大型电池储能电站的集控技术研究_李毓烜.pdf

第 44 卷第 7 期2023 年 7 月电力建设Electric Power ConstructionVol.44No.7Jul 2023http:/www cepc com cn基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFE0123600);南方电网公司重点科技项目(STKJXM20200059);国家自然科学基金联合基金重点支持项目(U22B20123)大型电池储能电站的集控技术研究李毓烜1，汪泰安2，3，彭鹏1，胡振恺1，赵宇鑫2，李宁宁2，唐西胜2，3(1 南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院，广州市 510630;2 中国科学院电工研究所，北京市 100190;3 中国科学院大学，北京市 100049)摘要:锂离子电池作为目前主要的新型储能技术，得到了高度重视和发展，单个电池储能电站的装机规模越来越大。由于大型储能电站往往由众多小容量、标准化的储能系统单元聚集而成，如何实现多储能单元集群的高效控制与管理，是储能电站整体性能的重要保证。针对大型储能电站的集控技术进行研究，在系统功能需求分析的基础上，提出了基于 EtherCAT 的集控架构和网络分层方法，对集控管理层、单元控制层和受控设备层进行了优化设计，并对通信能力进行了计算。最后搭建了实验平台验证了所提架构和设计的有效性，为大型储能电站参与电力系统多种运行的快速性和可靠性提供了技术参考。关键词:电池储能电站;集群控制;EtherCAT;电力系统快速调节esearch on Cluster Control of Large Battery Storage Power StationLI Yuxuan1，WANG Taian2，3，PENG Peng1，HU Zhenkai1，ZHAO Yuxin2，LI Ningning2，TANG Xisheng2，3(1 CSG PGC Power Storage esearch Institute，Guangzhou 510630，China;2 Institute of Electrical Engineering，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100190，China;3 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)ABSTACT:Lithium-ion batteries，the leading new energy storage technology，have been highly valued and developedThe installed capacity of single-battery energy-storage plants(BESP)continues to grow Given that a BESP is oftencomposed of many small-capacity standardized energy storage system units，achieving efficient control and management ofmultiple energy storage unit clusters is an essential guarantee for optimizing the overall performance of energy storage powerplants Cluster control technologies of the BESP were investigated in this study Based on the BESP control functionalrequirements analysis，a control architecture and network-layering method based on EtherCAT were proposed Optimizationswere made for the cluster control and management，unit control，and controlled equipment layers，and the communicationcapability of the BESP control system was calculated Finally，an experimental platform was set up to verify the effectivenessof the proposed architecture and design process This provides a technical reference for large-scale BESP to contribute to therapid and reliable operation of various power systemsThis work is supported by the National Key D Program(No 2019YFE0123600)，the Key Science and TechnologyProject of China Southern Power Grid Corporation(No STKJXM20200059)，and the National Natural Science Foundationof China(No U22B20123)KEYWODS:battery energy storage plant;cluster control;EtherCAT;rapid regulation of the power system中图分类号:TM73;TK0文献标志码:A文章编号:1000 7229(2023)07 0033 08DOI:10.12204/j issn.1000 7229.2023.07.0040引言在“双碳”目标引领下，未来电力系统中新能源的占比逐步提高并成为主导电源，已经成为必然的发展趋势1-3。