储能架构学习笔记一

Posted 2023-04-05 Asen学习笔记

文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、 储能系统架构
• 二、电池
• 三、应用
• 总结

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、储能系统架构

电池储能系统(Battery Energy Storage System, BESS),主要由储能电池，功率转换(Power Conversion System, PCS)，电池管理(Battery Management System, BMS),能量管理(Energy Management System)等几部分组成（常用拓扑结构如图1所示）。

图1 储能系统图

电池是实现电能存储与释放的载体，其中磷酸铁锂电池具有能量密度高、循环寿命长、能量效率高等特点，使用最为广泛。

储能电池系统组成：数只电芯(Cell)串并联组成电池组(Module)，电池组经过串联组成电池簇(Rack),各电池簇相并联，构成大规模的电池储能系统。

电池管理系统负责对电池进行实时监测和管理，监测电池的电压、电流、温度、荷电状态、健康状态等，对电池充放电过程进行安全管理，防止过冲、过放，对可能出现的故障进行报警和应急处理，保证电池系统安全、稳定、可靠运行。

完整的储能系统BMS应包含电池组BMS、电池簇BMS、系统BMS，尤其是对大规模储能系统，三级BMS能最大程度上避免电压不均衡及其导致的过冲与过放。

储能变流器(PCS),是电池与电网或交流负载的接口，它不仅决定了储能系统输出的电能质量和动态特性，还在很大程度上影响电池的寿命。

根据PCS的级数不同，工频升压型PCS可以分为单级式和双级式。其中单级PCS根据输出电平又分为两电平、三电平、多电平，电平数量越多，输出电能质量越高。

单级式PCS效率高，结构简单，针对目前大规模应用的锂电池储能系统，单级式、三电平PCS应用最为广泛。

EMS具备系统监控功能、系统协调优化功能。EMS是独立BESS之外的上层“指挥”系统，向上可接入规模更大、更高级的EMS，接受其工作指令和参数设置，向下可调度储能本地控制器，实现能量调度与功率控制。

EMS总体架构可分为支撑平台和应用软件。支撑平台主要包括测量终端、传输通道、计算机、数据库等。应用软件包含数据采集与监控、能量管理、网络分析（储能系统控制结构如图2所示）。

 

图2 储能系统控制示意图 

二、电池

在UPS的使用历史中，铅酸电池一直作为其储能载体。但近几年来，随着锂电池的快速发展，在使用寿命、能量比等方面，明显优于铅酸电池，UPS储能电池已不仅限于使用铅酸电池了，锂电池也逐渐成为许多厂家备选项。

在大规模储能应用领域，磷酸铁锂一直处于主导地位，以下为电池参数内容：

1） 电池容量

它表示电池充满电后，在一定放电率、温度、终止电压等条件下，电池放出的电量，通常定义为1h将电池完全放电的能量，单位为Ah。

2） 充放电倍率(C)

表征电池的充放电流大小，电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。充放电倍率对电池性能衰减速度影响很大,即充放电倍率越大,电池性能衰减速度越快。

3） 荷电状态(SOC)

电池可用容量占全部容量的百分比。需要注意的是，SOC的计算要考虑电池的衰减，若用初始额定容量计算，SOC的误差会越来越大。

4） 放电深度

该参数通常是在放电模式下使用。定义为释放的电能占全部容量的百分比。放电深度越深，电池寿命越容易缩短，电压和电流就越不稳定。

5） 能量密度

体积能量密度：单位体积的电池充满电时的可用能量，单位Wh/L；重量能量密度：单位重量的电池充满电时的可用能量，单位是Wh/kg。磷酸铁锂电池能量密度一般在150Wh/kg左右，铅酸一般在60Wh/kg左右。

6） 充电效率

电池充电发生化学反应时会产生损耗，其大小等于充电能量与放电能量之间的差值。这些损耗主要是通过发热消耗掉的。

 

三、应用

UPS通过对市电整流后，给蓄电池充电，再将蓄电池直流电逆变器后供电，以达到在市电断电之后，能为负载提供稳定、不间断的电源，避免因市电中断、谐波干扰、电压或频率异常而带来的设备故障、硬件损毁、数据丢失等安全风险。因此，UPS电源的应用越来越广泛，几乎遍布所有的行业。

