鋰電池儲能艙運行狀態信息采集系統研究

　　摘要：鋰電池儲能艙是儲能系統的核心部件，內部存放大量電池，一旦發生嚴重事故極易造成整個鋰電池儲能艙的燒毀，如無法獲取事發時刻系統和電池堆的運行數據，將給事故分析帶來困難。本文對鋰電池儲能艙可能發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信息采集系統方案，該方案能實時記錄運行時的狀態信息，并在儲能艙發生異常狀況時快速啟動錄波，保存數據為儲能系統事故分析提供技術支撐。

　　關鍵詞：鋰電池儲能艙;運行狀態采集;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”目標的確立，風電和光伏等可再生能源將作為電力系統主力能源迎來前所未有的快速發展機會。可再生能源自身波動性、間歇性等特性將對電力系統的安全和穩定帶來極大的挑戰。近年來快速發展的各種電力儲能技術，可應用于平抑可再生能源發電波動、提高電網彈性和電能質量、降低棄風棄光，使其成為有效的靈活性資源，滿足未來電力系統對靈活性調節資源的迫切需求。

　　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儲能系統配置的首選。儲能系統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、消防動環系統、就地監控/智輔系統等組成[1]。由于發展時間較短，電池儲能技術行業標準和規范不完善，仍存在較大的安全性和可靠性問題。現有鋰電池儲能艙在實際應用中大多存在以下問題或不足：

　　1)儲能艙內各單元相對獨立，單元間缺少信息交互，狀態信息同步性差;2)能量管理系統或就地監控系統與儲能艙各單元有一定的數據交互，但缺乏綜合分析和診斷功能，無法對數據進行有效篩選和提取，用于分析儲能站內安全隱患;3)現有儲能艙內各系統均不具備真正意義上的故障錄波功能，無法記錄事故發生前后的運行信息，無法對事故追溯分析提供幫助。據相關報道，截止2020年年底，韓國國內發生了近30起儲能系統失火的安全事故[2-3]，中國和美國也發生了多起事故。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場事故數據[5-6]。

　　通過國內外調研，在電池儲能艙安全與診斷技術方面，目前主要通過BMS簡單檢測電池狀態，并進行數據記錄，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方面，幾乎是一片空白，所采集的煙感、溫感和可燃氣體成分都是事故后的二次數據，缺乏原理性和事故時刻的系統運行狀態的協同分析。因此，基于以上分析，從安全保障出發，迫切需要為儲能艙建立一套運行狀態信息采集系統(即黑匣子)，同步匯總艙內信息，完整監測鋰電池儲能艙運行情況，并記錄故障發生前后的擾動數據作為分析依據。通過建模技術，達到準確、全面和快速地實現診斷、預判、故障定位等功能，可用于預防事故，全面還原該時刻問題原因。

　　2狀態信息采集系統架構

　　該系統既需要堅持信息的實時性和完整性原則，又要經濟性，鋰電池儲能艙內的電池數量龐大，重新鋪設一套獨立采集網絡的可行性不高，需要充分利用已有監設備。為此，該系統中設計了多種通信接口，可接入已有設備并匯總信息，保障采集實時性;設計多路模擬量和開關量信號輸入通道，接入艙內沒有覆蓋到的采集點，保證信息覆蓋的完整性。該系統按三層兩網架構設計，包含前端采集設備、就地后臺和遠端后臺;數據網絡包含用于前置機和就地后臺之間的通信網絡(底層網絡)，就地后臺和遠程后臺之間的通信網絡(頂層網絡)。每個電池箱內安裝電池箱理單元(BMM)，完成對箱體內單體電池電壓和溫度的采集工作。

　　若干個電池箱構成一個電池簇，簇內建立一個數據傳輸網絡，簇內信息由簇管理單元(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。多個電池簇并聯構成一個電池堆，簇與簇之間采用另一個網絡進行簇間信息傳輸。數據記錄單元接入到這兩個網絡中，并從中獲取所需數據。數據記錄單元通過接收PCS端的信息，用于獲取PCS的運行狀態。數據記錄單元的數據與就地分析管理單元和調度中心通過網絡進行數據通信，全站對時系統對站內設備進行時間同步。

