鋰電池儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)研究

　　摘要：鋰電池儲(chǔ)能艙是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)部存放大量電池，一旦發(fā)生嚴(yán)重事故極易造成整個(gè)鋰電池儲(chǔ)能艙的燒毀，如無(wú)法獲取事發(fā)時(shí)刻系統(tǒng)和電池堆的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將給事故分析帶來(lái)困難。本文對(duì)鋰電池儲(chǔ)能艙可能發(fā)生的故障及異常情況進(jìn)行了全面的研究和分析，提出了一種鋰電池儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)方案，該方案能實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息，并在儲(chǔ)能艙發(fā)生異常狀況時(shí)快速啟動(dòng)錄波，保存數(shù)據(jù)為儲(chǔ)能系統(tǒng)事故分析提供技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：鋰電池儲(chǔ)能艙;運(yùn)行狀態(tài)采集;故障錄波;啟動(dòng)元件;分析軟件

　　1引言

　　隨著我國(guó)“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”目標(biāo)的確立，風(fēng)電和光伏等可再生能源將作為電力系統(tǒng)主力能源迎來(lái)前所未有的快速發(fā)展機(jī)會(huì)�？稍偕�能源自身波動(dòng)性、間歇性等特性將對(duì)電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)快速發(fā)展的各種電力儲(chǔ)能技術(shù)，可應(yīng)用于平抑可再生能源發(fā)電波動(dòng)、提高電網(wǎng)彈性和電能質(zhì)量、降低棄風(fēng)棄光，使其成為有效的靈活性資源，滿(mǎn)足未來(lái)電力系統(tǒng)對(duì)靈活性調(diào)節(jié)資源的迫切需求。

　　電能論文范例：混合儲(chǔ)能式有軌電車(chē)牽引仿真技術(shù)研究

　　鋰離子電池因具有相對(duì)較好的安全性和較高的能量密度成為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的首選。儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件鋰電池儲(chǔ)能艙主要由鋰離子電池堆、雙向變流器、電池管理系統(tǒng)、消防動(dòng)環(huán)系統(tǒng)、就地監(jiān)控/智輔系統(tǒng)等組成[1]。由于發(fā)展時(shí)間較短，電池儲(chǔ)能技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不完善，仍存在較大的安全性和可靠性問(wèn)題�，F(xiàn)有鋰電池儲(chǔ)能艙在實(shí)際應(yīng)用中大多存在以下問(wèn)題或不足：

　　1)儲(chǔ)能艙內(nèi)各單元相對(duì)獨(dú)立，單元間缺少信息交互，狀態(tài)信息同步性差;2)能量管理系統(tǒng)或就地監(jiān)控系統(tǒng)與儲(chǔ)能艙各單元有一定的數(shù)據(jù)交互，但缺乏綜合分析和診斷功能，無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選和提取，用于分析儲(chǔ)能站內(nèi)安全隱患;3)現(xiàn)有儲(chǔ)能艙內(nèi)各系統(tǒng)均不具備真正意義上的故障錄波功能，無(wú)法記錄事故發(fā)生前后的運(yùn)行信息，無(wú)法對(duì)事故追溯分析提供幫助。據(jù)相關(guān)報(bào)道，截止2020年年底，韓國(guó)國(guó)內(nèi)發(fā)生了近30起儲(chǔ)能系統(tǒng)失火的安全事故[2-3]，中國(guó)和美國(guó)也發(fā)生了多起事故。引起事故的原因雖然無(wú)外乎電池本體熱失控、電氣安全等，但均缺少支撐事故原因分析的現(xiàn)場(chǎng)事故數(shù)據(jù)[5-6]。

　　通過(guò)國(guó)內(nèi)外調(diào)研，在電池儲(chǔ)能艙安全與診斷技術(shù)方面，目前主要通過(guò)BMS簡(jiǎn)單檢測(cè)電池狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，如電壓、溫度等，BMS未損壞時(shí)可用于事故簡(jiǎn)單還原分析;但由于安全策略主要側(cè)重事故后的消防滅火，暫時(shí)無(wú)法做到從根源上提前避免事故，同時(shí)在實(shí)時(shí)故障信息的采集和診斷技術(shù)方面，幾乎是一片空白，所采集的煙感、溫感和可燃?xì)怏w成分都是事故后的二次數(shù)據(jù)，缺乏原理性和事故時(shí)刻的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的協(xié)同分析。因此，基于以上分析，從安全保障出發(fā)，迫切需要為儲(chǔ)能艙建立一套運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)(即黑匣子)，同步匯總艙內(nèi)信息，完整監(jiān)測(cè)鋰電池儲(chǔ)能艙運(yùn)行情況，并記錄故障發(fā)生前后的擾動(dòng)數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。通過(guò)建模技術(shù)，達(dá)到準(zhǔn)確、全面和快速地實(shí)現(xiàn)診斷、預(yù)判、故障定位等功能，可用于預(yù)防事故，全面還原該時(shí)刻問(wèn)題原因。

