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高安全级工商业储能EMS

作者:舜通智能 来源:www.sitcsys.com 发布时间:2024-03-14 热度:0

一、工商储能概述

       工商业储能相对容量较小,系统功能也相对简单。它对系统控制的要求低于储能电站,应用灵活,适应工商业的各自应用模式。在EMS方面,工商业储能只需要设定充放电时间即可完成能量管理,功能性需求也低于储能电站,大都不需要接受电网调度,所以EMS系统功能较为基础,只需做好本地能量管理。支持储能系统电池均衡管理,保障操作安全;支持毫秒级快速响应,实现储能子系统设备集成管理和集中调控。
       储能电站则需要接受电网调度,所以对EMS系统要求更高。除了基本的能量管理功能外,还需要具备为微电网系统提供电网调度接口及能量管理的功能;支持多种通信规约,具备标准电力调度接口;能够对能量搬移、微电网、电力调频等应用场合的能量进行管理和监控;支持源、网、荷、储等多能互补系统监控。
       工商业储能行业的发展趋势已经明朗,众多企业纷纷采用“智能化+模块化”的设计理念。智能化,即基于数据采集、安全控制等功能的BMS和EMS,结合创新算法等一系列技术与传统电力电网、能源系统控制保护,形成智能管控方式。模块化,则是以能量模块为单位,进行软硬件独立设计,可根据不同应用场景自由搭配和灵活部署。高安全性,则需要通过EMS,配置本地高安全存储,故障预警,以及热管控措施,通过云平台+AI算法,实现高安全健康评估,达到高安全性指标,满足建筑物,园区高安全性要求。
       工商业储能市场的最大特点就是用户需求的多样化,这要求我们在产品设计中注重多样化的适配性。同时,精细化管控已成为行业发展的必然趋势。与大型储能系统相比,工商业储能对精细化管控的策略和算法要求更高。在电力开放和多样化应用场景的需求下,软件和系统管控能力已成为工商业储能企业的核心竞争力。

二、工商业储能EMS

       EMS全称是Energy Management System,能源管理系统。一方面直接负责储能系统的控制策略,而控制策略则影响系统内电池的衰减速率和循环寿命,从而决定储能的经济性;另一方面还监控系统运行中的故障异常,起到及时快速保护设备、保障安全性的重要作用。
       高安全工商业储能EMS就是兼顾能量调度和储能安全的一套储能解决方案。

1)EMS系统架构:

EMS的架构主要包括以下四个层级:
设备层:

       设备层主要储能电池柜、储能电池管理系统BMS、储能变流器PCS,辅控系统(空调、消防、温湿度计量)、智能电表等;
通讯层:

       EMS与设备层进行通信主要以RJ45和RS485总线方式连接:主要的通信协议包含:modbus、IEC104、IEC61850等;
边缘层:

       本地数据安全存储,能源调度策略,储能安全预警,电池热失控管理,温度管理等;
应用层:

       主要包括中间件、数据库、服务器,其中数据库系统负责数据处理和数据存储,记录实时数据和重要历史数据,并提供历史信息查询,表现形式包括APP、Web等,为管理人员提供可视化的监控与操作界面。

 

2)EMS的主体功能

       工商业储能站点容量小、数量多、分散广、运维成本要求高,无法支持本地有人值守,势必要求远程运维监控。而传统EMS被设计为单机版、本地化。

系统概况:
       该功能主要显示系统的主要核心参数,主要包括五个模块分别是储能EMS的整体信息(系统安全运行天数、总充电量、总放电量、电池总SOC)、系统基本情况、功率曲线(PCS 功率以及负载功率)、重要数据实时显示区,如下图所示:

设备监控:
       该部分包含系统监控图、系统 PCS 信息(包含运行信息、状态信息以及告警信息三部分)、系统 BMS 信息(包含运行信息、状态信息以及告警信息三部分)。



