牛建娜，周 友，吳 峂

（北京低碳清潔能源研究所，北京102209）

內燃機車柴油機在裝車前，都要經過多種性能試驗：磨合試驗、調整檢查試驗、驗收試驗等。目的是測試柴油機性能參數(shù)，判斷機車各部件運行是否可靠，控制特性和功率特性是否滿足要求，按鐵道部機車檢修規(guī)程要求，內燃機車的中修周期為23 萬～30 萬千米，大修周期為70 萬～90 萬千米[1]。圖1所示的水阻測試系統(tǒng)是國內內燃機車試驗及檢修必不可少的手段，如圖1所示，柴油機內柴油燃燒所產生的熱量經過整流器轉換為直流電，然后又以熱的形式消耗在水中。

圖1 柴油機水阻測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagrammatic layout of hydraulic resistance test system for diesel locomotive

據(jù)不完全統(tǒng)計，一臺中小型柴油機在功率測試過程中轉化成熱而浪費掉的能量如果全部轉化為電能，可達到生產這臺柴油機所用電能的1/3 左右[2]。由此可看出，水阻試驗存在以下幾個缺點：①浪費了大量的工業(yè)用水；②浪費了寶貴的電能；③金屬極板腐蝕嚴重。為了高效回收或循環(huán)利用這些能量，如今比較成熟的直流電動機-交流發(fā)電機組式電力回收方式（機組回收法）已在鐵路多家工廠得到了應用， 但機組回收法具有造價高、效率低、噪音大、機械磨損大、操作復雜、起停不易等缺點[3-4]。

本文提出了一套新型的應用于柴油機測試平臺的嵌入式儲能系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)可以通過電力轉換裝置將柴油機測試過程產生的能量存儲于儲能電池組中，這些被回收的電能再經由變壓器饋入當?shù)仉娋W。下文以一個實際的能量回收項目為例，介紹了嵌入式儲能系統(tǒng)的主要功能及儲能系統(tǒng)核心設備間的協(xié)同工作模式。

圖2 嵌入式儲能系統(tǒng)在示范項目中的體現(xiàn)Fig.2 The embedded energy storage system in energy harvesting demo

1 項目概述

項目采用了一套新型的嵌入式儲能系統(tǒng)對柴油機測試過程中浪費的能量進行了回收，該系統(tǒng)由儲能電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量轉換系統(tǒng)（PCS）及監(jiān)控系統(tǒng)等關鍵設備組成，能量回收項目組成架構如圖3所示。由圖3 可看出，項目整體規(guī)模為200 kW/560 kW·h，由2個100 kW/280 kW·h的儲能分系統(tǒng)構成了基本的儲能單元，監(jiān)控系統(tǒng)對兩套并聯(lián)的儲能單元進行協(xié)調控制，回收柴油機測試過程中產生的能量。

圖3 200 kW/560 kW·h 能量回收項目系統(tǒng)架構Fig.3 Architecture of energy harvest demo

2 嵌入式儲能系統(tǒng)設計及功能描述

2.1 儲能電池系統(tǒng)及電池管理系統(tǒng)

2.1.1 儲能電池系統(tǒng)

表1 列出了目前國內儲能系統(tǒng)常用的幾種儲能電池的性能參數(shù)，從中可以看出鉛酸電池具有成本低、循環(huán)壽命長、安全性高等優(yōu)點。所以考慮到經濟性及安全性因素，本項目的儲能電池系統(tǒng)由兩組鉛酸電池構成，每組電池又由350 支2 V/400 A·h 的單體電池串聯(lián)組成。

表1 4 種主要儲能電池的參數(shù)[5]Table 1 Parameters of four main energy storage batteries[5]

儲能電池系統(tǒng)采用整體化的設計方案，將每套280 kW·h 的儲能電池組放置于標準的20 尺（1m=3尺）集裝箱內。圖4 顯示了電池組在集裝箱內的排布方式，儲能電池組的每支單體電池采取臥放排布方式放置于集裝箱兩側的電池架上，兩列電池之間預留了足夠空間以供后期操作及維護使用。電池管理系統(tǒng)（BMS）控制柜位于集裝箱左側，儲能電池組的風道位于電池支架背面，可以將空調產生的風量均勻導向每個電池，確保電池在最佳溫度下使用。