　　2狀態(tài)信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

　　該系統(tǒng)既需要堅(jiān)持信息的實(shí)時(shí)性和完整性原則，又要經(jīng)濟(jì)性，鋰電池儲(chǔ)能艙內(nèi)的電池?cái)?shù)量龐大，重新鋪設(shè)一套獨(dú)立采集網(wǎng)絡(luò)的可行性不高，需要充分利用已有監(jiān)設(shè)備。為此，該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多種通信接口，可接入已有設(shè)備并匯總信息，保障采集實(shí)時(shí)性;設(shè)計(jì)多路模擬量和開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入通道，接入艙內(nèi)沒(méi)有覆蓋到的采集點(diǎn)，保證信息覆蓋的完整性。該系統(tǒng)按三層兩網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，包含前端采集設(shè)備、就地后臺(tái)和遠(yuǎn)端后臺(tái);數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包含用于前置機(jī)和就地后臺(tái)之間的通信網(wǎng)絡(luò)(底層網(wǎng)絡(luò))，就地后臺(tái)和遠(yuǎn)程后臺(tái)之間的通信網(wǎng)絡(luò)(頂層網(wǎng)絡(luò))。每個(gè)電池箱內(nèi)安裝電池箱理單元(BMM)，完成對(duì)箱體內(nèi)單體電池電壓和溫度的采集工作。

　　若干個(gè)電池箱構(gòu)成一個(gè)電池簇，簇內(nèi)建立一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，簇內(nèi)信息由簇管理單元(BCM)管理，匯總簇單體電壓、溫度等信息，BCM同時(shí)完成簇端電壓、電流、絕緣的采集工作，形成對(duì)整簇電池的保護(hù)控制策略。多個(gè)電池簇并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)電池堆，簇與簇之間采用另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簇間信息傳輸。數(shù)據(jù)記錄單元接入到這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，并從中獲取所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄單元通過(guò)接收PCS端的信息，用于獲取PCS的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)記錄單元的數(shù)據(jù)與就地分析管理單元和調(diào)度中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，全站對(duì)時(shí)系統(tǒng)對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步。

　　電池箱管理單元(BMM)、電池簇管理單元(BCM)、PCS系統(tǒng)、消防動(dòng)環(huán)系統(tǒng)、智能設(shè)備均作為運(yùn)行狀態(tài)采集系統(tǒng)的前端采集設(shè)備，和數(shù)據(jù)記錄單元的模擬量、開(kāi)關(guān)量采集通道一起構(gòu)建成底層動(dòng)態(tài)記錄數(shù)據(jù)網(wǎng)，向數(shù)據(jù)記錄單元傳送單體電池信息、電池簇端信息、動(dòng)環(huán)信息等數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)記錄單元連接頂層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，向儲(chǔ)能站內(nèi)的就地分析管理單元上傳數(shù)據(jù)，用于智能分析和維護(hù);網(wǎng)關(guān)機(jī)連接站外數(shù)據(jù)記錄網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)和調(diào)度，系統(tǒng)具對(duì)時(shí)功能。

　　數(shù)據(jù)記錄單元與就地分析管理單元、就地分析管理單元與調(diào)度中心之間支持IEC-61850通訊規(guī)約，實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，并滿(mǎn)足雙網(wǎng)冗余實(shí)現(xiàn)要求[7-10]。數(shù)據(jù)記錄單元具備就地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，安裝在鋰電池儲(chǔ)能艙艙外底部位置，能在網(wǎng)絡(luò)故障和鋰電池儲(chǔ)能艙燒毀的極端情況下保障數(shù)據(jù)安全。

　　3狀態(tài)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1數(shù)據(jù)記錄單元硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)記錄單元由電流傳感器、電壓傳感器、AD調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)量采集電路、DSP數(shù)據(jù)采集板、ARM控制板，從接入信息的多樣性和通訊實(shí)時(shí)性考慮，數(shù)據(jù)記錄單元有多個(gè)通道的通訊接口。DSP板部分完成高速采集(如交流電壓、電流等)和故障啟動(dòng)判斷;ARM板部分負(fù)責(zé)通信接口信息獲取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備管理功能。兩個(gè)板之間采用雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，協(xié)同完成啟動(dòng)和錄波任務(wù)。

　　3.2啟動(dòng)量選取和觸發(fā)機(jī)制

　　鋰離子電池需要工作于適宜的電壓、電流、溫度等參數(shù)的安全工況內(nèi)。國(guó)外學(xué)者已對(duì)鋰電池故障及安全演化機(jī)理進(jìn)行了深入研究[11-13]，認(rèn)為過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流、過(guò)熱工況以及電池內(nèi)部短路是導(dǎo)致電池安全狀態(tài)演化致熱失控的直接原因。另外運(yùn)行環(huán)境的熱沖擊也將造成電池的過(guò)熱[14]。儲(chǔ)能艙作為整體，其中一個(gè)部分發(fā)生故障，就可能引起其他組成部分的交叉故障，導(dǎo)致故障復(fù)雜化。分析故障時(shí)需要從系統(tǒng)的層面收集數(shù)據(jù)[15]。

