CN112564225A - 一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法 - Google Patents

一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，根据保护对象以及对象所处层级，将保护方法分为电池本体保护、功率保护、设备状态保护、通信保护、运行环境保护、整体协调保护，这些保护由BMS、PCS以及EMS相互配合，从而实现储能系统的安全稳定运行。

Description

一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法
技术领域
本发明涉及仓储式储能系统，主要是一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法。
背景技术
仓储式储能系统将储能系统的所有设备全部集中在一个或多个标准的集装箱内。运输方便且易于安装。具有占地少、便于安装、可移动等优点，作为一种新形式的储能系统，其在电网中的应用越来越多。
仓储式储能系统具有占用空间小的特点，将包括电池(含电池架)、电池管理系统(以下简称BMS)、汇流柜、储能变流器(以下简称PCS)、能量管理系统系统(以下简称EMS)、以及其他系统(包括消防系统、空调、温湿度传感器、UPS、电表以及断路器等设备)进行高度集成，因此需要更为健全的保护方法，确保储能系统安全、稳定、高效运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，该保护方法包括电池本体保护、功率保护、通信保护、设备状态保护、运行环境保护和整体协调保护，具体为：
(1)、电池本体保护：制定簇间均衡控制策略，簇间均衡控制策略由电池管理系统BMS、能量管理系统系统EMS、储能变流器PCS共同协调完成；
(2)、功率保护：功率保护是指当电池处于充电、放电、静止状态时实现的保护，采用三重联动保护法，分别为BMS保护、PCS保护和EMS保护，三者之间互相通信传输关键信息，BMS、PCS实时监测电池状态信息以及储能系统充放电过程中的交直流侧信息，当出现故障告警时，BMS、PCS、EMS根据故障严重程度使PCS降功率、待机或停机，实现对电池的功率保护；
(3)、通信保护：在仓储式储能系统中，BMS与PCS相互通信并将通信状态上送至EMS，EMS同时与PCS、BMS、交流断路器、UPS、电表、断路器、消防、空调、温湿度传感器、摄像头相关设备进行通信；
(4)、设备状态保护：设备状态保护主要由EMS实现，EMS实时采集储能系统内设备的状态信息，包括电池簇接触器状态、BMS状态、PCS状态、空调状态、消防状态、UPS状态、温湿度传感器状态、电能表状态、交流断路器状态，当出现设备故障时，EMS根据状态转移矩阵设置内容产生事项并控制系统状态转移直至PCS关机，保护储能系统内的设备；
(5)、运行环境保护：EMS通过与温湿度传感器、空调以及BMS相关设备实时通信，实时采集并监视集装箱内的环境温度、环境湿度、电池温度信息、消防信息；通过空调策略和消防联动策略进行运行环境保护，实现仓储式储能系统运行在安全稳定的环境中；
(6)、整体协调保护：针对接入了储能以及其他外部系统的系统，由EMS进行整体协调保护，保障整个系统的稳定运行。
本发明的有益效果为：为实现储能系统的安全稳定运行，本发明根据保护对象以及对象所处层级，将保护方法分为电池本体保护、功率保护、设备状态保护、通信保护、运行环境保护、整体协调保护，这些保护由BMS、PCS以及EMS相互配合实现。
附图说明
图1为本发明中簇间均衡保护流程图。
图2为本发明中功率保护设备通信图。
图3为本发明中仓储式储能系统设备通信图。
图4为本发明中空调策略流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
本发明提供了一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，该保护方法包括电池本体保护、功率保护、通信保护、设备状态保护、运行环境保护和整体协调保护，具体为：1电池本体保护
电池本体保护主要是指簇间均衡保护，对于具有多簇电池的储能系统在运行过程中，会出现电压差过大的情况，为了实现电池簇的并联同时预防环流过大的问题，制定簇间均衡控制策略。簇间均衡控制策略由BMS、EMS、PCS共同协调完成。
BMS可以通过判断电池簇间的电压差，控制每簇的接触器是否闭合，从而决定是否将本簇电池并入直流侧母线中，做到预防环流过大的问题。流程图如图1所示。详细的簇间均衡保护逻辑如下：
1)BMS通过判断电池簇之间的状态，当电池簇间最大压差>ΔVa时，监控界面提示此时系统需要开启均压维护：通过界面下发状态为簇间均衡，EMS启动PCS，使其工作在待机状态；
