电池测试系统 技术方案
合肥工业大学先进控制技术研究所合肥沃工电气自动化有限公司
2016.3.23
目录
目录 .................................................................................................................................................. 2 一、设计背景 .................................................................................................................................. 3 二、系统结构 .................................................................................................................................. 4 三、系统设计 .................................................................................................................................. 6 四、配置清单 ................................................................................................................................ 13 附件一、BMS 简介 . ...................................................................................................................... 14 附件二、金莱尔PSW7系列纯正弦波逆变充电一体机参数 .................................................... 17 附件三、通讯系统 ........................................................................................ 错误！未定义书签。
一、设计背景
优质、自愈、安全、清洁、经济、互动是我国智能电网的设定目标, 储能技术尤其大规模储能技术具备的诸多特性得以在发电、输电、配电、用电4大环节得到广泛应用, 储能技术是构建智能电网及实现目标不可或缺的关键技术之一。
1. 储能技术在电力系统稳定中的作用
储能技术的应用可以改变传统电力系统稳定控制的思维方式, 从一个新的角度认识电力系统的稳定性问题, 并寻求一种可能会彻底解决电力系统稳定性的方法。在传统的电力系统中, 任何微小扰动引起的动态不平衡功率都会导致机组间的振荡, 而只要储能装置容量足够大而且响应速度足够快, 就可以实现任何情况下系统功率的完全平衡, 这是一种主动致稳电力系统的思想。由于这种与储能技术相关的稳定控制装置不必和发电机的励磁系统共同作用, 因此, 可以方便地使用在系统中对于抑制振荡来说最有效的部位。同时, 由于这种稳定控制装置所产生的控制量可直接作用于导致系统振荡的源头, 对不平衡功率进行精确的补偿, 可以较少甚至不考虑系统运行状态变化对控制装置控制效果的影响, 因此装置的参数整定非常容易, 对于系统运行状态变化的鲁棒性也非常好。
2．储能技术在新能源发电中的作用
化石能源供应不足已成为全球经济发展的瓶颈。同时, 使用化石能源造成的环境污染问题已受到全球的高度重视, 积极开发新能源和储能技术, 减少人类对化石能源的依赖, 已成为业界和科技界研究的热门课题。在可再生能源中, 风能和太阳能因来源丰富、取之不尽、用之不竭, 并在利用过程中无环境污染或污染很小而特别引起关注, 但风能和太阳能存在间歇性、不稳定性和不可控性等缺陷, 为保证其供电的均衡性和连续性, 储能装置成为风力发电、光伏发电系统的关键配套部件。因此, 在利用太阳能和风能的同时, 必须重视储能技术的开发。近年来, 特别是在《中华人民共和国可再生能源法》出台之后, 我国风力发电和光伏发电产业发 展迅速, 但大规模发展新能源仍存在技术瓶颈, 主要是风力发电、光伏发电的并网技术、发电的间歇性问题需要成熟的储能技术加以解决。因此, 在新能源装机容量提升的同时, 必须同步提升储能容量, 有效地改善其电能输出质量。
3．储能技术在分布式发电中的作用
当今社会对电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高, 传统的大电网供电
