鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)研究

　　摘要：鋰電池儲能艙是儲能系統(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鋰電池儲能艙的燒毀，如無法獲取事發(fā)時刻系統(tǒng)和電池堆的運行數(shù)據(jù)，將給事故分析帶來困難。本文對鋰電池儲能艙可能發(fā)生的故障及異常情況進行了全面的研究和分析，提出了一種鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)方案，該方案能實時記錄運行時的狀態(tài)信息，并在儲能艙發(fā)生異常狀況時快速啟動錄波，保存數(shù)據(jù)為儲能系統(tǒng)事故分析提供技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：鋰電池儲能艙;運行狀態(tài)采集;故障錄波;啟動元件;分析軟件

　　1引言

　　隨著我國“2030年碳達峰，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)主力能源迎來前所未有的快速發(fā)展機會�？稍偕�能源自身波動性、間歇性等特性將對電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定帶來極大的挑戰(zhàn)。近年來快速發(fā)展的各種電力儲能技術(shù)，可應(yīng)用于平抑可再生能源發(fā)電波動、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，滿足未來電力系統(tǒng)對靈活性調(diào)節(jié)資源的迫切需求。

　　電能論文范例：混合儲能式有軌電車牽引仿真技術(shù)研究

　　鋰離子電池因具有相對較好的安全性和較高的能量密度成為電化學(xué)儲能系統(tǒng)配置的首選。儲能系統(tǒng)的核心部件鋰電池儲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)展時間較短，電池儲能技術(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題。現(xiàn)有鋰電池儲能艙在實際應(yīng)用中大多存在以下問題或不足：

　　1)儲能艙內(nèi)各單元相對獨立，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，無法對數(shù)據(jù)進行有效篩選和提取，用于分析儲能站內(nèi)安全隱患;3)現(xiàn)有儲能艙內(nèi)各系統(tǒng)均不具備真正意義上的故障錄波功能，無法記錄事故發(fā)生前后的運行信息，無法對事故追溯分析提供幫助。據(jù)相關(guān)報道，截止2020年年底，韓國國內(nèi)發(fā)生了近30起儲能系統(tǒng)失火的安全事故[2-3]，中國和美國也發(fā)生了多起事故。引起事故的原因雖然無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)場事故數(shù)據(jù)[5-6]。

　　通過國內(nèi)外調(diào)研，在電池儲能艙安全與診斷技術(shù)方面，目前主要通過BMS簡單檢測電池狀態(tài)，并進行數(shù)據(jù)記錄，如電壓、溫度等，BMS未損壞時可用于事故簡單還原分析;但由于安全策略主要側(cè)重事故后的消防滅火，暫時無法做到從根源上提前避免事故，同時在實時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刻的系統(tǒng)運行狀態(tài)的協(xié)同分析。因此，基于以上分析，從安全保障出發(fā)，迫切需要為儲能艙建立一套運行狀態(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)測鋰電池儲能艙運行情況，并記錄故障發(fā)生前后的擾動數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。通過建模技術(shù)，達到準(zhǔn)確、全面和快速地實現(xiàn)診斷、預(yù)判、故障定位等功能，可用于預(yù)防事故，全面還原該時刻問題原因。

　　2狀態(tài)信息采集系統(tǒng)架構(gòu)

　　該系統(tǒng)既需要堅持信息的實時性和完整性原則，又要經(jīng)濟性，鋰電池儲能艙內(nèi)的電池數(shù)量龐大，重新鋪設(shè)一套獨立采集網(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，保障采集實時性;設(shè)計多路模擬量和開關(guān)量信號輸入通道，接入艙內(nèi)沒有覆蓋到的采集點，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，包含前端采集設(shè)備、就地后臺和遠端后臺;數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包含用于前置機和就地后臺之間的通信網(wǎng)絡(luò)(底層網(wǎng)絡(luò))，就地后臺和遠程后臺之間的通信網(wǎng)絡(luò)(頂層網(wǎng)絡(luò))。每個電池箱內(nèi)安裝電池箱理單元(BMM)，完成對箱體內(nèi)單體電池電壓和溫度的采集工作。

　　若干個電池箱構(gòu)成一個電池簇，簇內(nèi)建立一個數(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同時完成簇端電壓、電流、絕緣的采集工作，形成對整簇電池的保護控制策略。多個電池簇并聯(lián)構(gòu)成一個電池堆，簇與簇之間采用另一個網(wǎng)絡(luò)進行簇間信息傳輸。數(shù)據(jù)記錄單元接入到這兩個網(wǎng)絡(luò)中，并從中獲取所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄單元通過接收PCS端的信息，用于獲取PCS的運行狀態(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)度中心通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，全站對時系統(tǒng)對站內(nèi)設(shè)備進行時間同步。

　　電池箱管理單元(BMM)、電池簇管理單元(BCM)、PCS系統(tǒng)、消防動環(huán)系統(tǒng)、智能設(shè)備均作為運行狀態(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、開關(guān)量采集通道一起構(gòu)建成底層動態(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;網(wǎng)關(guān)機連接站外數(shù)據(jù)記錄網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程存儲和調(diào)度，系統(tǒng)具對時功能。

　　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，實現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)的實時交互，并滿足雙網(wǎng)冗余實現(xiàn)要求[7-10]。數(shù)據(jù)記錄單元具備就地數(shù)據(jù)存儲功能，安裝在鋰電池儲能艙艙外底部位置，能在網(wǎng)絡(luò)故障和鋰電池儲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

　　3.1數(shù)據(jù)記錄單元硬件設(shè)計

　　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時性考慮，數(shù)據(jù)記錄單元有多個通道的通訊接口。DSP板部分完成高速采集(如交流電壓、電流等)和故障啟動判斷;ARM板部分負(fù)責(zé)通信接口信息獲取、數(shù)據(jù)存儲、信息轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備管理功能。兩個板之間采用雙口RAM進行數(shù)據(jù)交互，協(xié)同完成啟動和錄波任務(wù)。