　　本系統(tǒng)覆蓋儲(chǔ)能艙內(nèi)各類(lèi)故障及異常情況，啟動(dòng)判據(jù)主要考慮以下幾種情況：?jiǎn)误w電池電壓/溫度異常、電池簇端電壓/電流異常、電池堆端電壓/電流異常、儲(chǔ)能系統(tǒng)絕緣異常、消防動(dòng)環(huán)告警、PCS告警、儲(chǔ)能艙內(nèi)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作、充放電啟動(dòng)等。本系統(tǒng)支持三種方式的故障錄波啟動(dòng)判斷：突變量啟動(dòng)、閥值啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)量變化啟動(dòng)[16]。

　　鋰電池儲(chǔ)能艙一般容量均超過(guò)1MWh，目前已可以做到3MWh容量，艙內(nèi)多達(dá)上千個(gè)乃至上萬(wàn)個(gè)單體鋰離子電芯，儲(chǔ)能系統(tǒng)的異常一般由個(gè)別單體異常引起，而單體電池的異常往往發(fā)生在最高幾節(jié)、最低幾節(jié)或突變的幾節(jié)上。所以異常發(fā)生時(shí)，每簇單體電池的最高若干節(jié)(如最高5節(jié))、最低若干節(jié)(如最低5節(jié))和變化最大的若干節(jié)(如變化最大的5節(jié))需要實(shí)時(shí)記錄;電池堆端和簇端電壓、電流、絕緣同步實(shí)時(shí)記錄;PCS側(cè)交流、直流量通過(guò)通訊或數(shù)據(jù)記錄單元實(shí)時(shí)采集和記錄;煙感、水浸等消防變位和艙內(nèi)環(huán)境溫濕度根據(jù)系統(tǒng)配置情況同步記錄;各系統(tǒng)的告警狀態(tài)、接觸器和斷路器的位置狀態(tài)作為重要的事故分析依據(jù)也實(shí)時(shí)記錄。除此之外還可以根據(jù)儲(chǔ)能艙的具體配置情況增加故障記錄通道。

　　4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

　　本系統(tǒng)已在某儲(chǔ)能站進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)鋰電池儲(chǔ)能艙直流額定電壓768V，由10個(gè)電池簇并聯(lián)接入一臺(tái)500kWPCS，每個(gè)電池簇由19個(gè)12串3.2V鋰離子電池組成的電池模組組成，每個(gè)電池模組由單體120Ah電芯2并12串組成，鋰電池儲(chǔ)能艙系統(tǒng)容量為1.75MWh，系統(tǒng)主要功能為削峰填谷，放電倍率為0.25C/4h率，結(jié)合上述儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的詳細(xì)描述，現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)儲(chǔ)能艙進(jìn)行了直流系統(tǒng)絕緣下降、交流竄入、負(fù)荷沖擊、電池單體過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等測(cè)試，均能及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行錄波啟動(dòng)，錄波數(shù)據(jù)完整。

　　5總結(jié)

　　鋰電池儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，可以對(duì)艙內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和安全節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全工況信息采集和記錄。本文根據(jù)儲(chǔ)能電池艙對(duì)信息采集尤其是故障錄波的需求，提出了狀態(tài)信息采集系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)記錄單元、就地分析管理單元，設(shè)立了錄波觸發(fā)機(jī)制，并進(jìn)行了測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站安全事故和電池性能分析的全時(shí)段狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，解決故障發(fā)現(xiàn)遲和故障分析缺少回放數(shù)據(jù)支持的問(wèn)題。

　　本文闡述的鋰電池儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)與目前通用的儲(chǔ)能系統(tǒng)就地監(jiān)控或能量管理等信息系統(tǒng)相比，具有截然不同的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)，就地監(jiān)控或能量管理系統(tǒng)除監(jiān)控和能量管理功能外，雖也具備儲(chǔ)能艙運(yùn)行實(shí)時(shí)信息的記錄和保存，但儲(chǔ)能艙運(yùn)行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)具有采集信息源豐富，采集速度快，具有故障錄波等優(yōu)勢(shì)。目前該系統(tǒng)已在試運(yùn)行階段，同時(shí)通過(guò)對(duì)每個(gè)單體電池充放電數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，可為基于云端的電池狀態(tài)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐;后續(xù)將對(duì)儲(chǔ)能電站故障數(shù)據(jù)歸類(lèi)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備及電池回路中的隱患，為提高儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行和運(yùn)維管理水平提供借鑒和幫助。

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　　作者：謝建江，高翔，夏成強(qiáng)，鄭益，王浩

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