电池储能系统的应用场景囊括电力生产、电力传输、电力消费等。由于其响应时间短、调节速度快、调节精度高等特点，已在在火储联合调频、新能源辅助电源、微电网智能调节等方面广泛应用。

在火储联联合调频应用中，充分发挥储能响应时间短、调节速度快和调节精度高的特长，可整体提高机组的调节性能指标，获得较好的经济效益。

在辅助新能源方面，加入储能可起到削峰填谷、一次调频、提高预测精度、平抑短时波动的功用。

在微电网方面，储能的接入可以改善弱电网供电品质，能提高柴油发电机的燃油效率等。

通过以上分析，储能与UPS主要区别在应用场景上。因应用场景的差异，导致他们在结构、储能载体、控制功能上存在较大的区别。在了解他们的区别前提下，在实施具体项目时，尤其是那些特殊应用场景，可综合各自特点，增加方案的灵活性。

 

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电子电路学习笔记（11）——滤波电容

一、简介

滤波电容是指安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件。由于滤波电路要求储能电容有较大电容量，最常用的为数百至数千微法的电解电容。所以，绝大多数滤波电路使用电解电容。电解电容由于其使用电解质作为电极（负极）而得名。

电解电容的一端为正极，另一端为负极，不能接反。正极端连接在整流输出电路的正端，负极连接在电路的负端。在所有需要将交流电转换为直流电的电路中，设置滤波电容会使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰。滤波电容在电路中的符号一般用“C"表示，电容量应根据负载电阻和输出电流大小来确定。为了获得良好的滤波效果，电容放电必须慢，电容放电越慢，输出电压就越平滑、滤波效果就越好。而电容放电的快慢跟电容的容量C和负载R有关，C和R越大,电容放电就越慢。

二、电感滤波与电容滤波

电感的阻抗与频率成正比，电容的阻抗与频率成反比。所以，电感可以阻扼高频通过，电容可以阻扼低频通过。电容和电感的很多特性是恰恰相反的。二者适当组合，就可过滤各种频率信号。如在整流电路中，将电容并在负载上或将电感串联在负载上，可滤去交流纹波。

• 电容滤波：
  属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，输出电压高，接近交流电压峰值；适用于小电流，电流越小滤波效果越好。

• 电感滤波：
  属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，输出电压低，低于交流电压有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好。

三、低频滤波和高频滤波电容

一般情况下，电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。

• 低频滤波电容：
  主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz。50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。
  为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。

• 高频滤波电容：
  主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。
  这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

四、电源滤波电容大小对电压的影响

4.1 电容滤波电路原理

当输入脉动电压U高于滤波电容两端电压时就对电容充电，而当输入脉动电压U低于滤波电容两端电压时，滤波电容开始放电承担对负载提供电量的责任，补偿了输入脉动电压U的下降趋势，从而达到降低脉动电压的脉动程度（纹波系数）。

滤波电容越大，则滤波后的输出电压纹波越小。

4.2 滤波电容的容量越大就越好吗？

毫无疑问，容量越大则成本越高，但更重要的是，滤波容量大到一定程度，电容容量所带来的好处会越少。

1. 如桥式整流滤波，滤波电容的容量从10uF到100uF，纹波电压改善是64V-22V=42V，从100uF到1000uF的纹波改善值为22V-4.24V=19.6V，而从1000uF到4700uF的纹波改善值就只有4.24-1.35=2.89V了，如下图所示：
   
   很明显可以看到，滤波电容的容量越大，相应的纹波电压是下降了，但是滤波电容越大，则能够获得的好处就更少了，从经济学的角度看，就是边际效益越小（性价比低），不值得这么做；

2. 滤波容量过大的必要性。如果一件事情没有执行的必要，那我们就没有必要去执行，这看来是句废话，然而这也是电路设计中遵循的适用性法则（够用就好）。滤波电容存在的目的：降低交流脉动电压（纹波系数），而不是用来输出稳定的电压；

