中國儲能網(wǎng)訊：8.3、電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（充電器/逆變器）
充電器/逆變器提供了與電網(wǎng)源的連接點，因此提供了關(guān)鍵的安全性能和功能。
提供的安全功能包括：
?交流電源的過壓、浪涌保護。
?電流監(jiān)控和過流保護。
?短路保護。
?熱保護（功率設(shè)備或風(fēng)扇故障等）。
?防孤島。
“防孤島”功能可以確保在電網(wǎng)供應(yīng)中斷的情況下，電池儲能系統(tǒng)不會嘗試將電力反饋到網(wǎng)絡(luò)上。這具有重要的電能質(zhì)量和安全影響，可以通過隔離和關(guān)閉系統(tǒng)來解決。
提供的性能和功能包括：
?電網(wǎng)欠壓或過壓檢測和保護。
?電網(wǎng)欠頻或超頻檢測。
?電源/防孤島丟失。
?EMC濾波（可能在逆變器外部）。
提供這些性能功能是為了確保維持電能質(zhì)量，并且如果電力供應(yīng)中斷，本地的儲能系統(tǒng)/發(fā)電系統(tǒng)不能在“孤島”模式下運行。這種防孤島功能既是一種性能（電能質(zhì)量），也是一項至關(guān)重要的安全功能，因為它確保分布式電源與電網(wǎng)安全斷開。
第7節(jié)中涵蓋的安全標(biāo)準(zhǔn)適用于充電器/逆變器。通常情況下，在這些簡單的DC到AC（例如太陽能發(fā)電設(shè)施）應(yīng)用中使用的逆變器是“無變壓器”的，這意味著該單元的DC-DC側(cè)和AC逆變器側(cè)之間沒有物理分離。與其相反，安全隔離是通過隔離交流逆變器的控制（例如IGBT類型設(shè)備的柵極信號）以及電壓和電流傳感器來提供的。與控制器的通信（例如通過CAN或以太網(wǎng)）也可以完全隔離，但為清楚起見，從下面的框圖中省略（參見圖5）。
電池儲能系統(tǒng)中使用的逆變器/充電器可以在具有變壓器隔離的全橋模式下運行，從而允許從電池到電網(wǎng)以及從電網(wǎng)到電池的雙向傳輸和轉(zhuǎn)換。
大多數(shù)電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)品旨在用于并網(wǎng)應(yīng)用，因此提供交流電源輸出。一些商業(yè)電池儲能系統(tǒng)（例如Moixa）可以替代，并提供低壓直流電源，為照明目的提供直流電源。
圖5典型電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的框圖
對于作為“僅儲能”提供的電池儲能系統(tǒng)，逆變器的選擇是儲能系統(tǒng)設(shè)計人員的責(zé)任。其安裝比使用上個集成電池儲能系統(tǒng)解決方案更復(fù)雜，因為電池和逆變器之間的直流側(cè)的布線和保護都在兩個產(chǎn)品的外部。用于這些應(yīng)用的逆變器可提供5～10年保修服務(wù)。
本報告沒有深入討論逆變器內(nèi)部的故障機制。然而，鑒于電池單元代表低阻抗源，存在高電流流動和火災(zāi)風(fēng)險的可能性。
電池管理系統(tǒng)(BMS)通過監(jiān)測充電和放電電流以及潛在短路引起的過電流，提供了限制電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)(PCS)輸入電流的主要機制。許多電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)(PCS)使用根據(jù)IEC/EN62109第1部分和第2部分等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的逆變器。這些標(biāo)準(zhǔn)要求進行測試，以驗證條款4.4規(guī)定的單一故障或異常條件下的安全運行?！霸趩我还收蠗l件下進行測試”。這定義了適用于第4.4.4.1條詳細(xì)說明“組件故障測試”的單個故障條件的詳細(xì)要求——這是通過電路分析和確定相關(guān)組件開路和短路的影響來執(zhí)行的。
第9條涵蓋“防止火災(zāi)危險”，并規(guī)定了旨在降低著火和火焰?zhèn)鞑ワL(fēng)險的要求。這包括對“耐火”、“有限電源”和“短路和過載保護”的要求。
