电池储能系统直流母线设计：管理电池系统与电源管理系统之间的功率流

在电池储能系统中，电力并非直接从电池组传输到 PCS。

大型电池储能系统 (BESS) 可能包含多个电池分支或电池组，这些分支或电池组在同一电气架构下运行。这些分支需要以允许充放电功率在电池系统和电源控制系统 (PCS) 之间流动的方式连接，同时保持可控的电流分配和清晰的电气边界。

这时直流总线就显得很重要了。

直流母线提供了一条公共电气路径，用于汇集来自多个电池分支的电力，并将这些电力传输到PCS。充电时，同一路径反向传输电力，即从PCS到电池系统。

随着储能系统功率水平的提高，直流母线不再仅仅是两个设备之间的连接。它的电气布局会影响电流分配、电压降、故障行为、隔离以及不同电池支路与电源控制系统（PCS）的交互方式。

直流母线在电池储能系统中的位置

简化的储能系统功率路径可以表示为：

电池系统 → 直流连接 → 直流母线 → PCS → 交流系统

充电方向则相反：

交流系统 → PCS → 直流母线 → 电池系统

实际架构因系统容量、电池配置、PCS拓扑结构和集成方法而异。

电池储能系统（BESS）可以采用集中式直流母线、多母线段、独立电池支路或更模块化的布局。其目标相同：在电池侧和电源控制系统（PCS）之间提供可控的电气接口。

因此，直流母线位于各个电池电源路径和公共转换级之间。

这个位置赋予它以下几个功能：

• 汇集来自多个电池分支的电流
• 将充电电流分配到各个电池分支
• 为电池系统提供明确的连接点
• 建立电气隔离区
• 支持系统级保护
• 将电池侧电源路径与PCS连接