设电池簇间最大允许环流值为Ia，则簇间均衡触发阀值ΔVa的计算公式如下：
Figure BDA0002826847060000021
其中：
Rcell表示单体电芯的阻值；
n1S表示参与计算的第1簇内电池串联的数量；
n1P表示参与计算的第1簇内单个电池模块内电池并联的数量；
n2S表示参与计算的第2簇内电池串联的数量；
n2P表示参与计算的第1簇内单个电池模块内电池并联的数量；
Rw1表示参与计算的第1簇的铜排与线缆的累计线阻。
Rw2表示参与计算的第2簇的铜排与线缆的累计线阻
2)BMS闭合最低电压电池簇的接触器(其他电池簇接触器均断开)；
3)BMS确定最低电压电池簇的接触器已经闭合之后，EMS调度PCS以设定小电流恒流充电；
4)当次低电压电池簇与最低电压电池簇压差＜△Vb(该参数现场可调整)时，闭合未接入直流母线的最低电压电池簇接触器，PCS同时维持一定的充电电流；△Vb的公式如下：
Figure BDA0002826847060000031
其中Ib表示均压维护过程中直接并联两簇的允许电流值，△Va与△Vb的关系为△Va>△Vb，Ia与Ib的关系为Ia>Ib；
5)重复4)的步骤，直至所有电池簇的接触器闭合；
6)所有电池簇电池一起充电t分钟(该参数现场可调整)，然后通知BMS显示维护结束，EMS下发指令给PCS运行在待机状态，此时整个系统处于了待机状态，等待接受新的运行指令。
2功率保护
功率保护是指当电池处于充电、放电、静止状态时实现的保护，采用三重联动保护法，分别为BMS保护、PCS保护和EMS保护，三者之间互相通信传输关键信息，如图2所示，其中实线为电源线，虚线为通信线。BMS、PCS实时监测电池状态信息以及储能系统充放电过程中的交直流侧信息，当出现故障告警时，BMS、PCS、EMS根据故障严重程度使PCS降功率、待机或停机，实现对电池的功率保护。
1)BMS保护
BMS实时采集电池的电压、电流、温度信息。并将电池的各种状态、告警等信息及时上传给EMS与PCS，最终实现对电池的故障保护。
BMS电池故障保护主要包括如下：在电池充电或放电阶段，实时监测单体电池电压值、单簇电池电压值、电池簇间压差值、电池工作电流值、电池工作温度值、电池温差值以及绝缘故障值当这些值超过设定的动作阈值时，根据超过的阈值范围分别产生一、二、三级BMS故障，并上送至EMS与PCS，进行处理动作，针对一、二级故障BMS不做任何保护动作，当出现三级故障时，BMS通过控制接触器断开来保护电池。
2)PCS保护
PCS实时接受BMS上送告警以及故障信息，并监测自身交流侧与直流侧设备信息(包括模块温度、交流隔离开关、直流隔离开关、直流侧电压、直流侧电流、交流侧电压、交流侧电流等)，当发生异常状况时形成事项，同时PCS将这些故障按照严重等级分为轻度故障与重度故障。针对轻度故障，PCS将事项上送至EMS；针对重度故障，PCS除将事项上送至EMS以外还会自动停机，以实现对电池系统的功率保护。
3)EMS保护
EMS能够实时监测PCS以及BMS上的电池故障信息。当出现异常情况，产生事项并执行等级保护。针对BMS上送的一级故障以及PCS的轻故障，EMS执行控制PCS降功率运行的保护动作；针对BMS二级故障，EMS执行PCS待机的保护动作；针对BMS三级故障以及PCS的重故障，EMS执行PCS停机和控制电池簇接触器断开的保护动作。
3通信保护
在仓储式储能系统中，设备之间的通信关系如图3所示，BMS与PCS相互通信并将通信状态上送至EMS，EMS同时与PCS、BMS、交流断路器、UPS、电表、断路器、消防、空调、温湿度传感器、摄像头等设备进行通信。
EMS实时监测与这些设备的通信状态，并将通信故障划分为轻故障、重故障以及双重故障。轻故障包括EMS与UPS、摄像头、温湿度传感器的通信故障；重故障包括EMS与PCS、BMS、交流断路器、电表、断路器、消防、空调等设备的通信故障；双重故障是指与PCS和BMS之间均出现通信故障。
EMS针对不同级别的故障执行相应的保护动作。出现轻故障时，EMS只产生故障事项；出现重故障时，当EMS与PCS有通讯的时候，EMS产生事项并控制PCS关机，当EMS与PCS无通信的时候，控制电池簇接触器断开；出现双重故障时，EMS产生事项并控制电池簇接触器断开。
4设备状态保护
设备状态保护主要由EMS实现，EMS实时采集储能系统内设备的状态信息，包括电池簇接触器状态、BMS状态、PCS状态、空调状态、消防状态、UPS状态、温湿度传感器状态、电能表状态、交流断路器状态，当出现设备故障时，EMS根据状态转移矩阵设置内容产生事项并控制系统状态转移直至PCS关机，保护储能系统内的设备。
5运行环境保护
EMS通过与温湿度传感器、空调以及BMS等设备实时通信，实时采集并监视集装箱内的环境温度、环境湿度、电池温度信息、消防信息。通过空调策略和消防联动策略进行运行环境保护，实现仓储式储能系统运行在安全稳定的环境中。