IEEE發(fā)布的有用參考資料“逆變器故障對太陽能光伏系統(tǒng)投資回報的影響”提供了對典型逆變器/PCS故障的有用現(xiàn)場審查。該報告指出，故障的主要來源（未發(fā)現(xiàn)故障除外）是：
?交流接觸器(12%)
?風(fēng)扇(6%)
?IGBT或類似產(chǎn)品(6%)
??PSU(5%)
?交流保險絲(4%)
直流輸入保險絲占故障的2%。
8.4、控制子系統(tǒng)
控制器負(fù)責(zé)電池儲能系統(tǒng)的整體操作，以響應(yīng)來自各種不同來源的輸入：
?直接監(jiān)測流入或流入電網(wǎng)的交流電流（通過最終儀表）。
?為控制和保護功能監(jiān)測交流電壓和頻率。
?監(jiān)測電池的直流電流/電壓或充電狀態(tài)。
?健康狀態(tài)（例如溫度警報等）。
?配置文件或控制器策略（例如存儲太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量、通過在非高峰期購買低成本能源并在高峰時間使用存儲的能源來轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷、電網(wǎng)平衡和交易（電價套利）或備用電力系統(tǒng)。
?通過CAN或以太網(wǎng)（以及隨后的無線）進行通信，主要是監(jiān)控。
?逆變器/充電器的設(shè)定點控制（包括利用太陽能光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤，MPPT）。
充電器/逆變器可以提供一些保護監(jiān)控功能（特別是與電網(wǎng)接口相關(guān)的功能）。
控制器構(gòu)成電池儲能系統(tǒng)的核心，在許多情況下將是制造商的主要知識產(chǎn)權(quán)。
該控制器通常也被描述為電池管理系統(tǒng)（與可能嵌入電池本身的任何功能不同的單獨功能）?？刂破鲌?zhí)行整體電池監(jiān)控、如上所述根據(jù)刺激的操作控制、能量平衡管理（電網(wǎng)和到家庭負(fù)載）、保護和警報以及通信。控制器將根據(jù)所選策略和操作模式優(yōu)化電池的充電狀態(tài)，以最大限度地延長電池壽命或可用性。例如，針對自耗優(yōu)化的系統(tǒng)可能允許低至30%的充電狀態(tài)，其中30%的存儲能量被保留用于潛在的輸出到電網(wǎng)，而僅允許充電狀態(tài)為70%的系統(tǒng)因此針對電網(wǎng)可用性進行了優(yōu)化。
通過電流鉗提供電流監(jiān)控。所有系統(tǒng)都提供一個用于進出電網(wǎng)的電流鉗。與預(yù)安裝的太陽能發(fā)電系統(tǒng)集成或集成PV面板DC電源的系統(tǒng)可以配備額外的電流鉗以監(jiān)控太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
8.4.1、外部接口和通信
數(shù)據(jù)通信是電池儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。提供了安裝人員和配置的訪問權(quán)限、OEM的遠(yuǎn)程監(jiān)控和值班，以及最終用戶通過移動設(shè)備或其他客戶端進行的遠(yuǎn)程跟蹤。
骨干通信可以通過有線以太網(wǎng)連接到路由器以提供互聯(lián)網(wǎng)訪問，或者無線通信可以由外部接入點提供，也可以通過專用的Wi-Fi模塊在內(nèi)部提供。后者引入了一定程度的合規(guī)復(fù)雜性，因為完整的電池儲能系統(tǒng)隨后成為“無線電設(shè)備”，安全、頻譜和EMC都將根據(jù)歐盟無線電設(shè)備指令(RED)進行評估。
鑒于已經(jīng)為汽車市場開發(fā)了許多技術(shù)，控制器局域網(wǎng)(CANBus)可用于內(nèi)部通信和協(xié)調(diào)。該接口也常用于工業(yè)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)，但不太可能用作住宅系統(tǒng)的外部接口。
一些電池儲能系統(tǒng)中包含蜂窩通信模塊(2G/3G)。
8.4.2、顯示和人機界面
一般來說，住宅電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)品以安裝在各種位置，包括外部或車庫位置，從而最大限度地減少對本地顯示或操作的需求。