随着并联电池分支数量的增加，设计变得越来越重要。

为什么多电池分支会改变设计

单个电池分支的供电路径相对简单。

当多个支路并联时，直流母线需要处理合并电流，并为每个支路提供合适的电气路径。

例如，如果四个电池分支在特定运行条件下各提供 250 A 电流，则直流母线的公共部分可能需要承载大约 1,000 A 电流。

实际电流取决于电池系统的运行状态、控制策略、支路阻抗和其他系统条件。然而，该示例说明了一点：

不能仅根据一个电池分支的额定电流来确定公共母线部分的额定电流。

公交车的不同车厢也可能承载不同的电流。

分支连接可能只承载一个电池系统相关的电流，而靠近 PCS 的主母线部分可能承载几个分支的合并电流。

这就导致同一直流母线上不同点的电气需求不同。

直流母线上的电流分布

电流分布是储能系统直流母线设计中的核心考虑因素之一。

理想情况下，并联电池支路应该以可控和可预测的方式分配电流。

实际上，电流共享可能受到以下因素的影响：

• 电缆或母线电阻
• 连接电阻
• 分支长度
• 接触电阻
• 电池电压差
• 工作温度
• SOC差异
• 电阻抗
• 控制行为

如果一个支路的电阻抗低于另一个支路，则该支路可能承载更大的电流。

这会导致热负荷不均，并可能导致一些分支接近其极限运行，而其他分支的负荷则较轻。

因此，直流母线布局需要考虑的不仅仅是总电流。

分支连接、导线长度和连接点的物理布局也会影响电流的分配方式。

公交线路分段及连接点

随着储能系统规模的增大，单一不间断直流母线并不总是最实用的方案。

总线分段可以在系统中提供清晰界定的电气分区。

根据架构的不同，分段总线可以允许工程师进行以下分离：

• 电池分支组
• PCS连接部分
• 维护区域
• 保护区
• 隔离点

当系统包含多个电池分支时，这可以简化电气架构的管理。

例如，如果需要隔离某个电池分支进行维护，电气设计应允许断开该分支，而不会不必要地中断 BESS 的其他部分。

具体布置取决于系统架构和运行要求，但在设计可扩展的直流电源路径时，明确定义的连接点和隔离点非常重要。

控制直流母线上的电压降

随着电流和导线长度的增加，电压降变得越来越重要。

简化后的关系式是：

Vdrop = I × R

其中I为流过导体的电流， R为其电阻。

在储能系统中，电阻受导体材料、横截面积、长度、连接点和温度的影响。

因此，大电流直流母线需要在电气性能、物理尺寸、热性能和安装要求之间保持适当的平衡。

电压降不仅影响主母线。

各个电池分支与公共母线之间的连接也会导致 PCS 看到的总电压差。

因此，对于具有多个并联分支的系统，设计时应考虑完整的直流路径，而不是孤立地评估主母线。

直流母线和PCS接口

直流母线与PCS之间的连接是BESS电源路径中最重要的一点。

PCS需要在规定的直流电压和电流范围内工作。同时，电池系统电压在充电和放电过程中也会发生变化。

这意味着直流母线及其相关的电气连接需要适应电池系统的实际工作范围，而不是仅仅依赖于标称电压值。

PCS接口也需要支持双向功率流。

出院期间：

电池 → 直流母线 → PCS → 交流输出

充电期间：

交流输入 → PCS → 直流母线 → 电池

因此，在相关运行条件下，该总线需要支持双向电流。

这与设计简单的单向直流供电路径不同。

华盛顿特区公交车周围的保护区

直流母线也会影响储能系统中保护装置的布置方式。

保护措施应与系统的物理和电气结构相协调。

电池分支可能需要在其连接点附近进行保护，而公共总线和 PCS 接口可能具有不同的保护要求。

这样就形成了多个保护区，而不是将整个直流侧视为一个电气部分。

设计可能需要考虑以下因素：

• 各电池支路的故障电流贡献
• 公共直流母线上的故障电流
• 防护装置的位置
• 分支间的隔离
• 保护协调
• 直流中断要求
• 故障清除时间

其目的不仅仅是为系统增加保护装置。

保护措施需要与直流架构产生的实际电流路径和故障边界相对应。

当多个电池分支连接到同一总线上时，这一点就显得尤为重要。

直流侧的开关和隔离

可扩展的电池储能系统需要可控的方式来连接和断开电池电源路径。

可在特定点使用开关设备来支持正常运行、维护和故障隔离。

例如，当一个电池分支继续工作时，另一个电池分支可能需要保持电气隔离。

切换要求取决于设备的位置及其运行用途。

用于控制电池分支连接的设备可能与用于主直流电源路径的设备遇到不同的工作条件。

因此，开关组件应被视为整个直流母线架构的一部分，而不是独立的硬件选择。

电压、电流、负载特性和开关频率都需要与实际应用相匹配。

高电流母线段的热考虑因素

直流母线中的电气损耗会产生热量。

随着电流增大，电阻损耗变得越来越重要：

P = I²R

这意味着，当电阻保持不变时，电流的相对较小的增加会导致电阻损耗的较大增加。

因此，对于大功率储能系统应用，散热设计不仅需要涵盖主母线导体，还需要涵盖连接点和接口。

值得关注的领域包括：

• 母线或导线横截面
• 连接电阻
• 终端温度
• 封闭式气流
• 环境温度
• 连续工作电流
• 峰值电流
• 关节温度升高

连接点尤其重要，因为接触电阻的微小增加在高电流下会导致局部发热。

因此，应该将直流母线视为完整的电流路径，而不是仅仅视为一块导电材料。

模块化储能系统扩展设计

模块化在储能系统设计中越来越重要。

模块化架构允许在不重新设计整个系统的情况下集成额外的电池容量或电源转换容量。

直流母线从一开始就需要考虑到这种可能性。

可扩展的设计可以定义：

• 预留连接点
• 为新增分支机构提供巴士运力
• 隔离边界
• 保护区
• PCS接口容量
• 用于未来连接的物理空间

但这并不意味着每个系统都需要设计成可扩展的。

但是，当扩容是项目要求的一部分时，应该尽早考虑直流母线，而不是在主要电气架构确定之后再添加。

工程师在设计储能系统直流母线时应检查哪些内容

关键的设计问题可以归纳为以下几个方面。

应该综合评估这些因素。

例如，增加电池分支的数量不仅会影响总电流，还会影响母线结构、保护区、热负荷以及连接和隔离点的数量。

储能系统直流功率流的系统级视图

直流母线有时被视为电池和PCS之间的简单连接。

在更高的系统功率水平下，这种方法就不再足够了。

总线决定了多个电池分支如何汇合，电流如何分配，电气部分可以在哪里隔离，以及电池侧如何与 PCS 连接。

因此，设计良好的直流母线应满足以下四个基本要求：

受控功率流
在充电和放电条件下，电力应在电池分支和PCS之间高效传输。

可预测的电流分布
并联支路应在其预定的电气和热力限制范围内运行。

明确的保护和隔离
故障和维护活动应在明确划分的电气区域内进行管理。

可扩展系统架构
总线结构应与当前系统配置相匹配，并在需要时允许实际扩展。

对于 BESS 设计人员来说，随着电池系统使用更多并联支路和更高功率水平，这些考虑因素变得越来越重要。

直流母线不仅仅是两个主要部件之间的导电通路。它是系统架构的一部分，将电池电源、保护装置、开关和功率转换连接成一个可控的电气通路。