1)空调策略
EMS的空调策略通过调节空调的状态与运行参数，使集装箱内环境温度与湿度能够适合储能系统设备的正常运行，实现运行环境的保护。控制流程如图4所示。
EMS实时监测当前温度(监测电池温度或环境温度)，当其大于管理员设定的制冷限制值(制冷回差+制冷温度)，EMS向空调下设当前制冷回差与制冷温度，并控制空调开机；若当前温度小于管理员设定的制热限制值(制热温度-制热回差)，EMS向空调下设当前制热回差与制热温度，并控制空调为开机；若当前温度小于管理员设定的制冷温度且大于管理员设定的制热温度，EMS控制空调关机；若环境湿度达到管理员设定值时，EMS控制空调进行除湿。
2)消防联动策略
EMS实时采集并监测消防系统上送的状态信息，包括消防预警、消防火警以及急停等。当出现异常状况时，EMS通过相应的消防联动保护操作，保障储能系统的安全。
EMS将消防预警归为重故障，将消防火警、急停归为危急故障。当出现重故障时，产生相应的事项，并控制PCS停机，使储能系统停运；当出现危急故障时，产生相应的事项、控制PCS停机、控制电池簇接触器断开、控制交流断路器断开，使整个系统处于断电状态，并需要管理员人工手动恢复。
6整体协调保护
仓储式储能系统能够应用于微电网、应急电源、调频、新能源消纳等多种场景。针对接入了储能以及其他外部系统(包括电网、新能源、负载)的系统，由EMS进行整体协调保护，保障整个系统的稳定运行。
整体协调保护包括故障保护和功率保护，故障保护是指当出现EMS与各系统之间的通信中断或者系统故障，EMS通过停止相应系统并切断关键设备(如交流断路器等)，以避免由于这些故障，对包括储能系统在内的其他系统产生的不利影响；功率保护是指当系统的新能源或者负载由于不稳定波动较大，而对电网产生影响时，EMS通过频繁调节储能系统的充放电状态与功率，平抑整个系统的波动，实现对整体系统的协调保护。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：该保护方法包括电池本体保护、功率保护、通信保护、设备状态保护、运行环境保护和整体协调保护，具体为：
(1)、电池本体保护：制定簇间均衡控制策略，簇间均衡控制策略由电池管理系统BMS、能量管理系统系统EMS、储能变流器PCS共同协调完成；
(2)、功率保护：功率保护是指当电池处于充电、放电、静止状态时实现的保护，采用三重联动保护法，分别为BMS保护、PCS保护和EMS保护，三者之间互相通信传输关键信息，BMS、PCS实时监测电池状态信息以及储能系统充放电过程中的交直流侧信息，当出现故障告警时，BMS、PCS、EMS根据故障严重程度使PCS降功率、待机或停机，实现对电池的功率保护；
(3)、通信保护：在仓储式储能系统中，BMS与PCS相互通信并将通信状态上送至EMS，EMS同时与PCS、BMS、交流断路器、UPS、电表、断路器、消防、空调、温湿度传感器、摄像头相关设备进行通信；
(4)、设备状态保护：设备状态保护主要由EMS实现，EMS实时采集储能系统内设备的状态信息，包括电池簇接触器状态、BMS状态、PCS状态、空调状态、消防状态、UPS状态、温湿度传感器状态、电能表状态、交流断路器状态，当出现设备故障时，EMS根据状态转移矩阵设置内容产生事项并控制系统状态转移直至PCS关机，保护储能系统内的设备；
(5)、运行环境保护：EMS通过与温湿度传感器、空调以及BMS相关设备实时通信，实时采集并监视集装箱内的环境温度、环境湿度、电池温度信息、消防信息；通过空调策略和消防联动策略进行运行环境保护，实现仓储式储能系统运行在安全稳定的环境中；
(6)、整体协调保护：针对接入了储能以及其他外部系统的系统，由EMS进行整体协调保护，保障整个系统的稳定运行。
2.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的电池本体保护，BMS通过判断电池簇间的电压差，控制每簇的接触器是否闭合，从而决定是否将本簇电池并入直流侧母线中，详细的簇间均衡保护步骤如下：
1)BMS通过判断电池簇之间的状态，当电池簇间最大压差>ΔVa时，监控界面提示此时系统需要开启均压维护：通过界面下发状态为簇间均衡，EMS启动PCS，使其工作在待机状态；
设电池簇间最大允许环流值为Ia，则簇间均衡触发阀值ΔVa的计算公式如下：
Figure FDA0002826847050000011
其中：
Rcell表示单体电芯的阻值；
n1S表示参与计算的第1簇内电池串联的数量；
n1P表示参与计算的第1簇内单个电池模块内电池并联的数量；
n2S表示参与计算的第2簇内电池串联的数量；
n2P表示参与计算的第1簇内单个电池模块内电池并联的数量；
Rw1表示参与计算的第1簇的铜排与线缆的累计线阻；
Rw2表示参与计算的第2簇的铜排与线缆的累计线阻；