3. 滤波电容过大的可行性。滤波电容的容量过大，则充电电流（纹波电流）也会越大，过大的纹波电流对电路系统是一个致命的伤害。纹波电流（Ripple current），它的定义是：在最高工作温度条件下，电容器最大所能承受的交流纹波电流的RMS值（有效值），并且指定的纹波为频率范围（100Hz～120Hz）的正弦波。

   纹波电流在电压上的表现就是脉动电压（纹波），电容器所能承受的最大允许纹波电流受温度、损耗角度及交流频率等参数的限制，在数据手册中通常用 IR来表示，如下图所示的纹波电流（下图来自VISHAY铝电解电容038 RSU数据手册） ：

五、电源滤波电容的计算

电容的类似于水缸，一端在进水，一端在取水。电容充电是有一定的速度的，如果此时有一个人来取水（一个负载），那么进水和出水相互平衡，如果此时有一群人（多个负载）来取水，那么电容的电荷会供不过来。此时电容两端的电压就会出现波动（一会高一会低）。如果电容的容量越大，那么这种波动就会越小，供给负载的电压就会越稳定（不会随着负载的变多而抖动）。所以，储能滤波电容一般越大越好，但越大的电容越贵，所以电容的选择很有讲究。

5.1 影响纹波的因素

我们希望使用电容后，能使负载接收到一个比较稳定的电压，也就是纹波比较小，纹波就是电压的变化范围，这主要受两个因素的影响:

• **充电电压的频率或周期。**充电电压的频率表示的是对水缸取水的频率，是隔10秒取一次水还是隔5秒取一次水，即充电电压的频率。充电频率越快，表示对电容的充电效果越好，相同条件下纹波也会越小。
• **电容容值的大小。**如果电容容值很小，那么可能还没有等到下一次充电时间时，电容里面的电压（电荷量）就没有了，这样就会造成负载接收到的电压非常不稳定。

5.2 电容的计算公式

电容的选取还与放电电流的大小有关。
$$C=\frac{I_{out}}{\Delta V\times f}$$

• $I_{out}$：指的是电容的放电电流的大小，即电容后面电路的电流的大小。
• $\Delta V$：指的是从电容流出的电压的波动的大小，即纹波的最大电压和最小电压的差值。要先自己指定好纹波多大。
• $f$：指的是给电容充电的频率的大小。

注意：使用市电220V，在半波整流电路中，给电容充电的频率一般是50Hz；在全波整流电路中，一般是100Hz。 为什么这样呢？因为半波整流电路只会在正半周期给电容充电，而全波整流电路在正半周期和负半周期都会给电容充电。相当于一个周期充两次电。

5.3 电容容值计算案例

要求电压波动不超过0.9V，f=54KHz，Iout=100mA，计算电容是多少？
$$C=\frac{0.1A}{0.9V\times (54\times 10^3)Hz}\times 10^6=2.1uF$$
注：乘以10的6次方是将法拉单位转换为微法。

六、电源滤波电容的选取

采用电容滤波设计需要考虑参数：

• ESR
  电源滤波，开关电源，要看你的ESR（电容的等效串联电阻）有多大。

• ESL

• 耐压值
  电容的耐压值一般高于电容两端的最大电压的1.2–1.5倍，当然更高更好，但是实际中要考虑到电容的体积和价格，做均衡。

• 谐振频率
  高频电容的选择最好在其自谐振频率上。大电容是防止浪涌，机理就好比大水库防洪能力更强一样；小电容滤高频干扰，电容越小，谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高。任何器件都可以等效成一个电阻、电感、电容的串并联电路，也就有了自谐振，只有在这个自谐振频率上，等效电阻最小，所以滤波最好！

• 电容的大小
  平时做设计，前级用4.7uF，用于滤低频，二级用0.1uF（104电容），用于滤高频。
  4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰，
  0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰。
  一般低频滤波电容越大越好，两个电容值相差大概100倍左右。

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• 由 Leung 写于 2021 年 10 月 14 日

• 参考：【硬件电路设计】滤波电容
　　　　【转】详细解析电源滤波电容的选取与计算
　　　　【专题5: 硬件设计】 之 【2.电容】