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(jìn)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
隨著我國“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)主力能源迎來前所未有的快速發(fā)展機(jī)會?？稍偕茉醋陨聿▌有浴㈤g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。
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。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)范尚不完善，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(jìn)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，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)。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(jìn)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(dá)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。
1 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(jì)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)測設(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(yuǎn)端后臺；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包含用于前置機(jī)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(yuǎn)程后臺之間的通信網(wǎng)絡(luò)(頂層網(wǎng)絡(luò))，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
每個電池箱內(nèi)安裝電池箱管理單元(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(hù)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，全站對時系統(tǒng)對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)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(hù)；網(wǎng)關(guān)機(jī)連接站外數(shù)據(jù)記錄網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲和調(diào)度，系統(tǒng)具有對時功能。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。
2 狀態(tài)信息采集系統(tǒng)設(shè)計
2.1 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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，協(xié)同完成啟動和錄波任務(wù)。數(shù)據(jù)記錄單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)記錄單元裝置硬件結(jié)構(gòu)圖
數(shù)據(jù)記錄單元具有自供電能力，能保障失電工況下設(shè)備持續(xù)正常運行。數(shù)據(jù)記錄單元采用2組鋰電池作為自備用電源，可持續(xù)自供電運行48 h，自備電源供電電路如圖3所示。外部供電時，Vout=8.0 V，用作裝置工作電源和鋰電池組的充電電源(鋰電池額定電壓為7.4 V)。當(dāng)外部失電時，Vout=0，鋰電池向裝置供電?？紤]備用鋰電池電源不能長時間浮充，因此裝置通過軟件控制策略，平時旁路充電回路，定期維護(hù)鋰電池電源，切換開關(guān)采用MOS管，無切換次數(shù)限制。
圖3 自備電源的電路圖
2.2 啟動量選取和觸發(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)。國外學(xué)者已對鋰電池故障及安全演化機(jī)理進(jìn)行了深入研究，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。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)。
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，故障錄波啟動判斷邏輯見圖4。