2)BMS闭合最低电压电池簇的接触器，其他电池簇接触器均断开；
3)BMS确定最低电压电池簇的接触器已经闭合之后，EMS调度PCS以设定小电流恒流充电；
4)当次低电压电池簇与最低电压电池簇压差＜△Vb时，闭合未接入直流母线的最低电压电池簇接触器，PCS同时维持一定的充电电流；△Vb的公式如下：
Figure FDA0002826847050000021
其中Ib表示均压维护过程中直接并联两簇的允许电流值，△Va与△Vb的关系为△Va>△Vb，Ia与Ib的关系为Ia>Ib；
5)重复4)的步骤，直至所有电池簇的接触器闭合；
6)所有电池簇电池一起充电t分钟，然后通知BMS显示维护结束，EMS下发指令给PCS运行在待机状态，此时整个系统处于了待机状态，等待接受新的运行指令。
3.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的的BMS保护：BMS实时采集电池的电压、电流、温度信息，并将电池的各种状态、告警等信息及时上传给EMS与PCS，最终实现对电池的故障保护。
4.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的PCS保护：PCS实时接受BMS上送告警以及故障信息，并监测自身交流侧与直流侧设备信息，当发生异常状况时形成事项，同时PCS将这些故障按照严重等级分为轻度故障与重度故障；针对轻度故障，PCS将事项上送至EMS；针对重度故障，PCS除将事项上送至EMS以外还会自动停机，以实现对电池系统的功率保护。
5.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的EMS保护：EMS能够实时监测PCS以及BMS上的电池故障信息，当出现异常情况，产生事项并执行等级保护；针对BMS上送的一级故障以及PCS的轻故障，EMS执行控制PCS降功率运行的保护动作；针对BMS二级故障，EMS执行PCS待机的保护动作；针对BMS三级故障以及PCS的重故障，EMS执行PCS停机和控制电池簇接触器断开的保护动作。
6.根据权利要求3所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的BMS电池故障保护包括如下：在电池充电或放电阶段，实时监测单体电池电压值、单簇电池电压值、电池簇间压差值、电池工作电流值、电池工作温度值、电池温差值以及绝缘故障值当这些值超过设定的动作阈值时，根据超过的阈值范围分别产生一、二、三级BMS故障，并上送至EMS与PCS，进行处理动作，针对一、二级故障BMS不做任何保护动作，当出现三级故障时，BMS通过控制接触器断开来保护电池。
7.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的通信保护：EMS实时监测与这些设备的通信状态，并将通信故障划分为轻故障、重故障以及双重故障，EMS针对不同级别的故障执行相应的保护动作；出现轻故障时，EMS只产生故障事项；出现重故障时，当EMS与PCS有通讯的时候，EMS产生事项并控制PCS关机，当EMS与PCS无通信的时候，控制电池簇接触器断开；出现双重故障时，EMS产生事项并控制电池簇接触器断开。
8.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的运行环境保护中，EMS的空调策略通过调节空调的状态与运行参数，使集装箱内环境温度与湿度能够适合储能系统设备的正常运行，实现运行环境的保护；消防联动策略为EMS实时采集并监测消防系统上送的状态信息，包括消防预警、消防火警以及急停，当出现异常状况时，EMS通过相应的消防联动保护操作，保障储能系统的安全。
9.根据权利要求8所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述EMS将消防预警归为重故障，将消防火警、急停归为危急故障；当出现重故障时，产生相应的事项，并控制PCS停机，使储能系统停运；当出现危急故障时，产生相应的事项、控制PCS停机、控制电池簇接触器断开、控制交流断路器断开，使整个系统处于断电状态，并需要管理员人工手动恢复。
10.根据权利要求1所述的适用于仓储式储能系统的多级联合保护方法，其特征在于：所述的整体协调保护包括故障保护和功率保护，故障保护是指当出现EMS与各系统之间的通信中断或者系统故障，EMS通过停止相应系统并切断关键设备，以避免由于这些故障，对包括储能系统在内的其他系统产生的不利影响；功率保护是指当系统的新能源或者负载由于不稳定波动较大，而对电网产生影响时，EMS通过频繁调节储能系统的充放电状态与功率，平抑整个系统的波动，实现对整体系统的协调保护。
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