储能行业 | BMS、EMS和PCS介绍及关联

零、绪论

  完整的电化学储能系统主要由：电池组、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、储能变流器（PCS）以及其他电器设备构成。

  在储能系统中，电池组将状态信息反馈给电池管理系统BMS，BMS将其共享给能源管理系统EMS和储能变流器PCS；EMS根据优化及调度决策将控制信息下发至PCS与BMS，控制单体电池/电池组完成充放电等。

• 电池管理系统BMS：担任感知角色，主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等；

• 能量管理系统EMS：担任决策角色，主要负责数据采集与转发、网络监控和能量调度等；

• 储能变流器PCS：担任执行角色，主要功能为控制储能电池组的充电和放电过程，进行交直流的变换。

一、什么是BMS（电池管理系统）？

  BMS（BatteryManagementSystem，电池管理系统），BMS电池系统俗称之为电池保姆或电池管家，是配合监控储能电池状态的设备，与电芯一起组成电池系统。

• BMS对电池的基本参数进行测量，包括电压、电流、温度等，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命。
• BMS需要计算分析电池的SOC（电池剩余容量）和SOH（电池健康状态），并及时上报异常信息。

  BMS系统大多都是三层架构，硬件主要分成从控单元、主控单元和总控单元。

• 底层：从控BMU，为单体电池管理层。由电池监控芯片及其附属电路构成，负责采集单体电池的各类信息，计算分析电池的SOC（电池剩余容量）和SOH（电池健康状态），实现对单体电池的主动均衡，并将单体异常信息上传给主控。

• 中间层：主控BCU，为电池组管理层。收集BMU上传的各种单体电池信息，采集电池组信息。计算分析电池组的SOC和SOH。

• 上层：总控BAU，为电池簇管理层。负责系统内部的整体协调以及与EMS、PCS的外部信息交互，根据外部请求控制整个BMS系统的运行过程。

BMS对电池的保护措施：

1、监测和控制电池的状态储能BMS可以监测电池的电压、电流、温度、SOC和SOH等参数，以及其他有关电池的信息。

2、SOC（State of Charge）均衡电池组使用期间，经常会出现电池SOC不平衡的情况，使得电池组的性能下降甚至导致电池故障。储能BMS可以通过电池均衡技术来解决这个问题，即通过控制电池之间的放电和充电，使所有电池单体的SOC保持一致。均衡时取决于电池的能量是耗散了还是在电池间转移了，又可以分为被动均衡和主动均衡两种模式。

3、防止电池过度充电或过度放电电池过度充电或过度放电是电池组件容易出现的问题，过多和过少的充放电都会使电池组元件受到损害。对电池进行过度放电和过度充电可能会导致电池组件容量减少，甚至使其无法使用。因此，储能BMS使用在电池充电时会对电池电压进行控制，保证电池的实时状态，同时在电池达到最大容量后停止充电。

4、确保系统远程监测和报警储能BMS可以通过无线网络等手段进行数据传输，将实时数据传送到监测端，同时可以根据系统的设定，定期发送故障检测和警报信息。储能BMS还支持灵活的报告和分析工具，可以生成电池及系统的历史数据和事件记录，以支持数据监视和故障诊断。

5、提供多种保护功能储能BMS可以提供多种保护功能，以防止电池短路、过流等问题的发生，并保证电池组件之间的安全通信。同时，它也可以检测并处理单元故障、单点失效等事故。

6、控制电池的温度电池的温度是影响电池性能和寿命的重要因素之一。储能BMS可以监测电池温度，并采取有效的措施来控制电池温度，防止温度过高或过低对电池造成损害。

总之，储能BMS可以对电池储能系统进行全面的监控和控制，确保它们的安全性、稳定性和性能，从而实现储能系统的最佳效果。此外，储能BMS还可以提高储能系统的使用寿命和可靠性，降低维护成本和操作风险，并提供更灵活、可靠的储能解决方案。

二、什么是EMS（能量管理系统）？

  EMS（Energy Management System）又称能量管理系统，虽然在整个储能系统中占比并不是很大，但是却是整个储能系统中极为重要的核心构件。

  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。

EMS能量管理系统构成一般分为设备层、通讯层和应用层。

• 设备层：需要能量采集变换（PCS、BMS）做支撑；
• 通讯层：主要包括链路、协议、传输等；
• 信息层：主要包括缓存中间件、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；
• 应用层：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，具体功能涵盖能量变换决策、能源数据传输和采集、实时监测控制、运维管理分析、电能/电量可视分析、远程实时控制等。

EMS的主体功能：由于场景不同，传统的EMS系统无法用在工商业储能，但工商业储能EMS功能方面和传统储能EMS有相似的地方，也有差异，一般包括：

• 系统概况：展示当前储能系统的运行概况，包括：储能充放电量、实时功率、SOC、收益，能量图，多功率运行图等，作为监测的主页面。

• 设备监控：按设备查看各类设备，包括不限于PCS、BMS、空调、电表、智能断路器、消防主机、各类传感器等实时运行数据，并支持设备调控。

• 运行收益：展示储能的收益和电量信息，是业主最关心的功能。、

• 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：查询设备的历史运行数据和相关报表，同时支持数据导出。

• 能量管理：EMS的核心功能，配置储能的策略，包括手动和自动等模式，满足调试，检修，日常运行，保养等场景需求。

• 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、什么是PCS（储能变流器）？

  储能变流器PCS，又称双向储能逆变器，是储能系统与电网中间实现电能双向流动的核心部件，用作控制电池的充电和放电过程，进行交直流的变换。

  **PCS工作原理：**储能变流器的工作原理是交、直流侧可控的四象限运行的变流装置，实现对电能的交直流双向转换。该原理就是通过微网监控指令进行恒功率或恒流控制，给电池充电或放电，同时平滑风电、太阳能等波动性电源的输出。

  PCS组成及特点：PCS由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、PCB板（印刷电路板）、电线电缆等硬件组成，其主要功能包括平抑功率、信息交互、保护等，PCS决定了输出电能质量和动态特性，也很大程度影响电池的使用寿命。

  PCS的主要功能包括过欠压、过载、过流、短路、过温等的保护、具备孤岛检测能力进行模式切换、实现对上级控制系统及能量交换机的通信功能、并网-离网平滑切换控制等。

PCS应用场景：按照应用场景的不同，PCS可以分为储能电站、集中式或组串式、工商业及户用四大类，主要区别是功率大小。

• 储能电站PCS的功率一般大于10MW，选取级联型多电平拓扑，采用IGBT模块设计，一般N个交流器安装到集装箱内部，支持多机并联运行，需变压器升压接入电网。

• 集中式PCS的功率在250KW以上，当前多采用两电平拓扑，同样采用IGBT模块化设计，使用功率器件较少，单机功率可达MW级，对系统可靠性要求较高。

• 工商业PCS的功率一般在250KW以下，当前多采用三电平拓扑，与分布式光伏相结合，可以实现自发自用，还可利用电网峰谷差价获利。

• 家庭户用PCS的功率在10KW以下，与户用光伏相结合，作为应急电源、电费管理等，对安全规范、噪声等要求较高。随着储能市场规模的不断扩大，储能系统PCS设备不再是简单的转换设备，而是要求具备更高的集成能力。未来，储能系统PCS将越来越倾向于集成设备，通过软件的开发、升级、优化，实现储能系统的智能化控制、安全性能保障等，从而实现储能技术在电网中的更好应用。