参数设置:
       该功能主要包含的遥控功能包括:
       1) 启动控制:包含启动、停机操作;
       2) 优先方式:包含电网优先和微网优先;
       3) 主被动模式:包含主动模式、被动模式;
       4) 无功调节方式:包含无功调节关闭、无功功率调节方式和功率因数调节方式三种;
       5) 本地远程:包含远程本地、远程和本地三种;
       6)  电压控制:包含使能和禁止;
       7)  SOC 控制:包含使能和禁止;
       8)  并离网模式:包含并网模式、离网模式和并离网切换模式三种;
       9)  时段选择:包含禁止、按小时和按星期三种选择;
       10)   均衡控制:包含使能和禁止;
       11)   两充两放:包含充电放电时段选择。

故障告警:
       汇总各类设备的故障告警,按时间,状态,等级等进行查询。

统计分析:
    该部分实现数据报表查询功能。显示区域主要包含四个部分分别为已选择数据、数据类型、时间选择以及报表数据显示区域。

       1)数据类型:分为历史数据和实时数据查询两种方式;
       2)时间选择:起始、结束时间精确到秒,时间跨度以小时(h)为单位;
       3)数据选择:以报表形式显示,至少可以包含 10 个参数的数据;
       4)报表编辑:报表的生成、导出(保存文件名包含时间、对象)。

能量管理:
   储能策略是能源管理系统的核心功能,通过有计划充放电、负荷跟踪、平滑输出、防逆流,实现用户侧削峰填谷,达到最优经济运行管理。
       1)可增加、删除、更改储能侧、负荷侧的数据模型参数;
       2)可对PCS的安全SOC等参数进行修改;
       3)可实现策略的启用、停止操作;
       4)可调整两充两放时间段;
       5)可根据用户提供的运行要求制定策略流程,并实现流程的逻辑转化。



系统管理:
       包括电站基本信息,设备管理,电价时段管理,操作日志,账号管理,语言切换等功能。

三、基于边缘计算和云平台的高安全管理系统

1)舜通储能云平台

2)云平台监控

3)智能预警

   通过多参数的智能检测分析,提供工商业储能超长期、长期、短期、超短期,机器学习等人工智能预警算法运行接口,能直接运行机器学习等算法模型。
  (1)气体检测

       锂电池在充放电过程中,由于内部化学反应的复杂性,可能会产生氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体。当这些气体的浓度超过一定阈值时,可能会引发火灾、爆炸等安全事故。
       气体传感器是预防锂电池气体泄漏的关键设备。通过监测氢气、一氧化碳等有害气体的浓度变化,可以及时发现潜在的泄漏风险。当气体浓度超过安全阈值时,系统应立即发出预警,并启动相应的应急措施,如开启排风系统或自动关闭电源,以确保人员和设备的安全。
  (2)温度检测

       温度是评估锂电池安全状态的重要参数之一。通过布置在电池模块内部的温度传感器,可以实时监测电池的温度变化。当温度超过预设的安全阈值时,系统应立即发出预警,并采取相应的降温措施,如启动散热风扇或自动关闭部分电池模块,以防止热失控的发生。
  (3)压力检测

       压力传感器用于监测电池内部和外部环境的压力变化。一旦检测到异常的压力波动,可能意味着电池内部存在短路、气体泄漏等问题。此时,系统应立即启动预警机制,并采取紧急措施,如释放压力或关闭电源,以防止事故扩大。
  (4)传感器整合与云平台协同

       为了确保多参数检测与预警解决方案的有效性,需要将温度、压力、气体等传感器进行整合,实现数据处理和分析。通过EMU装置上传到舜通云平台,实时监测各个传感器的数据变化,并根据预设的算法和逻辑判断,自动触发相应的预警和应急措施。
       通过储能云平台技术,可以适应不同规模和需求的锂电池储能系统。通过模块化设计和智能管理,可以方便地添加或移除传感器,调整预警阈值和应急措施,以满足实际运行的需求。随着技术的不断进步和应用需求的不断升级,传感器检测与预警解决方案将在锂电池储能系统的安全监控中发挥更加重要的作用。
 
4)健康评估

       构建诊断指标和智能分析系统,通过AI技术对诊断指标进行评估,用打分形式实时反映储能健康状态。
诊断指标如下:

序号

类型

指标

EMU+BMS

1

诊断指标

PACK热失控风险

EMU诊断

2

电芯短路风险

EMU诊断

3

电压一致性

EMU诊断

4

温度一致性

EMU诊断

5

簇一致性

EMU诊断

6

SOH衰减

BMS诊断

7

簇容量损失

EMU诊断

8

自放电率

EMU诊断

9

SOC误差

BMS诊断

 
智能分析如下:

序号

类型

指标

EMU+PCS

1

智能分析

能量转换率

EMU分析

2

最大可充电量

EMU分析

3

最大可放电量

EMU分析

4

电芯SOH

EMU分析

5

电离子总量

EMU分析

6

正极总量

EMU分析

7

负极总量

EMU分析

 
评估步骤:

       数据采集:收集储能设备的相关数据,包括电池组的充放电循环数据、温度数据、电压数据等。这些数据可以通过传感器、监控系统或其他数据采集设备获取。
       特征提取:从采集到的原始数据中,提取与设备健康状态相关的特征。这些特征可以包括电池组的容量衰减情况、内阻变化、温度变化等。可以使用信号处理、统计学方法或机器学习算法进行特征提取。
       预处理:对提取到的特征进行预处理,包括数据清洗、去噪、归一化等。这一步旨在消除异常数据和噪声,使得后续的分析更加准确可靠。
       健康评估模型构建:根据已经提取和预处理的特征数据,采用神经网络算法建立储能设备健康评估模型。
       模型训练和验证:使用历史数据对构建好的健康评估模型进行训练,并使用验证数据进行模型的验证和调优。这一步旨在提高模型的准确性和泛化能力。
       健康状态预测:根据训练好的模型,输入当前储能设备的特征数据,预测其健康状态。可以根据预测结果进行相应的维护和管理策略制定,例如更换电池组、调整充放电策略等。
       健康报告生成:
每月形成智能分析报告,通过打分提示电站运行健康状态。

四、EMS的应用场景

       EMS是一套综合监控与能量管理一体化系统,可应用在电力、大工业、校园、商业楼宇、集控中心等多种场景,也可适应微电网、储能电站、新能源电站、充电站等多类型电站的能量管理和调度。
    1、零碳智慧园区+储能