圖4 故障錄波啟動判斷邏輯
鋰電池儲能艙一般容量均超過1 MW·h，目前已可以做到3 MW·h容量，艙內(nèi)多達(dá)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。
故障錄波觸發(fā)可以細(xì)分為電壓判據(jù)、電流判據(jù)、溫度判據(jù)、絕緣判據(jù)、自適應(yīng)啟動和非電量判據(jù)，各判據(jù)詳細(xì)描述如下文所述。
2.2.1 電流判據(jù)
2.2.4 自適應(yīng)判據(jù)
雖然儲能系統(tǒng)因其規(guī)模、功能不同有多種運行方式，但是同一儲能艙一段時期內(nèi)的運行方式基本固定，其中運行時段、最大充放電功率、最大電流、最大電壓、絕緣值等參數(shù)在該時期內(nèi)基本保持一致，對此信息進(jìn)行自動收集，并形成輔助啟動的觸發(fā)判據(jù)，即能靈敏地記錄儲能系統(tǒng)運行變化狀態(tài)，其形成和判斷邏輯如圖5所示。
圖5 自適應(yīng)判據(jù)的形成和判斷框圖
自適應(yīng)判斷對儲能艙運行時背景數(shù)據(jù)擾動進(jìn)行監(jiān)測，獲取當(dāng)前時刻點的運行背景數(shù)據(jù)，通過對關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如電壓、電流、功率、絕緣、溫度等)多次采集，得到一個相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)組集合，這個數(shù)據(jù)組集合形成了當(dāng)前時刻點的運行背景數(shù)據(jù)。當(dāng)運行數(shù)據(jù)擾動大于內(nèi)部預(yù)設(shè)定值時觸發(fā)啟動，同時重新進(jìn)行背景數(shù)據(jù)的獲取，形成新的數(shù)據(jù)集合作為再次判斷依據(jù)。背景數(shù)據(jù)始終是動態(tài)變化的，能靈敏反映運行時關(guān)鍵數(shù)據(jù)的擾動。對背景數(shù)據(jù)集合內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行加權(quán)處理，可以靈活地適應(yīng)不同儲能應(yīng)用場合。
2.2.5 非電量判據(jù)
非電量判據(jù)主要包括：支持手動啟動錄波，支持遙控啟動錄波，開入量啟動錄波，聯(lián)動啟動錄波，或者系統(tǒng)收到其他設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)通信或開入量變位啟動錄波等其他相關(guān)啟動。
2.3 存儲和通信設(shè)計
數(shù)據(jù)記錄及就地分析管理兩單元作為數(shù)據(jù)存儲與計算的節(jié)點，其中存儲結(jié)構(gòu)如圖6所示。前者負(fù)責(zé)單個儲能艙模擬量、開入量數(shù)據(jù)的存儲和計算處理，一般可配置64 G就地存儲器；后者負(fù)責(zé)站內(nèi)所有采集數(shù)據(jù)的存儲和分析，一般可配置2 TB或以上硬盤。
圖6 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)
現(xiàn)有儲能艙就地監(jiān)控系統(tǒng)或BMS單體采集間隔大于100 mS，電池堆端和簇端的模擬量采集間隔大于10 mS。在此基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)記錄單元存儲艙內(nèi)全時段完整數(shù)據(jù)并在故障時進(jìn)行錄波，按照表1的要求進(jìn)行保存。
表1 數(shù)據(jù)記錄單元信息記錄保存間隔
每個儲能艙配置一臺數(shù)據(jù)記錄單元負(fù)責(zé)擾動啟動判斷，大大降低了對現(xiàn)有儲能艙各系統(tǒng)的改造工作。整個儲能站信息分布到各數(shù)據(jù)記錄單元，實時性得到提高，也相對降低了就地分析性能要求。網(wǎng)絡(luò)正常情況下，數(shù)據(jù)可即時就地分析；網(wǎng)絡(luò)中斷情況下，數(shù)據(jù)采用循環(huán)存儲方式存儲，恢復(fù)后可即時上傳，或可直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)，以便及時分析。就地分析管理單元分析、歸類并上傳就地儲能能量管理系統(tǒng)(EMS)或電網(wǎng)調(diào)度中心。
2.4 就地分析管理單元設(shè)計
該單元可以獨立組建也可以集成至EMS，其優(yōu)點在于：只關(guān)注艙內(nèi)信息，數(shù)據(jù)量小，并采用專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，能更實時的提供數(shù)據(jù)源；系統(tǒng)具有故障錄波的功能，能夠?qū)收线M(jìn)行追憶和分析；隨著大量運行數(shù)據(jù)的積累逐步形成故障分析專家系統(tǒng)。
人機(jī)交互采用WEB方式展示波形和運行信息；數(shù)據(jù)庫保存儲能艙長期運行數(shù)據(jù)，為專家診斷分析模塊提供數(shù)據(jù)支撐；采集管理模塊作為數(shù)據(jù)記錄單元信息接入接口。就地分析管理單元的框圖如圖7所示。