　　電池箱管理單元(BMM)、電池簇管理單元(BCM)、PCS系統、消防動環系統、智能設備均作為運行狀態采集系統的前端采集設備，和數據記錄單元的模擬量、開關量采集通道一起構建成底層動態記錄數據網，向數據記錄單元傳送單體電池信息、電池簇端信息、動環信息等數據;數據記錄單元連接頂層數據網絡，向儲能站內的就地分析管理單元上傳數據，用于智能分析和維護;網關機連接站外數據記錄網，實現數據遠程存儲和調度，系統具對時功能。

　　數據記錄單元與就地分析管理單元、就地分析管理單元與調度中心之間支持IEC-61850通訊規約，實現信息與數據的實時交互，并滿足雙網冗余實現要求[7-10]。數據記錄單元具備就地數據存儲功能，安裝在鋰電池儲能艙艙外底部位置，能在網絡故障和鋰電池儲能艙燒毀的極端情況下保障數據安全。

　　3狀態信息采集系統設計

　　3.1數據記錄單元硬件設計

　　數據記錄單元由電流傳感器、電壓傳感器、AD調理電路、開關量采集電路、DSP數據采集板、ARM控制板，從接入信息的多樣性和通訊實時性考慮，數據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板部分負責通信接口信息獲取、數據存儲、信息轉發、設備管理功能。兩個板之間采用雙口RAM進行數據交互，協同完成啟動和錄波任務。

　　3.2啟動量選取和觸發機制

　　鋰離子電池需要工作于適宜的電壓、電流、溫度等參數的安全工況內。國外學者已對鋰電池故障及安全演化機理進行了深入研究[11-13]，認為過充、過放、過電流、過熱工況以及電池內部短路是導致電池安全狀態演化致熱失控的直接原因。另外運行環境的熱沖擊也將造成電池的過熱[14]。儲能艙作為整體，其中一個部分發生故障，就可能引起其他組成部分的交叉故障，導致故障復雜化。分析故障時需要從系統的層面收集數據[15]。

　　本系統覆蓋儲能艙內各類故障及異常情況，啟動判據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、儲能系統絕緣異常、消防動環告警、PCS告警、儲能艙內各開關動作、充放電啟動等。本系統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，艙內多達上千個乃至上萬個單體鋰離子電芯，儲能系統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生在最高幾節、最低幾節或突變的幾節上。所以異常發生時，每簇單體電池的最高若干節(如最高5節)、最低若干節(如最低5節)和變化最大的若干節(如變化最大的5節)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側交流、直流量通過通訊或數據記錄單元實時采集和記錄;煙感、水浸等消防變位和艙內環境溫濕度根據系統配置情況同步記錄;各系統的告警狀態、接觸器和斷路器的位置狀態作為重要的事故分析依據也實時記錄。除此之外還可以根據儲能艙的具體配置情況增加故障記錄通道。

　　4現場實驗

　　本系統已在某儲能站進行試運行，試運行現場鋰電池儲能艙直流額定電壓768V，由10個電池簇并聯接入一臺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，鋰電池儲能艙系統容量為1.75MWh，系統主要功能為削峰填谷，放電倍率為0.25C/4h率，結合上述儲能艙運行狀態信息采集系統的詳細描述，現場分別對儲能艙進行了直流系統絕緣下降、交流竄入、負荷沖擊、電池單體過壓、過流、過溫等測試，均能及時準確地進行錄波啟動，錄波數據完整。

　　5總結

　　鋰電池儲能艙運行狀態信息采集系統，可以對艙內的關鍵設備運行狀態和安全節點進行全工況信息采集和記錄。本文根據儲能電池艙對信息采集尤其是故障錄波的需求，提出了狀態信息采集系統架構，設計了數據記錄單元、就地分析管理單元，設立了錄波觸發機制，并進行了測試與現場運行。實現了儲能電站安全事故和電池性能分析的全時段狀態數據采集，解決故障發現遲和故障分析缺少回放數據支持的問題。

　　本文闡述的鋰電池儲能艙運行狀態信息采集系統與目前通用的儲能系統就地監控或能量管理等信息系統相比，具有截然不同的區別和優勢，就地監控或能量管理系統除監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，但儲能艙運行狀態信息采集系統具有采集信息源豐富，采集速度快，具有故障錄波等優勢。目前該系統已在試運行階段，同時通過對每個單體電池充放電數據庫的建立，可為基于云端的電池狀態評估提供數據支撐;后續將對儲能電站故障數據歸類分析，及時發現系統設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。

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　　作者：謝建江，高翔，夏成強，鄭益，王浩

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