储能系统能源管理系统设计

储能系统能源管理系统设计

侯景鹏

深圳市泽塔电源系统有限公司   518100

摘要

在新能源迅速发展的背景下，锂离子电池作为一种新的能量存储方式，已被广泛应用于多个领域。而能源管理系统是实现能源的储存与分配的重要环节。如何在锂离子电池中实现高效、稳定的能源利用和电网稳定运行是亟待解决的问题。通过对该系统的设计原理、最新技术及应用进行深入的探索，可为相关领域的研究与实际应用提供参考。

1概述

能量管理系统（Energy Management System, EMS）的设计目标是通过对能量流的监控与调控，以达到最大限度地提高系统的使用效率。本文从能量数据、系统结构、控制逻辑的角度，对能量管理系统进行了详细的分析。

在能量数据上，可以使用电能传感器来收集能量数据，并对其进行实时检测，可以了解到能量的实际使用情况。通过对能量数据的分析与评价，找出能耗变化规律与问题所在，并提出相应的对策与措施，以提升能量的利用效率。在系统结构上，通过通讯总线将不同设备之间的数据收集到 EMS中，并对其进行集中管理。一般分为EMS、BMS、BMU三个层级。每一个层级相应上一层的指令，并完成预定的动作。控制逻辑主要包括：协调控制、并离网切换、能量调度等。在制定逻辑控制之前，必须综合考虑电池簇特征、光伏特性、负载特性等因素。下文针对能源管理系统中重要的组成部分进行分析研究。

2 电池簇管理

电池簇是将多个锂电池电芯或模组通过串联的方式形成的电池组。由于单体间的不一致性，为了保证电池的工作效率和使用寿命，必须对其进行有效的管理和监测。主要研究内容包括电池的状态估算，电池平衡，电池温度控制等。状态估算是通过对电池的电流、电压、温度等信息进行收集和分析，采用算法模型对电池的 SOC和 SOH进行估算。电池平衡技术是为了减小同一时间内各电池单体的电压和温度的差异，从而减小电池内阻，以达到延长整体电池寿命的目的。为了保证电池组的稳定运行，需要对电池组的温度进行有效的控制，在充放电过程中若出现电池过温或欠温现象可能会影响电池的正常运行，严重的可能会出现电池鼓包、着火、甚至爆炸的危险。

这些监测技术通常是通过电池管理系统（Battery Management System）来实现的，该系统能够对电池的电压、电流、温度等进行实时监测，通过这些数据对电池进行估算分析，按照一定的阈值做出预警并采取相应的保护措施。BMS的主动或被动平衡策略能够保证电池簇内各电芯单体间的电荷状态是一致的。同时，该系统还能对电池的使用状况、性能等进行实时的记录与分析，为蓄电池的运维与优化提供参考。

3 PCS

PCS（Power Conversion System）可以将电池的直流电转化交流电并输出到电网或负载，同时也可以电网的交流电转化为直流电为电池充电。PCS是储能系统的核心，其应用的技术包括MPPT（Maximum Power Point Tracking）、功率调节、功率因子调节、DC-DC转换、DC-AC转换、交流变压等。

MPPT技术能够在最短的时间内对光伏能量进行追踪，从而实现最大的能量收集，再将这些能量存储在电池或输出至电网。功率调整技术是一种能够按照电网或负载的要求调整输出功率，使电力输出平稳。利用功率因子调整技术，能够实现输入与输出的最优匹配，从而降低系统功耗、提高系统效率。而DC-DC、DC-AC转换和交流变压，是将电池中存储的直流电转化为交流电，或将电网的交流电转化成能够存储在电池的直流电，并保证输出的电能能够适应电网、电池、负载对电压、频率、电流的要求。PCS是能源转化、减低能耗、保障系统稳定运行的重要设备。

4 系统安全管理

在锂电池储能系统中，系统的安全管理是一个非常重要的环节，其中包括设备安全、电池安全、消防系统等。其安全风险一般发生在充放电的过程中，常见的问题有过充、过放、过温、短路、母线过压等。为避免这些危险的发生，需要系统能够及时发出报警并迅速控制系统的电压、电流。所以需要电池、PCS以及辅助器件进行联通调节。在控制过程中，由EMS作为总控单元，电池、PCS等设备作为子控单元。EMS实时获取电池信息并将充放电信息推送给PCS，当电池发出预警时，EMS可以控制PCS充放电电流和电压大小，以避免电池出现安全风险。