方式由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。目前, 大电网与分布式发电相结合被世界上很多能源电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电网安全性和灵活性的主要方法, 是21世纪电力工业的发展方向。分布式发电是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的配置较小的发电机组, 以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济运行。分布式发电包括微型燃气轮机发电、燃料电池储能、可再生能源如太阳能和风力发电等。基于电网稳定性和经济性考虑, 分布式发电 系统要存储一定数量的电能, 用以应付突发事件。现代储能技术已得到了一定程度的发展, 在分布式发电中已经起到了重要作用, 可以改善电能质量、维持电网稳定; 在分布式电源不能发电期间向用户提供电能。
4．储能技术在电动汽车中的作用
电动汽车以电能为动力, 能够实现运行时零排放、低噪音, 是解决能源和环境问题的重要手段。坚强智能电网的建设将大大促进电动汽车的发展, 包括建成完善的电动汽车配套充放电基础设施网络, 形成科学合理的电动汽车充放电站布 局, 充放电站基础设施满足电动汽车行业发展和消费者的需要, 电动汽车与电网的高效互动得到全面应用。与传统燃油汽车相比, 电动汽车还存在充电时间长、续驶里程短、使用成本高等一系列问题。其中储能技术是阻碍电动汽车产业发展的主要瓶颈, 储能技术的发展必将带动电动汽车产业的更大发展。
在这样的背景下，我们提出了电池测设系统的方案。
二、系统结构
图1 硬件简图
硬件简图中使用的是储能逆变器，可以支持能量双向流动，既可以从电网上
取电给给钒电池充电，也可以把钒电池的电能提供给负载。在钒电池混液时，充电机可以用来给电池充电。
图3 系统结构简图
整个储能系统由钒电池、配电柜、逆变器、负载、充电机、BMS （电池管理系统）、EMS （能量管理系统）组成。
夜间电价便宜时，市电通过储能变流器给钒电池组充电储能；白天电价较贵时，通过钒电池放电给负载提供电能，节省电费，从而实现谷电峰用。
储能系统功能如下所述： 储存电能，并释放电能
BMS 实现单个钒电池的监控和保护作用，通过传感器实时采集电池组电
压、电流、电堆温度、正负电解液温度，并计算SOC 、充放电容量等，同时对电池进行过压、过流、欠压、欠流等保护； 配电柜中的断路器和接触器被用来控制支路的开合；
储能变流器是电网与储能系统的接口，可接受EMS 调度，实现双向变流
控制，对钒电池进行充放电；同时具有恒流充放电、恒压限流充放电、恒功率充放电、计时充放电灯功能；
EMS 与SBMS 通讯，读取电池组电压、电流、温度、SOC 值； EMS 与储能变流器（或离网逆变器或充电机）通讯，实现钒电池充放电
控制；
EMS 实时监测电池储电量，实时监测电价。在电价低的时间段，市电通
过储能变流器控制给钒电池充电；在电价高的时间段，通过储能变流器
控制钒电池放电给负载供电；
EMS 实现对时，从而实现在规定时间内控制电池充放电； 在EMS 人机界面上显示各个设备运行状态； EMS 实现能量管理及调度。
三、系统设计 1. 主要器件
钒电池
逆变器
充电机
负载电阻柜
表1钒电池参数
表2逆变器参数
表3充电机参数
表3电阻柜参数
2. 控制柜（按结构2进行设计）
支路1参数：
● 电压最大允许值：65V; ● 每路允许电流最大值：160A;
接触器和断路器KM1和QF1连接钒电池和离网逆变器，KM1采用人民电气的交流接触器CJ20-250，QF1采用江苏大全凯帆集团的直流塑壳断路器KFM2Z-250-160。
接触器型号：CJ20-250； ● 类型：固定， 3极 ； ● 额定工作电压最高：380 V； ● 额定电流：250A ； ● 长*高*深：190*235*230； ● 重量：10.5kg 。
断路器型号：KFM2Z-250-160； ● 类型：固定， 3极 ； ● 额定工作电压最高：1000 V； ● 额定电流：160A ； ● 长*高*深：未提供； ● 重量：未提供。
支路2和3参数：
● 电压最大允许值：230V; ● 每路允许电流最大值：23A;
接触器和断路器KM3和QF3连接离网逆变器和负载，KM3采用人民电气的交流接触器CJX2-25，QF3采用天正电气的小型断路器DZ47-25。
● 接触器型号：CJX2-25； ● 类型：固定， 3极 ； ● 额定工作电压最高：690 V； ● 额定电流：25A ； ● 长*高*深：93*84*56； ● 重量：未提供。
● 断路器型号：DZ47-25； ● 类型：固定， 4极 ； ● 额定工作电压最高：400V ； ● 额定电流：25A ； ● 长*高*深：未提供； ● 重量：未提供。
KM4和QF4同KM3和QF3。
3、EMS 系统