       传统工业园区中设备较多,具有用电功率大、长时间高负荷、设备能耗大等特点。为达到减碳目标,智慧园区中可再生能源被大量使用,但由于其不稳定性,会导致供电不足或过剩的情况,这时就需要储能系统来调节供需电平。
       在“智慧园区+储能”模式下,储能系统可以收集太阳能、风能等多余的电力,然后在主要用电时间供应到电网。这样不仅能够稳定电网,储能系统可以在紧急情况下向电网提供备用电力来保证园区的正常运转。且我国工业园区有较高的电价差,适用于储能项目的峰谷套利。
    2、商业综合体+储能
       商业综合体节能储能充电一体化实施方案是一种综合性解决方案,包括节能、储能、充电三个方面。通过采用节能技术和设备,减少商业综合体的能源消耗;在商业综合体安装分布式新能源电站,通过储能设备将电能储存起来,供商业体使用,从而减少对传统能源的依赖。此外,通过储能设备,还可以在商业体的停车场、地下车库等地方设置充电桩,为新能源汽车提供充电服务。
    3、数据中心+储能
       在“双碳”战略实施下,低碳数据中心将是未来的发展趋势,“可再生能源+储备合一+虚拟电厂”,是数据中心可能实现碳中和的一种方式之一。通过数字化、智能化技术,使得分布式能源、储能、负荷深度融合,通过建立虚拟电厂上层平台的聚合作用,使得数据中心负荷、可再生能源电源、储能成为有机整体,达到区域内的自发自用、自我管理的能源自治域,真正实现碳中和数据中心。
       在此过程中,储能系统通过削峰填谷、容量调配等机制,提升数据中心电力运营的经济性,增强数据中心的供电可靠性,在低碳节能的同时,可有效防止数据中心偶然断电导致数据丢失,提高供电系统安全性及稳定性。
    4、光储充一体化
       随着新能源汽车行业的快速发展,充电需求亦在同步增长,而目前我国的充电桩市场仍有极大空缺。作为绿色经济的一种新尝试,“光储充一体化充电站”具有广阔的发展前景。
       光储充电站内集光伏发电、大容量储能电池、智能充电桩等多项技术为一体,利用电池储能系统吸收低谷电,并在高峰时期支撑快充负荷,为电动汽车供给绿色电能,同时以光伏发电系统进行补充,实现电力削峰填谷等辅助服务功能,有效减少快充站的负荷峰谷差,有效提高系统运行效率。
    5、5G基站+储能
       为满足日益增长的5G基站数量与用电需求,同时为了减少资源浪费,电化学储能系统凭借柔性、智能、高效的技术特点使得其成为5G基站备用电源的合适选择。
       5G基站配储利用智能错峰,闲时充电、忙时放电,很好地解决了因供电问题导致5G基站建设无法顺利推进的痛点,有助于大力推广5G基站落地与6G技术发展。
    6、户用+储能
       越来越多的家庭开始安装光伏电站作为用能补充或电费收入来源,配置储能电站成为保障家庭用电安全稳定的重要措施。
       户用储能通常包括蓄电池、超级电容器和储热水箱等设备,可以将家庭自产的太阳能、风能等清洁能源进行有效的储存。这样做的好处是可以让家庭在需要的时候自给自足,同时也可以将多余的电力出售给电网,从而获得一定的经济收益。
       户用储能可以帮助家庭自给自足,不再依赖于电网,从而降低家庭用电成本。除了自给自足,户用储能还可以将多余的电力出售给电网,从而获得一定的经济收益。在电力质量差的时候,还能通过储存电能和提供电力支持等方式,提高电力质量。
    7、微电网+储能
       近年我国大力发展海岛建设,这些海岛生活着少数居民、守岛民兵,也有移动信号发射基站、海事雷达站等用电设备,在恶劣的自然环境下,常规的光伏发电或风力发电无法在这种场景下为海岛提供稳定可靠的电能。
       在这种海岛上安装离网型智能海岛微电网,利用能源管理系统精确协调控制发电、储能、用电工况,灵活调配各用户的连接方式,实现“源-网-荷-储”协调控制和经济运行。离网型智能海岛微电网不仅解决了岛上居民的用能难题,为海岛及海洋开发保护提供了供电保障,也为智能海岛微电网建设提供了技术范本。
    8、矿区+储能
       如石油勘探、煤矿等地区,无可靠固定、可连续供电的经济型电源。配置储能系统后,当电网侧发生故障或正常检修需要停止供电时,负荷侧由电池系统通过储能变流器将电池系统中的直流转换为交流为用户侧供电。
       在正常运行的过程中,用户侧从电网侧取电的时间段同电池组储能的时间段由系统控制器根据用电计费的峰、平、谷时段合理分配。海上油田电网为典型的孤岛电网,电源容量小,负荷容量大,大负荷启动瞬间以及电网故障会造成较大的频率波动。配置储能即可有效提升电力系统调频性能,保持频率稳定。
    9、应急储能电源
       高功率应急储能电源是新能源电池行业的一个细分领域,可简单理解为“超大号的充电宝”,其中便携式储能电源可应用于房车旅行、夜间垂钓、户外露营等户外场景。此外,在电网供电系统发生故障的情况下,应急储能电系统可为应急救援提供电力保障,可用于抢险、医院备用电源等多种场景。
    10、城市轨道交通+储能
       城市轨道交通储能系统是指,城市轨道交通车辆再生制动产生大量再生电能,引入储能系统回收再生电能并进行循环利用的过程,是未来建设节能型社会的要求与发展方向。
       城市地铁中应用最多的是飞轮储能。飞轮储能是利用电动机带动真空磁悬浮条件下的飞轮转子高速旋转来储能,转速提高时,进行充电,转速降低时,就可以放电。高功率密度、长寿命是它的技术特点,不仅可以在5毫秒内响应大功率充放电,而且充放电寿命更是高达上千万次。

五、总结

       储能EMS系统主要针对储能项目监控数据量大、运行方式多样等特点设计开发,基于一体化平台实现对储能一体化采集、一体化存储、一体化监控、一体化控制。具备可靠、易用、经济的特色;通过在多个工程项目的应用,充分验证其高可靠性、高安全性、高稳定性等功能特点。


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