EMS在保障系统的安全的前提下，还需要保障系统的运行效率。随着EMS软硬件升级，现在已经能够实现智能策略规划、风险预警分析、实时路径分析等功能。这些功能通常基于人工智能和机器学习为基础的模型预测控制、最优控制等理论。通过对海量数据的分析与学习，并分析设备历史数据变化及异常情况，能够在能源调度、安全保障上提供最优的策略。模型预测控制是对电力系统进行建模并对未来电力供需状况进行预测，进而调整设备系统的运行状态。

5 并离网切换

储能系统的并离网涉及到并网与离网、电力调度与能源互动等问题。为了保证电网的安全稳定运行，电网的接线与断线必须同时考虑到电网的电压、频率、品质等方面的要求。电力调度技术是一种基于电力系统和客户需求的电力调度技术，它能够对电力系统中的电能进行有效的配置和调节，从而达到

储能系统和电力系统之间的相互协调。能源互动技术是多种能源之间与电力系统间进行能量交换，以满足电力系统的调峰与用电的需要。通过这些技术使储能系统与电网进行双向能量交换，增强了系统的灵活性和能效。

另外，针对储能系统并网运行时，应遵循电力行业的相关规定，以保证其与电网之间的兼容与互用性。电网规范中包含了电压，频率，功率因数等指标，是储能系统接入电网时必须满足的指标。同时，为了保证储能系统和电网之间的安全、可靠、稳定的相互关系，还必须兼顾到电网的负荷平衡、电力质量等方面。

6 通讯规约

储能系统中的装置较多，各装置间的信息交流通常是通过总线或点对点的通讯方式来实现。对通信的可靠性、快速性、安全性、兼容性等提出了较高的要求。目前广泛使用的通信协议有：ModBus、CAN、Ethernet、Mqtt、DNP3、IEC61850、DLMS/COSEM等。在实际应用时，为了保证储能系统、储能系统与电力系统间的数据交互及控制命令的准确传输，应尽可能减少通讯种类，尤其是重要的信息交互中避免通讯转换或转接。

在目前的储能系统中，通常以CAN总线来传输充放电、报警等重要数据，以Modbus协议来传输空调等对实时性要求不高的信息，使用MQTT将数据信息传输到云端平台，对电网信息一般使用IEC61850来传输。

7 人机交互

在能源管理系统的设计过程中，人机交互是一个不容忽视的环节。系统具有良好的人机交互功能，便于用户对系统进行监测与控制。通过人机界面，能够将系统的数据、告警以及其他信息通过图表文字的方式展现出来。用户通过界面即可准确掌握系统的运行状态，能够根据现场状况对系统进行调整。人机界面还具有历史数据导出、运行配方导入、打印报告等功能。

8 数据云平台

随着互联网技术引入储能系统，云平台已经成为能源管理系统中不可或缺的一部分。通过云端设备可以将系统的实时数据（如：电压、电流、温度、断路器状态等）上传到云平台。通过云平台可以将数据展示到PC或移动端实现远程监控。通过远程监控，运维人员不需要频繁的现场维护，极大的提高了工作效率，降低了工作强度。

数据上传至云平台后，还可以利用云计算、大数据等技术手段，对能量数据进行分析计算，可以对当前的储能系统进行历史追踪，分析历史问题风险点，对当前的运行状态提供风险预警。当大量设备接入云平台后，能够通过分析不同场景下储能系统运行状态，可以对系统进行优化，目前已经能够实现历史能耗分析、负荷预测、能效分析等。

云平台的部署可以降低本地控制器的性能需求，将数据统计分析的任务放在云端进行。本地控制器只需要保障设备的安全运行即可，极大降低了储能硬件成本。

总结

本文充电池簇管理、PCS控制、安全控制、并离网切换、通讯规约、人机交互、数据云平台等几部分介绍了能源管理系统。这些部分也是在设计EMS需要重点考虑的问题，期望能够为储能系统提供理论依据和技术支持。

参考文献

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