EMS 根据实际电池电量、负载功率情况，开合相应支路的接触器，控制电池充放电，同时与储能逆变器、SBMS 、电能表通信。
EMS
图11 EMS 控制框图
EMS 系统功能
◆ EMS 与SBMS 通讯，读取电池组的电压、电流、温度及SOC 值； ◆ 充放电控制：与储能变流器通信，并根据采集的数据和估计的电池状态，来
控制电池的充放电过程，限制电池系统的输入、输出功率。 ◆ EMS 采用智能控制策略实现能量的调度和优化； ◆ 故障诊断
◆ 数据显示：实现显示电池系统信息，例如当前电池容量、温度、电压和电流
以及逆变器等其他设备的状态。
◆ 数据记录：记录电池的历史状况、尤其是故障、警报、大电流充放电历史、
电池过放程度等。便于对电池状态估计和故障判断。 ◆ EMS 与储能变流器通讯，获取电压电流及功率， ◆ EMS 与电能表通讯，获取用户侧电量；
◆ EMS 与PLC 通讯，再控制开关柜内各个接触器动作，从而控制负荷投切；
图注：
4、能量流动的模式管理 模式一：
合上接触器KM1和KM2，断路器QF1和QF2，钒电池通过储能逆变器给负载供电。 模式二：
合上接触器KM1和KM3，断路器QF1和QF3，电网经过储能逆变器给钒电池充电。
5、电池测试要点
1) 对矾电池经行充放电试验
a 、钒电池输出侧电压 b 、钒电池输出侧电流 c 、钒电池正负电池液温度
2) 钒电池BMS 的保护功能及系统的保护功能
a 、 钒电池在过、欠压情况下，钒电池BMS 和PCS 、DC\DC的保护功能的实现 b 、 在不同的功率下（10%、20%、30%、40%...80%、90%、100%），对电池经行循环充放电测试，观察钒电池电池液的温升变化。 c 、 钒电池在过流情况下，钒电池和PCS 保护功能的实现。
四、配置清单
附件一、BMS 简介
一、系统功能
全钒液流储能电池（简称钒电池）是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可充电燃料电池，其功率大、能量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保，在光伏发电、风力发电、智能电网、谷电峰用、分布电站、通讯基站、应急电源、交通军事等广阔领域有着极其良好的应用前景。
钒电池具有功率大、容量大、效率高、寿命长、响应速度快、可瞬间充电、安全性高、成本低等优点。
单体钒电池参数：
每节1.26V ，38节串联成一组，每组标称电 压48V ，最高电压60V ，额定电流104A 。
表1 钒电池参数
电池管理系统（BMS ）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命并监控电池的状态。为此合肥工业大学联合合肥沃工电气自动化有限公司研制开发针对全钒液流电池的BMS 系统。该系统具有以下功能： 检测钒电池端电压
检测电解液正负极温度、钒电池电堆温度及环境温度 检测钒电池充放电电流 完成钒电池SOC 的估计 过压、过流、过热保护
显示（屏显示和LED 灯两种显示方式）
循环泵有本柜手动启停和程序控制自动启停两种方式 报警故障记录
显示屏上显示电压、电流及温度的实时曲线和历史曲线等
二、控制框图
系统框图如图1所示：
图1 系统框图
BMS 系统采用合肥工业大学先进技术研究所自制的可编程智能控制器和AI 扩展模块实现。
经统计，SBMS 系统的信号点数如下所述：
DI 信号（5个）：控制柜上电、控制柜断电、选择开关（泵的自动手动切换）、
启动循环泵、停止循环泵
DO 信号（9个）：电源指示灯、通讯指示灯、故障指示灯、充电指示灯、
放电指示灯、混夜指示灯、报警蜂鸣器、故障输出、控制泵启动停止 AI （6个）：电压1个、电流2个、4个温度
系统选择霍尔电压传感器检测钒电池的端电压，霍尔电流传感器检测钒电池充放电电流。温度检测采用PT100检测并采用恒流源接法提高采样精度。各个传感器信号经过信号调理电路板处理后（滤波放大）再接入AI 扩展模块。AI 扩展模块检测电压后进行SOC 估计。AI 模块主要完成信号采集及保护功能。保护功能包括：
⏹ 通过对过压、过温、过流和系统异常的感知保护系统不被损坏；
⏹ 保护参数的设置可通过安全密码控制； ⏹ 保护参数设置可通过PC 管理软件设置和修改； ⏹ 保护分两级：报警和切断动力供给；
整个系统由触摸屏、可编程智能控制器、AI 扩展模块及继电器控制回路、传感器采集电路组成。触摸屏和可编程智能控制器、AI 扩展模块间通信，读取实时状态并下发保护参数设置值。
三、SBMS 箱体外观
◆ 箱子正面嵌入了显示屏，并装有指示灯，按钮、手动自动转换开关等； ◆ 背面装有断路器，备用电池切换用；
◆ 背面装有航空插头，用来与钒电池、备用电池、泵等的连接，含有一个故障
无源节点输出，并留有与EMS 的通讯接口； ◆ 背面留有与电压、电流及温度传感器的接口。
附件二、金莱尔PSW7系列纯正弦波逆变充电一体机参数