控一体化能量管理,以及储能系统实时监控、诊断预警、全景分析和高级控制等功能,满足储能系统监视全面化、安全分析智能化、全景分析动态化等需求,保证储能系统安全、可靠、稳定运行。④辅助系统,主要包含空调系统和消防系统,用来维护储能系统在相对安全的环境下运行,并在出现火灾时,实现告警和灭火。

传统储能系统一般采用固定的运行策略脱网运行,随着智能微网和虚拟电厂等应用的出现,储能系统需要联网并提供接口供智能调度系统进行调度,这需要引入物联网的技术,实现储能系统的技术升级。电力生产系统联网有严格的安全要求和规范,网络架构需要符合电力生产系统的安全规范,在物联网的基础上必须要增加单向网闸穿透的功能。

此外,原有的EMS系统虽有一定的分析、告警功能,但设计目标侧重系统的监控,系统数据多存储在结构化的数据库中,对大数据的存储和分析支持的能力有限,拓展和整合其他技术的能力较弱。要实现储能系统的模型优化、参数调优、提前预警、可预测维护等功能,需引入大数据、人工智能(AI)、深度学习等技术,完成储能系统物联网化升级。

云边协同先进技术是通过云计算、大数据和网络通信等技术手段来实现云端和边缘设备的协同工作,以提高系统的效率和性能。通过云端的大数据分析和处理,可以对电池储能系统进行实时监测和分析,提高系统的故障检测和预警能力,实现更好的电池管理和维护。边缘设备方面,可以使用传感器等设备对电池储能系统进行实时数据采集和监测,实现边缘设备的智能化和自动化控制,并将数据传输到云端进行处理。此外,云边协同技术还可以实现多个电池储能系统之间的协同工作,实现电池组件的共享和更有效的能量利用,为更广泛的应用场景提供技术支持和基础设施。云边协同的优势在于,既具备云端大数据分析和AI的能力,又满足本地应用对于实时性和可靠性的要求。在储能场景应用中,既要满足本地对于调度控制指令的实时、可靠响应,又要结合云端算力和AI算法分析,优化控制策略,对安全故障进行预警、分析和运维。

针对储能系统物联网化和运维智能化的需求,云边协同可预测维护系统的基础技术架构。通过低代码、低可配置方式,实现储能系统数据接入、边缘计算、数据汇聚、网闸穿透、数据存储和分析,在边缘实现预测性维护算法,云端实现算法、模型和参数的优化,并通过边缘计算提供的流计算框架,更新边缘计算预测模型的参数,实现云边协同的可预测维护系统。

通过云边协同的一体化方案,可实现数据高频率的数万点位采集,为边缘端赋予实时分析和预测储能系统运行状态的能力,使云端具备大数据分析能力。通过定时执行策略,定期调整预测模型的参数,实现储能系统云边协同一体化的可预测运维,助力新能源储能系统的安全和高效运营。

5 结语

电池储能系统集成技术,不仅涵盖系统本身的硬件集成与软件控制,还包括储能系统与应用场景的衔接与协同。除电气、电力电子、电化学、通信控制外,技术人员还应对应用领域相关知识,如电力系统、新能源发电及微电网等,有着较深入的研究与理解。上述学科的融合,将进一步优化电池储能系统容量与功率配置、设计与运行控制,确保良好的经济性和寿命的可预期性。《电池储能系统集成技术与应用》源于作者和所在团队多年的技术研究和积累,内容实用,可读性强,适合从事电池储能系统集成设计的工程师、高等院校从事储能系统研究的教师和学生等进行学习参考。

书名:电池储能系统集成技术与应用

作者:余勇 年珩 主编

ISBN:9787111683353

出版社:机械工业出版社

出版时间:2021-08

定价:¥119.00元