圖7 就地軟件管理單元軟件框圖
就地分析管理單元應(yīng)用軟件具有如下特點：①預(yù)知電池的充放電狀態(tài)，結(jié)合從數(shù)據(jù)記錄單元獲取的實時數(shù)據(jù)，能對每個單體電池建立實際的充放電曲線數(shù)據(jù)庫，縱向?qū)Ρ葐误w電池歷史充放電曲線，預(yù)估單體電池老化失效狀態(tài)；②對儲能艙內(nèi)的電池建立同一時刻的充放電曲線數(shù)據(jù)庫，橫向?qū)Ρ韧粫r刻不同單體電池之間的不一致性，為電池維護(hù)提供依據(jù)。③建立單體電池充放電數(shù)據(jù)庫，為需要大數(shù)據(jù)支持的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算SOC提供數(shù)據(jù)源。④對每次故障狀態(tài)進(jìn)行歸類記錄，可以評估整個儲能站電池系統(tǒng)的薄弱點，為檢修提供依據(jù)。⑤利用故障回放，對故障查找和分析提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持。
通過一段時間的信息積累，建立起儲能站電池特征信息數(shù)據(jù)庫和故障特征信息數(shù)據(jù)庫，形成針對鋰電池儲能艙的安全運行分析專家系統(tǒng)，能對電池運行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，特別在系統(tǒng)發(fā)生運行異常時，運行維護(hù)人員能利用專家系統(tǒng)及時做出處理。
3 現(xiàn)場實驗
本系統(tǒng)已在某儲能站進(jìn)行試運行，試運行現(xiàn)場鋰電池儲能艙直流額定電壓29.6 V，由10個電池簇并聯(lián)接入一臺500 kW PCS，每個電池簇由19個12串3.2 V鋰離子電池組成的電池模組組成，每個電池模組由單體120 A·h電芯2并12串組成，鋰電池儲能艙系統(tǒng)容量為1.75 MW·h，系統(tǒng)主要功能為削峰填谷，放電倍率為0.25 C/4 h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(jìn)行了直流系統(tǒng)絕緣下降、交流竄入、負(fù)荷沖擊、電池單體過壓、過流、過溫等測試，均能及時準(zhǔn)確地進(jìn)行錄波啟動，錄波數(shù)據(jù)完整。圖8為數(shù)據(jù)記錄單元實物圖。
圖8 數(shù)據(jù)記錄單元實物圖
儲能電站中直流系統(tǒng)正、負(fù)極對地絕緣電阻基本相等，對地電壓是相對平衡的。當(dāng)發(fā)生單極接地時，其正、負(fù)極對地電壓都會發(fā)生變化，接地極對地電壓下降，非接地極電壓升高，直流系統(tǒng)供電可靠性大大減低，需要及時發(fā)現(xiàn)報警。圖9為模擬電池組正極單端接地的錄波情況，錄取正極波形如圖所示，正極電壓出現(xiàn)一個明顯的下降波形。
圖9 直流母線瞬間接地正極電壓錄波
圖10的波形是正端竄入交流電壓后的情況，電壓出現(xiàn)下跌，并出現(xiàn)交流成分。時標(biāo)37.5 mS時竄入交流電壓，165.5 mS后交流竄入消失，電壓恢復(fù)正常。
圖10 交流竄入錄波
儲能電池放電時，電流突然上升并根據(jù)外部負(fù)荷變化，當(dāng)外部負(fù)荷基本保持不變時，電流基本保持不變，此時錄波數(shù)據(jù)記錄的顆粒度可以放寬。圖11為電池組放電錄波。
圖11 電池組放電電流錄波
當(dāng)負(fù)載為脈沖型時，放電電流的波形也會隨負(fù)載呈現(xiàn)脈沖型。圖12為沖擊負(fù)荷放電錄取的波形。
圖12 直流系統(tǒng)負(fù)荷沖擊錄波
4 結(jié)論
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(jìn)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(jī)制，并進(jìn)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。
圖片
引用本文： 謝建江,高翔,夏晨強(qiáng)等.鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)研究[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(03):1109-1116.
XIE Jianjiang,GAO Xiang,XIA Chengqiang,et al.Research on information acquisition system of lithium battery energy storage cabin[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(03):1109-1116.
第一作者：謝建江（1975—），男，本科，工程師，研究方向為儲能系統(tǒng)集成及儲能安全研究與設(shè)計，E-mail：xjj@china-gold.com
通訊作者：高翔，高級工程師，研究方向為儲能系統(tǒng)集成及BMS設(shè)計，E-mail：gaoxiang@china-gold.com。