所有產(chǎn)品都包括一個通信接口，該接口可以是有線的或包含本地?zé)o線接入點。對產(chǎn)品配置和應(yīng)用程序選擇（用于系統(tǒng)集成商）的訪問可以通過基于Web的應(yīng)用程序或托管在基于IOS或Android的設(shè)備上的移動應(yīng)用程序進行。安裝后的制造商提供對安裝基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括使用模式。雖然超出了本報告的范圍，但交換了大量的用戶數(shù)據(jù)和行為模式，并且對網(wǎng)絡(luò)安全和漏洞的考慮必須成為主要關(guān)注點。
一些產(chǎn)品包括用于本地/遠(yuǎn)程選擇和電源的面板安裝開關(guān)。大多數(shù)產(chǎn)品都包含某種形式的簡單狀態(tài)指示，涵蓋通信活動等內(nèi)容。
8.5、輔助子系統(tǒng)
8.5.1、通風(fēng)和冷卻
按照制造商的建議安裝電池儲能系統(tǒng)對于確保可靠運行非常重要。這將包括有關(guān)選址和位置的指導(dǎo)（例如內(nèi)部/外部、墻壁或地板安裝和環(huán)境條件）以及設(shè)備周圍所需的間隙，以確保足夠的通風(fēng)。所有被調(diào)查的單元都在外殼內(nèi)包括某種形式的開放式通風(fēng)。
冷卻可以通過風(fēng)扇輔助空氣冷卻提供，其結(jié)構(gòu)和布局針對自然煙囪效應(yīng)進行了優(yōu)化，并確?？諝庠陔姵睾统潆娖?逆變器上的最佳流動。一些受訪的制造商進行了熱調(diào)查并對其產(chǎn)品內(nèi)的熱流進行了建模。
包括Tesla Powerwall在內(nèi)的大型住宅電池儲能系統(tǒng)采用內(nèi)部液體冷卻系統(tǒng)和熱交換機制。
此外還有一些維護注意事項，包括清潔通風(fēng)口/風(fēng)扇或檢查密封系統(tǒng)，必須作為制造商安裝和操作手冊的一部分記錄在案。
8.6、電池儲能系統(tǒng)的安裝
電池儲能系統(tǒng)制造商還可以通過只允許合格的安裝人員并就以下方面提出建議來降低可能發(fā)生的危險事件的風(fēng)險：
?安裝位置。
?建議將單元之間和系統(tǒng)之間與可燃材料分開。
?火災(zāi)探測要求/滅火要求。
?通風(fēng)要求。
倫敦消防隊也表達(dá)了他們希望看到電池儲能系統(tǒng)安裝登記、住宅電池儲能系統(tǒng)位置標(biāo)準(zhǔn)化以及隨時可用且可見的電池儲能系統(tǒng)關(guān)閉開關(guān)的愿望。
8.6.1、保護
英國應(yīng)用的電池儲能系統(tǒng)必須按照英國接線規(guī)定（BS7671:2018或IET接線規(guī)定）安裝。雖然法規(guī)在2017年進行了更新，但它們不包括電池儲能系統(tǒng)安裝特定章節(jié)。
在沒有電池儲能系統(tǒng)特定覆蓋范圍的情況下，BS7671:2018第712節(jié)涵蓋了太陽能發(fā)電系統(tǒng)，這個是一個有用的參考。此外，IET儲能系統(tǒng)操作規(guī)范提供了更具體的信息。
集成電池儲能系統(tǒng)環(huán)境中的保護包括內(nèi)部保護功能，例如電網(wǎng)保護和隔離以及外部保護——例如安裝組件。
如果安裝了單獨的電池和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，或者太陽能發(fā)電系統(tǒng)將與電池儲能系統(tǒng)集成，則所有用于直流的保護和開關(guān)設(shè)備必須具有適當(dāng)?shù)念~定值，并且能夠處理雙向電流（在充電和釋放）。
第8.4節(jié)中描述的系統(tǒng)控制器在電池母線級別提供電池監(jiān)控和管理。雖然單個電池模塊將在電池/組級別包含電池管理系統(tǒng)(BMS)，但完整的儲能系統(tǒng)將包括多個電池模塊或可擴展，允許隨著負(fù)載需求的增加添加額外的電池。
對于包含多個電池模塊的BESS，連接方式（硬接線母線或電纜分配）和互連方式（插頭和插座、預(yù)編碼電纜或接線端子）需要仔細(xì)考慮。在任何情況下，安裝說明都必須提供有關(guān)如何安裝和互連電池的明確說明。
