储能系统的组成及关键技术

　　储能系统的组成

　　储能系统是指将能量存储在设备或装置中，在需要能量时释放能量，以供应用。目前主要的储能技术包括电池储能、超级电容器储能、压缩空气储能、水泵蓄能、飞轮储能等。不同类型的储能技术，其组成和原理也不尽相同。以下是电池储能系统的主要组成部分：

　　1.电池组：电池储能系统的核心部件。通常包括多个单体电池，电池组中的电池会共同输出电能。

　　2.电池管理系统（BMS）：用于监测、保护和控制电池组，确保电池组的安全运行，并实现充放电控制及故障保护等功能。

　　3.电力逆变器（Inverter）：主要是将电池组储存的直流电转换为交流电，以满足各种用电设备的需求。

　　4.电力转换器（Converter）：用于将交流电转换为直流电供电给电池组进行充电。

　　5.热管理系统：负责控制电池组内部的温度，保证其在正常工作范围之内。

　　以上是电池储能系统的主要组成部分，不同的储能技术在组成和原理方面可能有所不同，但整体而言，其主要都包括电能储存设备、电能转换设备及系统控制管理设备等组成部分，并通过相互之间的配合协调来实现对能量的储存和利用。

　　储能系统的关键技术

　　储能系统的技术主要包含对储能变流器的控制、对储能电池的管理，以及监控与调度管理单元对系统能量合理调度。

　　1.变流器控制策略

　　储能变流器又叫功率变换系统（PCS），是储能单元中功率调节的执行设备，在监控与调度系统的调配下，实施有效和安全的储电和放电管理。目前常用的变流器控制策略有PQ控制、VF控制、下垂控制、虚拟同步机控制四种方式。

　　（1） PQ控制

　　PQ控制是指恒定有功无功控制，控制储能变流器输出的有功功率和无功功率等于其参考功率。PQ控制是新能源并网最常用的控制方式，只有在储能系统并网模式下才可能运用，其控制原理图如图2-1所示。

　　

 

 

　　（a） 恒定有功控制 （b） 恒定无功控制

　　图2-1 PQ控制示意图

　　图2-1表明，在频率、电压变化范围（fmin《f《fmax，Umin《U《Umax）PQ控制可以稳定有功、无功输出。

　　（2） VF控制

　　VF控制是指储能变流器维持输出电压和频率不变；而输出的有功功率和无功功率由负荷决定，其控制原理如图2-1所示。不论输出的有功功率和无功功率如何变化，VF控制的储能变流器自动调整运行曲线，满足负荷随机变化，保持电压频率恒定，因此，其外特性为电压源。

　　

 

 

　　（a） 恒定频率控制 （b） 恒定电压控制

　　图2-2 VF控制示意图

　　VF控制常用于微网的孤岛模式，支持电网的电压和频率，相当于电力系统的平衡节

　　（3）下垂控制

　　下垂控制是一种无互联线逆变器并联均流的控制方法，下垂控制变流器模型可以简化为如图所示交流电源：

　　

 

 

　　当PCS输出阻抗主要呈现感性时，其输出有功P近似于相角差成正比，无功功率近似于电压的幅值差成正比，因此可以通过调节变流器输出电压的相位和幅值来调节逆变器输出的有功功率和无功功率。

　　

 

 

　　（a） 恒定频率控制 （b） 恒定电压控制

　　图2-3 下垂控制示意图

　　下垂控制既可以工作在独立带载的情况，也可以工作在多机并联的情况下。在组建微电网时候，可以使用下垂控制模式建立微电网的电压频率，在无上层控制的情况下，逆变器可以根据本地设置参数分配系统的负荷；在有上层控制的情况下，逆变器按照上层控制器设置的参数运行，同时还可以根据自身情况选择是否进行二次调频。

　　（3） VSG控制

　　虚拟同步机（VSG）控制是一种基于同步发电机暂态模型的新型微电网逆变电源控制方法，借鉴同步发电控制中调速器和励磁调节器的控制方法来设计变流器的控制器，使微源的输出特性类似一个同步发电机系统，对电力系统具有更加友好的并网特性，便于使用电力系统中成熟的方法对微源进行管理调度，同时外特性接近同步机，有利于电力系统的建模分析，避免了现在并网变流器模型多样给电力系统分析带来的困难。

　　

 

 

　　图2-4 VSG控制示意图

　　2.电池管理系统

　　电池管理系统（BMS）安装于储能电池组内，负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集，实时状态监测和故障分析，同时通过CAN总线与PCS、监控与调度系统联机通信，实现对电池进行优化的充放电管理控制。系统每簇电池组各自配一套电池管理系统，能达到有效和高效地使用每簇储能电池及整体合理调配的目的。

　　BMS应具有电池电压均衡、电池组保护、热管理、电池性能的分析诊断等功能。BMS要求能够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、并计算得到的电池内阻等参数，通过分析诊断模型，得出单体电池当前容量或剩余容量（SOC）的诊断，单体电池健康状态（SOH）的诊断、电池组状态评估，以及在放电时当前状态下可持续放电时间的估算。

　　3.监控与调度管理系统

　　监控与调度管理系统是储能单元的能量调度、管理中心，包含中央控制系统（MGCC）和能量管理系统（EMS），负责收集全部电池管理系统数据、储能变流器数据及配电柜数据，向各个部分发出控制指令，控制整个储能系统的运行，合理安排储能变流器工作；系统既可以按照预设的充放电时间、功率和运行模式自动运行，也可以接受操作员的即时指令运行。

　　其中，能量管理系统是储能系统的大脑，主要实现能量的合理调度，根据电网峰谷平特点，实现微网的经济运行，具有运行优化、负荷预测、发电预测、微源调度、潮流控制等功能。