2.1.2 電池管理系統(tǒng)（BMS）

圖4 儲能電池系統(tǒng)布局圖Fig.4 Layout of 280 kW˙h energy storage battery system

（1）電池管理系統(tǒng)的架構設計 電池管理系統(tǒng)分兩級結構，即電池管理單元（BMU）和電池組管理單元（ESMU）。BMS 兩級結構的具體分工為：BMU 采集電池串中各單元單體電池的電壓、內阻、溫度等參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)和判斷結果發(fā)送到ESMU，BMU也可實現(xiàn)電池串中單元電池之間的均衡；ESMU 結合電池前一個狀態(tài)信息對當前的數(shù)據(jù)進行分析，得到電池串當前的狀態(tài)信息，主要包括估算電池串的SOC、過壓欠壓判斷、過流判斷、過充過放判斷、過溫判斷等。ESMU 可在各電池串之間進行均衡，從而實現(xiàn)電池串內所有單體電池間的均衡管理[6-7]。

如圖5所示，應用于本項目的BMS 共有14個BMU，每個BMU 模塊支持25 支單體電池組成的電池串的信息采集。BMS 將采集的電池信息通過通訊接口上傳至PCS，PCS 依據(jù)電池的狀態(tài)信息對儲能電池組采取相應的指令進行保護。

圖5 電池管理系統(tǒng)結構圖Fig.5 Architecture of BMS

（2）電池管理系統(tǒng)（BMS）的功能 電池管理系統(tǒng)作為儲能電池系統(tǒng)的重要組成部分，是用于監(jiān)測、評估及保護電池運行狀態(tài)的電子設備集合[8-12]，電池管理系統(tǒng)的主要功能有：①實時監(jiān)控電池、電池組的運行工況并將數(shù)據(jù)上傳至PCS 及儲能監(jiān)控系統(tǒng)；②對單體儲能電池進行過充或過放的安全保護；③緊急情況的報警；④接受監(jiān)控系統(tǒng)的運行調度。

2.2 能量轉換系統(tǒng)（PCS）

2.2.1 能量轉換系統(tǒng)的結構

應用于能量回收項目的PCS 是含有DC/DC（直直）模塊和DC/AC（直交）模塊的雙極式結構，該結構的DC/DC 環(huán)節(jié)主要進行升降壓變換，DC/AC模塊可以將直流電能轉為恒壓恒頻的交流電能直接并網。圖6～圖8 體現(xiàn)了3 種基于儲能應用的能量轉換系統(tǒng)的結構。

（1）圖6 中，電池組的充放電裝置與PCS 的中間直流環(huán)節(jié)相連；圖7 中，電池組的充放電裝置與PCS 的交流側輸出端相連。由圖6 和圖7 可以看出，基于分布式發(fā)電應用的傳統(tǒng)PCS，儲能電池組需要通過在直流側添加DC/DC 模塊或在交流側添加DC/AC 模塊才能接到電網。

圖6 直流側接入儲能電池的PCS 在分布式發(fā)電中的應用Fig.6 Diagrammatic layout of PCS with DC connected energy storage battery in distributed generation

圖7 交流側接入儲能電池組的PCS 在分布式發(fā)電中的應用Fig.7 Diagrammatic layout of PCS with AC connected energy storage battery in distributed generation

（2）而圖8所示的新型嵌入式儲能系統(tǒng)則可省掉DC/DC 模塊或DC/AC 模塊，儲能電池組直接嵌入到PCS 系統(tǒng)，與其直流環(huán)節(jié)相連實現(xiàn)分布式發(fā)電。

圖8 直接接入儲能電池的PCS 在分布式發(fā)電中的應用Fig.8 Diagrammatic layout of PCS with direct connected energy storage battery in distributed generation

通過上述應用方案的對比，可看出本文提出的嵌入式儲能結構極大提高了系統(tǒng)的集成度，并優(yōu)化了系統(tǒng)的成本。

2.2.2 能量轉換系統(tǒng)的模式功能

應用于內燃機車柴油機測試過程能量回收的能量轉換系統(tǒng)，作為嵌入式儲能系統(tǒng)的核心設備，能夠將柴油機測試過程中產生的能量存儲在大容量儲能電池組中，也可以根據(jù)廠區(qū)實際需求，將這些能量經由380 V 并網點并入電網。