雙極電池隔離器可以作為BESS控制面板的一部分或單元內(nèi)部。這通常位于靠近電池（或多個電池）的物理和電氣位置，并將直流電源隔離到逆變器輸入。對于直流母線電壓為48V或更低的系統(tǒng)，可以省略隔離器，但對于任何在120VDC以上運行的系統(tǒng)（根據(jù)IET接線規(guī)定）都是必不可少的。
除了充電器/逆變器提供的任何電子過流保護外，還應(yīng)提供直流保險絲（或其他合適的保護裝置，例如MCB或MCCB）形式的電池保護。
住宅電池儲能系統(tǒng)可用作獨立系統(tǒng)或與太陽能發(fā)電設(shè)施配套使用。而配套使用需要對安裝進行額外考慮。
?對于先前安裝的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，所有必需的直流隔離和交流隔離以及與電網(wǎng)（用戶側(cè)）的連接都已經(jīng)到位。
?對于由專用太陽能發(fā)電系統(tǒng)補充的電池儲能系統(tǒng)，電池儲能系統(tǒng)可以作為公共連接點，因此可以為光伏模塊包含額外的直流隔離（因為太陽能發(fā)電系統(tǒng)無法關(guān)閉）和路由以啟用電池充電或太陽能發(fā)電設(shè)施由普通逆變器管理。
太陽能發(fā)電系統(tǒng)的直流隔離可以是單獨的，也可以作為逆變器的一部分包含在內(nèi)。單獨隔離是可取的，因為它使功能清晰可見。
電纜標(biāo)識和顏色編碼應(yīng)遵循IET布線規(guī)則(BS7671)的建議，該規(guī)則又參考EN60445:2017“人機界面、標(biāo)記和識別的基本和安全原則”。設(shè)備端子、導(dǎo)體終端和導(dǎo)體的識別。直流電纜的顏色編碼（棕色為正極，灰色為負(fù)極）通常輔以字母數(shù)字標(biāo)記，以避免與交流接線混淆。
交流接線應(yīng)按照BS7671:2018標(biāo)準(zhǔn)和以下電纜尺寸和類型要求進行安裝。必須安裝專用的交流隔離器，以隔離電池儲能系統(tǒng)的交流電源和逆變器的交流輸出。該隔離器可以是單個單元。
交流電源連接到消費單元上的專用MCB或RCBO。所有保護和隔離組件必須符合BS7671:2018中列出的相關(guān)電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，并將列在電氣安裝證書(EIC)上。
應(yīng)該注意的是，最新版本的BS7671:2018建議在家庭安裝中使用電涌保護裝置(SPD)。該標(biāo)準(zhǔn)的第534節(jié)涵蓋了這一要求。
8.6.2、儀表
包含太陽能發(fā)電設(shè)施的系統(tǒng)還可能包括一個單獨的發(fā)電/輸出儀表。對于為“自用”而設(shè)計的系統(tǒng)，不需要輸出儀表。
8.7、儲能系統(tǒng)和裝置的最佳實踐和指南
如第7節(jié)所示，有許多可用的標(biāo)準(zhǔn)和正在制定的標(biāo)準(zhǔn)來解決電池儲能系統(tǒng)及其安裝的安全問題。本節(jié)主要基于標(biāo)準(zhǔn)描述了系統(tǒng)的一些風(fēng)險緩解選擇。這些標(biāo)準(zhǔn)確實涵蓋了相關(guān)風(fēng)險的主要部分，但仍有一些領(lǐng)域可能被遺漏。近年來，一些國家制定了指南，以幫助供應(yīng)商、安裝商和其他廠商制定有關(guān)如何全面涵蓋系統(tǒng)及其安裝安全的指南。以下是三個指南示例，旨在包括有關(guān)電池儲能的不同方面和風(fēng)險以及如何顯示合規(guī)性。
?英國：電能儲能系統(tǒng)操作規(guī)范，IET標(biāo)準(zhǔn)。
?澳大利亞：最佳實踐指南：電池存儲設(shè)備-電氣安全要求。
?德國：鋰離子住宅儲能系統(tǒng)安全指南。
9、結(jié)束語
英國電池儲能市場以鋰離子電池技術(shù)為主，但與其他鋰離子電池應(yīng)用場景相比，市場規(guī)模仍相當(dāng)小。目前，媒體報道英國的電池儲能系統(tǒng)的火災(zāi)事件很少，但由于儲能設(shè)備的能量很高，因此需要在努力創(chuàng)建新的研究和標(biāo)準(zhǔn)。