随着光伏、风电等新能源接入比例的提升，电力供应的随机不确定性增强，再加上负荷的不确定性，使系统的电力和电量平衡调节难度骤增。维持电网的调峰、调频和调压能力，提高调节资源响应调度指令的准确性和快速性成了构建新型电力系统必须攻克的难题4-5。在多种灵活性调节资源中，以锂离子电池为代表的新型储能技术由于部署便捷、控制灵活等优势而被广泛重视和发展6。储能系统既可以作为电源提供电能，又可作为负荷吸纳多余的电能以实现电力系统的平衡调节7-8，并可以针对新能源实现跟踪发电计电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn划、平抑发电出力波动等功能9-10。储能通过参与调峰、调频、调压等应用模式，可以有效缓解系统调节能力不足的问题，更好地支撑电网安全、稳定和高效运行11-12。得益于电动汽车产业的快速发展，锂离子电池的技术性能提升和成本下降快，在新型储能系统市场中占据主导地位13-14。锂离子电池储能系统的装机规模快速提升，储能电站的容量已经从兆瓦级、数十兆瓦级提高到了数百兆瓦级以上15-17。由于大型储能电站一般由多个小容量的标准化储能单元以集群方式组合而成，如何对大规模电池储能集群进行有效控制和管理，使储能电站整体达到响应快速、调控精准的目标，是当前需要解决的关键问题之一18-19。在大型电池储能电站中，由于信息采集点、采集频度大幅增加，集群系统通信网络的可靠性与快速性成为主导因素。文献 20建立了含间歇式电源机组/组件、场站、场站群、集群 4 层的分层分区集群控制平台框架，以实现有功功率控制、无功电压控制、安全稳定控制等方面的功能。文献 21 构建了含空调集群与电动汽车集群的需求侧广义储能集群，根据各集群特性优化参与配电网调节的控制策略。但电池储能集群无论在数据采集与处理的数量上还是频度上均要求更高，多重复杂性明显，传统集控架构和处理方法已难以适用22。此外，新能源规模化接入下的电力系统，对储能参与调频、备用、调压运行的快速性、可靠性和容量可信度均提出更高要求23-25，集控平台的基础支撑作用越发重要。因此，本文针对大型电池储能电站参与电力系统快速调节的需求，提出了一种基于 EtherCAT 的集控架构及平台设计方法，以实现储能电站的高效数据处理和实时过程控制，满足储能电站参与系统调节的快速性、准确性和可靠性。在对储能电站参与电力系统调节技术需求分析的基础上，进行了集控系统架构设计，以满足各储能单元对电气部分、电池部分、动力环境部分的参数采集、数据处理及存储、调控需求等特点;并进行了通信量分析和协议优选;最后，搭建了实验平台对所提的集控技术及平台进行验证。1集控平台1.1集控平台架构大型电池储能电站集控平台需要支撑其内部多个储能系统单元的聚合运行和优化管理，实现各单元的数据监测和运行优化，达到兼顾集群整体的性能提升和内部各单元的差异化优化管理等目标。根据电池储能系统设备级分析与控制所要求的数据采集与处理密度大、集群层面优化管理所要求的数据密度小的特点，本文对集控架构按照分层原则设计26-27。具体的，各储能单元作为相对独立的受控对象，包括 电 池 系 统、储 能 变 流 器(power conversionsystem，PCS)及动力环境设备等，组成受控设备层;各储能单元配置一个数据处理和分析能力较强的本地单元控制器，对受控设备的数据进行处理和分析，组成单元控制层;整个储能电站配置一个集控管理系统，形成集控管理层，对各储能单元的数据和信息进行汇集分析，并与上级监控系统或调度中心进行交互。该架构能够有效适配电池储能系统的设备特点和集群集结方式，按照控制、管理及优化等不同时间尺度进行数据处理和控制管理的分级分类。其中，单元控制层与集控管理层之间交互的单元数量多、数据量大，对集控的性能和可靠性要求高，本文选择实时控制能力强的 EtherCAT 组网。系统整体架构如图 1所示。图 1集控平台结构示意图Fig.1The structure of cluster control platform1.2集控平台功能分层1)集控管理层。集控管理层部分主要实现对大规模的储能集群进行控制和优化管理，可以采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)、工业控制计算机等作为数据处理载体。集控管理层根据单元控制层传送的各储能单元设备状态和运行过程信息，通过优化算法给出合理调控指令分配给各单元控制器，完成各储能单元的状态控制和能量管理。此外，集控管理层定期向上级监控系统或调度中心上报必要的设备信息和运行数据，同时接受调峰、调频、调压等调度43第 7 期李毓烜，等:大型电池储能电站的集控技术研究http:/www cepc com cn指令。此外，集控管理层还可以实现人机交互、数据存储、状态查询等功能。2)单元控制层。各电池储能系统单元配置一个单元控制器，对储能系统的电池、电气和动力环境部分进行数据采集、处理分析和控制管理指令下发。单元控制器在对必要的数据和信息进行处理后，与其他众多单元控制器组网通信，通过 EtherCAT 实时控制类协议与集控管理层实现信息交互。单元控制层的配置降低了集控系统通信网络的复杂度和设计要求，提高了运行效率。此外，对于储能系统内部电池、电气和动力环境各部分之间通信方式和数据格式的差异，也可以进行快速规约转换，有利于不同厂家产品的集成。3)受控设备层。受控设备层主要指各电池储能系统，作为功能上相对独立的单元，一般包括储能变流器、升压变压器、配电及计量表计等电气部分、电池及其管理系统(battery management system，BMS)组成的电池部分，以及动力环境和消防等辅助部分。由于储能单元内部涉及的设备多、数据采集量大，可以分成多路与单元控制器交互，以优化数据传输和处理效率。2系统设