能量轉換系統(tǒng)在運行過程中根據(jù)廠區(qū)實際負載需求有4 種工作模式：①內燃機直接向負載供電；②內燃機為蓄電池組充電；③蓄電池組并網充電；④蓄電池組并網放電。

2.2.3 能量轉換系統(tǒng)的通訊功能

PCS 與BMS 間具有通信接口，可接收BMS 發(fā)送的蓄電池狀態(tài)量及告警信息等，包括蓄電池組可充電電量、蓄電池組可放電電量、蓄電池組狀態(tài)等。PCS 接到BMS 告警或保護信息后會采取相應的動作對蓄電池進行保護。

PCS 除了與BMS 進行通訊，也可以與監(jiān)控系統(tǒng)進行信息交換。PCS 將自身的運行狀態(tài)上送至監(jiān)控系統(tǒng)，也可以接收監(jiān)控后臺下發(fā)的命令及定值進行相應的操作。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

2.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)采集的信息

儲能監(jiān)控系統(tǒng)可采集的信息包含內燃機、儲能電池、電池管理系統(tǒng)、能量轉換系統(tǒng)及電網負載在內的動態(tài)信息。圖9 顯示了監(jiān)控系統(tǒng)的接線界面圖，在柴油機測試過程中，通過此界面可以看出回收能量的狀態(tài)信息，包括回收能量的流向及負載對能量的使用情況等。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)接線界面圖Fig.9 Surface chart of wiring layout for monitoring system

2.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的功能

儲能監(jiān)控系統(tǒng)是整個儲能系統(tǒng)的高級監(jiān)控樞紐，負責監(jiān)控整個儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過對電池系統(tǒng)、能量轉換系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等設備進行全面監(jiān)控，實時采集有關設備運行狀態(tài)及工作參數(shù)并上傳至上級調度層，從而保證儲能系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)[13]。監(jiān)控系統(tǒng)在能量回收項目中的主要功能包括：①顯示測控裝置以及PCS 上傳的詳細信息；②對PCS 下發(fā)遙調命令供PCS 做4 種模式的功率控制；③記錄歷史數(shù)據(jù)。

2.3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的控制策略

儲能監(jiān)控系統(tǒng)在實際運行中會根據(jù)柴油機測試功率及廠區(qū)負載功率等實際情況采取不同的控制策略使儲能系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運行，圖10 以內燃機給電網放電的工作模式為例，體現(xiàn)了這一工作模式的運行控制策略。

圖10 內燃機給電網放電的運行控制策略Fig.10 Control strategy of internal-combustion engine providing power to grid

3 嵌入式儲能系統(tǒng)的仿真與實驗分析

為了驗證文中嵌入式儲能系統(tǒng)在能量回收項目中運行的穩(wěn)定性，通過Matlab 軟件對100 kW 的儲能系統(tǒng)建模進行了全電路仿真，圖11 顯示了儲能系統(tǒng)在80 kW 交流負荷工況下運行的仿真波形圖，仿真結果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。圖12 是儲能系統(tǒng)實驗的三相電流波形圖，第一階段：內燃機給儲能電池組電池充電，電池組處于浮充狀態(tài)。第二階段：隨著內燃機輸出功率的增加，嵌入式儲能系統(tǒng)開始為交流負荷供電。第三階段：內燃機分別向電網和儲能電池系統(tǒng)供電。

圖11 能量回收系統(tǒng)各階段的仿真波形圖Fig.11 Simulation waveforms of energy storage system in energy harvesting demo

圖12 能量回收系統(tǒng)三相交流電流波形Fig.12 Waveform of three phrase current of energy harvesting system

4 結 論

隨著經濟的高速發(fā)展，資源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類社會進步的重要因素，開發(fā)高效的儲能裝置對可再利用能源充分回收并有效使用就顯得尤為迫切。文中提出了一套應用于柴油機車測試平臺能量回收的新型嵌入式儲能系統(tǒng)，詳細描述了系統(tǒng)架構、設備組成及其功能，并對這套系統(tǒng)運行的過程進行了仿真實驗，證明了該系統(tǒng)在能量回收過程中運行穩(wěn)定可靠。這套儲能系統(tǒng)在柴油機車測試領域的應用，可以有效地解決測試過程產生的能源浪費及環(huán)境污染問題，具有重要的社會效益和經濟效益。

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