　　3.2啟動量選取和觸發(fā)機制

　　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)。國外學(xué)者已對鋰電池故障及安全演化機理進行了深入研究[11-13]，認(rèn)為過充、過放、過電流、過熱工況以及電池內(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。另外運行環(huán)境的熱沖擊也將造成電池的過熱[14]。儲能艙作為整體，其中一個部分發(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。分析故障時需要從系統(tǒng)的層面收集數(shù)據(jù)[15]。

　　本系統(tǒng)覆蓋儲能艙內(nèi)各類故障及異常情況，啟動判據(jù)主要考慮以下幾種情況：單體電池電壓/溫度異常、電池簇端電壓/電流異常、電池堆端電壓/電流異常、儲能系統(tǒng)絕緣異常、消防動環(huán)告警、PCS告警、儲能艙內(nèi)各開關(guān)動作、充放電啟動等。本系統(tǒng)支持三種方式的故障錄波啟動判斷：突變量啟動、閥值啟動、開關(guān)量變化啟動[16]。

　　鋰電池儲能艙一般容量均超過1MWh，目前已可以做到3MWh容量，艙內(nèi)多達上千個乃至上萬個單體鋰離子電芯，儲能系統(tǒng)的異常一般由個別單體異常引起，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，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))需要實時記錄;電池堆端和簇端電壓、電流、絕緣同步實時記錄;PCS側(cè)交流、直流量通過通訊或數(shù)據(jù)記錄單元實時采集和記錄;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)也實時記錄。除此之外還可以根據(jù)儲能艙的具體配置情況增加故障記錄通道。

　　4現(xiàn)場實驗

　　本系統(tǒng)已在某儲能站進行試運行，試運行現(xiàn)場鋰電池儲能艙直流額定電壓768V，由10個電池簇并聯(lián)接入一臺500kWPCS，每個電池簇由19個12串3.2V鋰離子電池組成的電池模組組成，每個電池模組由單體120Ah電芯2并12串組成，鋰電池儲能艙系統(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)合上述儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的詳細(xì)描述，現(xiàn)場分別對儲能艙進行了直流系統(tǒng)絕緣下降、交流竄入、負(fù)荷沖擊、電池單體過壓、過流、過溫等測試，均能及時準(zhǔn)確地進行錄波啟動，錄波數(shù)據(jù)完整。

　　5總結(jié)

　　鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，可以對艙內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)和安全節(jié)點進行全工況信息采集和記錄。本文根據(jù)儲能電池艙對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)機制，并進行了測試與現(xiàn)場運行。實現(xiàn)了儲能電站安全事故和電池性能分析的全時段狀態(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)支持的問題。

　　本文闡述的鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)與目前通用的儲能系統(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，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，雖也具備儲能艙運行實時信息的記錄和保存，但儲能艙運行狀態(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。目前該系統(tǒng)已在試運行階段，同時通過對每個單體電池充放電數(shù)據(jù)庫的建立，可為基于云端的電池狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)支撐;后續(xù)將對儲能電站故障數(shù)據(jù)歸類分析，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備及電池回路中的隱患，為提高儲能電站安全運行和運維管理水平提供借鑒和幫助。

　　參考文獻

　　[1]王松岑,來小康,程時杰.大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(1):3-8.WANGSongyin,LEIXiaokang,CENGShiji,AnAnalysisofProspectsforApplicationofLarge-scaleEnergyStorageTechnologyinPowerSystems[J].AutomationofElectricPowerSystems,2013,37(1):3-8.

　　[2]ABADAS,MARLAIRG,LEGOCQA,etal.Safetyfocusedmodelingoflithium-ionbatteries:Areview[J].JournalofPowerSources,2016,306:178-192.

　　[3]LIAOZ,ZHANGS,LIK,etal.Asurveyofmethodsformonitoringanddetectingthermalrunawayoflithium-ionbatteries[J].JournalofPowerSources,2019,436.

　　[4]LIUX,REND,HSUH,etal.Thermalrunawayoflithium-ionbatterieswithoutinternalshortcircuit[J].Joule,2018,2(10):2047-2064.

　　[5]張華東,張宏亮.一起火電廠儲能系統(tǒng)火災(zāi)事故的調(diào)查與認(rèn)定[J].消防科學(xué)與技術(shù),2017,36(10):1473-1475.ZHANGHuadong,ZHANGHongliang,Investigationanddeterminationofanenergystoragesystemfireofathermalpowerplant[J].FireScienceandTechnology,2017,36(10):1473-1475.

　　[6]張青松,姜乃文,羅星娜等.鋰離子電池?zé)崾Э囟嗝字Z效應(yīng)實證研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(10):252-256ZHANGQingsong,JIANGNaiwen,LUOXingna,etal.Lithium-ionBatteryThermalRunawayDominoEffectExperimentalVerificationResearch[J].ScienceTechnologyandEngineering,2016,16(10):252-256.

　　[7]侯學(xué)勇,陳軍,陳玉林等.智能變電站故障錄波與PMU一體化設(shè)計與實現(xiàn)[C].第十五屆保護與控制學(xué)術(shù)研究討論文集.北京:中國水利水電出版社出版,2015:208-284.HOUXueyong,CHENJun,CHENYulin,etal.DesignandImplementationforIntegrativeEquipmentofFaultRecorderandPMUinSmartSubstation[C].The15thSymposiumonrelayprotectionandcontrol.Baijing:ChinaWaterPowerPress,2015:208-284.

　　作者：謝建江，高翔，夏成強，鄭益，王浩

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