储能系统更高效！支持PCS/BMS同时在环测试-北极星储能网

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1.储能BMS与PCS之间关系

储能系统通常由电池组、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、储能变流器（PCS）这四个关键设备组成。其中储能BMS与PCS存在着密切的联系和互补关系，二者在储能系统中各自承担着不同的功能但相互协作共同实现对储能系统的全面管理和控制。未来随着储能技术的不断发展和应用需求的不断提高，BMS和PCS逐步向智能化、集成化和模块化方向发展。BMS和PCS之间的交互性能和质量将直接影响到整个储能系统的安全性和可靠性，因此有必要加强对BMS和PCS的组成的储能系统的整体性能和可靠性进行控制器硬件在环测试。

01BMS概述

BMS是电动汽车和储能系统中的关键组件，负责监控电池的电压、电流、温度等参数，并执行能量计算、寿命预估、热平衡、充电控制和高压安全等任务。BMS的架构组成主要包括BMU主控器、CSC从控制器。BMU主控器负责处理来自各个从控单元的数据，执行状态估计、故障诊断、充放电控制等算法，并与其他系统进行通信；CSC从控制器负责监测一定数量的单体电池，并采集电压、电流和温度数据，执行均衡控制，并将这些信息发送给主控单元。

02PCS概述

PCS是电池与电网的接口，根据功率指令控制变流器对电池进行充电或放电，其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。目前储能PCS主要有组串式和集中式两种技术路线。

组串式

集中式

2.储能系统测试方案

传统储能系统测试只关注PCS本身并网性能测试或BMS系统的标准测试，并未考虑BMS和PCS之间的交互影响。远宽提供的储能系统测试方案支持PCS控制器和BMS控制器同时在环测试，能完成PCS、BMS标准测试以及两者这间交互功能测试。本次测试方案主要设备包括实时仿真器、电池模拟器，PCS控制器，BMS控制板：系统整体架构如下图：

实时仿真器的CPU仿真海量高阶电池模型，单体电池电压和温度、总电压和总电流通过通信（Modbus/CAN）发送至电池模拟器；电池模拟器内置的电池模拟板卡可提供多个电池正负极端口，每个端口的电压由仿真器的电池电压指令控制，且端口的电流通过通信（Modbus/CAN）反馈给仿真器。BMS控制板通过真实的线缆和电池模拟器连接，BMS控制板通过采集单体电池电压、温度、总电压和电流，执行电池状态估计算法以及故障报警等。

实时仿真器FPGA以1us的小步长仿真多台 PCS 拓扑。PCS控制器采集仿真器发出的并网点电压和电流并执行控制算法，输出的PWM信号通过IO传递给仿真器，控制仿真器中的DC/AC变流桥。

由于仿真器同时实现了对PCS变流桥和电池模型的仿真，可以体现这两个部分的实时互动，在一个更真实的环境里对BMS和PCS控制器进行联合测试。

仿真器中的电池模型

电池模型基于5阶RC等效电路模型搭建，等效电路图如下图所示。

基于Matlab/Simulink搭建，用户封装图如下图所示：

具备如下功能特点：

✦ 支持自由设置电池串联个数；

✦ 支持任意仿真步长设置；

✦ 支持电池老化建模；

✦ 支持电池主/被动均衡；

✦ 支持热效应和冷却系统建模；

✦ 支持单体电池电压和温度置数；

✦ 支持单体电池电压和温度输出。

3.支持测试项

01BMS支持测试项

参照国标GB/T 34131-2023《电力储能用电池管理系统》，本测试方案支持的测试项如下表所示，不包含BMS本身的测试项，比如高低温运行。

检验项目	检验项目
电池单体电压	总电压
总电流	温度
绝缘电阻	SOC/SOE 估算误差
均衡功能	控制功能
保护功能	通讯
故障诊断	数据存储
绝缘耐压	直流供电
信号与负载回路短路

02PCS控制器支持测试项

参照国标GB/T 34120-2023《电化学储能系统储能变流器技术要求》，本测试方案支持的测试项如下表所示，不包含PCS控制器本身的测试项，比如电气安全和环境适应性等测试。