涉及國內(nèi)鋰離子電池儲能系統(tǒng)的火災(zāi)經(jīng)驗有限。電動汽車和電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用在全球范圍內(nèi)的增長需要更好地了解電池在被濫用時的行為。根據(jù)近期的一些研究，鋰離子電池的主要火災(zāi)特性可歸納為以下三個危險類別：
?隨著電池組失效和熱失控在電池組中蔓延，電池組會產(chǎn)生過多熱量，這凸顯了設(shè)計電池組的必要性，以最大限度地降低故障蔓延風(fēng)險，并阻止電池/模塊之間的火勢蔓延。當(dāng)單個電池開始出現(xiàn)故障時，早期檢測和冷卻是避免整個系統(tǒng)熱失控的關(guān)鍵。
?電池和電池組故障會產(chǎn)生大量氣體，這是由于系統(tǒng)升溫時壓力迅速升高和排氣口釋放造成的。在包裝和系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮對產(chǎn)生的氣體的管理。
?電池起火產(chǎn)生的氣體的毒性可能需要考慮通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。
從電池到系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)安裝，各個層面的風(fēng)險緩解都有很多可能性。許多緩解風(fēng)險和要求都包含在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或正在制定的標(biāo)準(zhǔn)中。以下是有關(guān)風(fēng)險緩解的一些注意事項：
?電池管理系統(tǒng)（BMS）在將電池保持在電壓、電流和溫度的工作窗口內(nèi)方面發(fā)揮著核心作用。電池儲能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)具有適用于電池管理系統(tǒng)（BMS）的特定要求和測試。
?內(nèi)部單元故障雖然很少見，但確實會發(fā)生。對于結(jié)構(gòu)良好的18650電池，內(nèi)部事件的故障率估計為千萬分之一(0.1ppm)。這意味著每1萬個電池儲能系統(tǒng)中就有一塊電池發(fā)生故障（假設(shè)一個5kWh電池儲能系統(tǒng)包含500塊18650電池）。這并不是說萬分之一的電池儲能系統(tǒng)會發(fā)生災(zāi)難性的事故。正確的電池儲能系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)造應(yīng)該能夠防止電池組故障的蔓延。單個電池故障應(yīng)該是可控的。
?如果系統(tǒng)設(shè)計良好，則應(yīng)考慮由單個電池引起的熱事件的蔓延。這對于緩解風(fēng)險非常重要，并且將對系統(tǒng)的整體風(fēng)險評估產(chǎn)生重大影響?？刂齐姵亟M內(nèi)的單個電池故障可降低整個系統(tǒng)故障和住宅火災(zāi)的風(fēng)險。適用于住宅鋰離子電池儲能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)（例如BSEN62619和IEC62933-5-2）包含對電池故障蔓延的評估。
一些適用于英國鋰離子電池儲能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)目前正在制定或最近發(fā)布。最近發(fā)布的第一版IEC62933-5-2涵蓋了住宅儲能系統(tǒng)的安全性。在IEC62933-5-2的未來版本中，很可能要求鋰離子電池子系統(tǒng)應(yīng)符合BSEN62619、IEC62485-5（開發(fā)中）和IEC63056標(biāo)準(zhǔn)。如果開發(fā)這些標(biāo)準(zhǔn)的目的是作為低電壓指令或通用產(chǎn)品安全指令下的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，或在其他標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)（如BS7671）中引用，它將有助于明確表明符合法規(guī)的過程。當(dāng)前的電池子系統(tǒng)通常僅根據(jù)BSEN62619進行測試。
（全文完）
