（1）電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成

BESS 主要由電池系統(tǒng)（Battery System, BS）、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power ConversionSystem, PCS）、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）、監(jiān)控系統(tǒng)等 4部分組成；同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，為便于設(shè)計(jì)、管理及控制通常將電池系統(tǒng)、PCS、BMS 重新組合成模塊化 BESS，而監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)、管理與控制一個(gè)或多個(gè)模塊化 BESS。圖 1-2 為 BESS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)是 BESS 實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和釋放主要載體，其容量的大小及運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著 BESS 的能量轉(zhuǎn)換能力及其安全可靠性。通過電池單體的串/并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)容量的擴(kuò)大，即大容量電池系統(tǒng)（Large Capacity Battery System, LCBS）。因受電池單體端電壓低、比能量及比功率有限、充放電倍率不高等因素的制約，LCBS一般由成千上萬個(gè)電池單體經(jīng)串并聯(lián)后而組成。由電池單體經(jīng)串/并聯(lián)成 LCBS 的方式較多，在實(shí)際開發(fā)與應(yīng)用中一種常用成組方式：先由多個(gè)電池單體經(jīng)串/并聯(lián)后形成電池模塊（Battery Module，BM），再將多個(gè)電池模塊串聯(lián)成電池串，最后由多個(gè)電池串經(jīng)并聯(lián)而成 LCBS。圖 1-3 為一種常用 LCBS 成組方式示意圖，電池系統(tǒng)由m 個(gè)電池串并聯(lián)而成，每個(gè)電池串由 n 個(gè)電池單體或模塊串聯(lián)而成。此外，在電池系統(tǒng)成組過程中常用成組設(shè)計(jì)原則是：電池模塊中電池單體的串/并聯(lián)個(gè)數(shù)以便于管理和更換為前提，同時(shí)兼顧電池管理系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)設(shè)備接口數(shù)目進(jìn)行成組；電池串中電池模塊的串聯(lián)個(gè)數(shù)以電池串的端電壓設(shè)計(jì)要求而定；LCBS 中電池串的并聯(lián)個(gè)數(shù)由 BESS 的容量設(shè)計(jì)要求、冗余度及運(yùn)行模式等因素而定。

大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成組方式示意圖

2）功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

PCS 是一種由電力電子變換器件構(gòu)成的裝置，它連接著電池系統(tǒng)和交流電網(wǎng)，是 BESS 與外界進(jìn)行能量交換的關(guān)鍵組成部分。PCS 作為 BESS 的核心部分，其主要功能包括：一是兩種不同工作模式下（并網(wǎng)模式、孤網(wǎng)模式）對(duì)電池系統(tǒng)的充放電功能，并實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換；二是通過控制策略實(shí)現(xiàn) BESS 的四象限運(yùn)行，為系統(tǒng)提供雙向可控的有功、無功功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功、無功功率平衡；三是通過相關(guān)控制策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能，如黑啟動(dòng)、削峰填谷、功率平滑、低電壓穿越等；四是根據(jù) PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如單級(jí) AC/DC、雙級(jí) AC/DC+DC/DC、單級(jí)并聯(lián)、雙級(jí)并聯(lián)、級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)等），通過相關(guān)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)電壓和荷電狀態(tài)的均衡管理等?？傊琍CS 作為 BESS 中最重要的組成部分，其控制策略及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

3）電池管理系統(tǒng)

BMS 是一種由電子電路設(shè)備構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能有效地監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)的各種狀態(tài)(電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)等)、對(duì)電池系統(tǒng)充電與放電過程進(jìn)行安全管理（如防止過充、過放管理）、對(duì)電池系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警和應(yīng)急保護(hù)處理以及對(duì)電池系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制，并保證電池系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。BMS 系統(tǒng)是 BESS 中不可缺少的重要組成部分，是 BESS 有效、可靠運(yùn)行的保證。電池系統(tǒng)及其各級(jí)組成部分的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池系統(tǒng)是否能安全、可靠運(yùn)行以及對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確管理與控制的關(guān)鍵指標(biāo)，因此，準(zhǔn)確估計(jì)出電池系統(tǒng)及其各級(jí)組成部分的 SOC 是 BMS 最重要的功能之一，也是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

（2）BESS 的典型結(jié)構(gòu)

目前 BESS 的研究與開發(fā)還處于初級(jí)階段，并未存在完全統(tǒng)一、成熟的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與容量擴(kuò)大方式有關(guān)。當(dāng)前 BESS 容量擴(kuò)大主要有兩種方式：第一種方式是從擴(kuò)大單個(gè) PCS 容量角度出發(fā)，通過采用高壓、大電流變換器或級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)實(shí)現(xiàn) BESS 的擴(kuò)容；第二種方式是從系統(tǒng)角度出發(fā)，采用多個(gè)模塊化 BESS 并聯(lián)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn) BESS 的擴(kuò)容。雖然第一種方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且較適合高壓大容量系統(tǒng)，具有一定發(fā)展?jié)摿?，但因受電力電子器件發(fā)展水平、投資成本及控制技術(shù)等因素制約，在目前實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模 BESS 較少采用第一種方式。

對(duì)于第二種方式，從目前 BESS 在電力系統(tǒng)中的工程應(yīng)用情況來看，根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)BESS 的接入方式、功率等級(jí)及放電持續(xù)時(shí)間等方面來分，其典型結(jié)構(gòu)主要有：低壓小容量 BESS、中壓大容量 BESS、高壓超大容量 BESS，圖 1-4 為 3 種 BESS 典型結(jié)構(gòu)圖。圖 1-4（a）為低壓小容量 BESS，系統(tǒng)由一個(gè)模塊化 BESS 構(gòu)成，一般直接接入 400V 交流電網(wǎng)中，額定功率通常在 500kW 及其以下，可放電持續(xù)時(shí)間為1~4h，可用于微網(wǎng)主電源、小區(qū)或樓宇儲(chǔ)能、小型可再生能源并網(wǎng)等場(chǎng)合；圖 1-4（b）為中壓大容量 BESS，它是將多個(gè)模塊化 BESS 并聯(lián)后再經(jīng)升壓設(shè)備接入 10kV或 35kV 電網(wǎng)，通常其額定功率在 10MW 及其以下，可放電持續(xù)時(shí)間為 1~4h，可用于電能質(zhì)量治理、削峰填谷、備用電源及可再生能源并網(wǎng)等場(chǎng)合；圖 1-4（c）為高壓超大容量 BESS，它是將多個(gè)模塊化 BESS 并聯(lián)后經(jīng)低壓升壓設(shè)備組成中壓大容量 BESS，再將多個(gè)中壓大容量 BESS 并聯(lián)后經(jīng)高壓升壓設(shè)備接入 35kV 或 110kV電網(wǎng)，通常其額定功率在 10MW 以上，可放電持續(xù)時(shí)間為 15min~6h，適用于削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、備用電源及可再生能源并網(wǎng)等場(chǎng)合。

從以上幾種 BESS 典型結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析可以看出，BESS 的擴(kuò)容其本質(zhì)是將多個(gè)模塊化 BESS 并聯(lián)運(yùn)行，具有易線性擴(kuò)展、可即插即用、可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求而靈活選擇各模塊化 BESS 間的安裝距離，即可方便地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)（Distributed Battery Energy Storage System, D-BESS），提高了系統(tǒng)可靠性。因此，模塊化BESS并聯(lián)運(yùn)行將是實(shí)現(xiàn)大容量BESS有效方式之一。