检验项目	检验项目
功率输出范围	有功功率控制
一次调频功能	惯量响应功能
无功功率控制	过载能力
充放电转换时间	并离网切换时间
电流纹波	电压纹波
谐波电流	谐波电压
直流分量	电压偏差
电压不平衡度	电压波动和闪变
动态电压瞬变	低电压穿越
高电压穿越	连续故障穿越
电压适应性	频率适应性
频率变化率适应性	防孤岛保护

4.系统设备及DEMO介绍

01 DEMO设备介绍

如下图为BMS+PCS控制器硬件在环测试现场图：

实时仿真器

远宽MT 8020仿真器的CPU为8核Intel Xeon，单核可以1ms仿真步长模拟1000个高阶锂电池模型；FPGA型号为Xilinx KU115，逻辑资源丰富，具备多逆变器电力电子系统并行仿真能力。

MT 8020的FPGA以1us的仿真步长模拟4台PCS并网拓扑，CPU以1ms的步长仿真4个电池包模型，其中每个电池包含2簇，1簇由20个电池模组组成，每个电池模组包含24串锂电池。

电池模拟装置

电池模拟装置采用恩智N9000平台，分为电池模拟板卡、电阻卡、可编程高压电源以及双向电源，单机箱可模拟32个电池+32个电池故障模拟+36个NTC电阻+1个总压模拟，指令响应速度可≤1ms，双向电源支持双象限无缝切换，待测物与电网间电流双向流动功能。

电池模拟器将受实时仿真器的控制，实时仿真器将把电池模组的单体电芯电压、温度以及模组电压、电流指令通过Modbus TCP通信发送至电池模拟器，电池模拟器模拟24个电池的电压和6路温度以及模组电压和电流，并通过线缆连接到BMS。

待测控制器

BMS控制器和PCS控制器为待测对象，正常由用户提供，应具备正常的控制器功能。

此DEMO中PCS控制器为远宽能源的 MT 1070 原型控制器来替代真实工业PCS控制器。DEMO中的BMS为实物BMS，BMS采样端口电压和电流，执行电池状态估算和均衡控制，并把电池状态信息通过CAN传至 BMS的上位机软件，同时其对电池的继电器控制连接到MT 8020上的DI（数字输入），以此控制仿真器中的电池模型中的继电器开关。

02BMS测试DEMO

测试参照国标GB/T 34131-2023《电力储能用电池管理系统》，进行了数据采集和SOC估算、电池均衡、电池故障报警测试。

■ 数据采集和SOC估算测试

系统启动后，观察仿真器上位机的电池运行状态和BMS上位机中监测的是否一致，以此测试BMS采集电路的精度和SOC估算的准确度。实测结果如下图所示，可以发现实时仿真器和BMS上位机显示的基本一致。

■ 电池均衡测试

系统启动后，把电池1和电池13的电压置高，使电池压差大于阈值，观察BMS是否会启动均衡控制。实测结果如下图所示，可以看到仿真器上位机中电池1和13的均衡电流变为87mA，同时BMS上位机的均衡状态显示正在进行，表明此时BMS的均衡控制已启动。

■ 电池故障报警测试

系统启动后，给电池模拟器下发电池正极或负极开路指令，观察BMS是否会发出对应报警。实测结果如下图所示，设置电池5和电池17发生正极开路故障后，可以看到右侧第5和第17电池电压为0，同时发出电压过低3级和压差过大报警报警。

03PCS测试DEMO

测试参照GB/T 34120-2023《电化学储能系统储能变流器技术要求》，进行了功率控制和交流侧电压电流畸变率测试。

■ 功率控制测试

系统启动后，通过改变PCS控制器的有功和无功指令，观察实际有功和无功波形是否具备四象限运行能力。以第一台PCS为例，实测结果如下图所示，可以看到有功和无功都可以正负运行，表明PCS控制器具备四象限功率控制能力。

■ 交流侧电压电流畸变率测试

系统启动达到稳态后，观察并网点的交流侧电压和电流的THD，是否<3%。实测结果如下图所示，可以看到电压和电流三相对称无谐波，且THD都小于3%，表明PCS控制器可通过交流侧电压电流畸变率测试。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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