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)事故分析提供技術支撐。
關鍵詞 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(tǒng)主力能源迎來前所未有的快速發(fā)展機會?？稍偕茉醋陨聿▌有?、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，可應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(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，電池儲能技術行業(yè)標準和規(guī)范尚不完善，仍存在較大的安全性和可靠性問題?，F(xiàn)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(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(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，達到準確、全面和快速地實現(xiàn)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。
1 狀態(tài)信息采集系統(tǒng)架構
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，重新鋪設一套獨立采集網(wǎng)絡的可行性不高，需要充分利用已有監(jiān)測設備。為此，該系統(tǒng)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(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)架構設計，包含前端采集設備、就地后臺和遠端后臺；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡包含用于前置機和就地后臺之間的通信網(wǎng)絡(底層網(wǎng)絡)，就地后臺和遠程后臺之間的通信網(wǎng)絡(頂層網(wǎng)絡)，系統(tǒng)架構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體架構
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。若干個電池箱構成一個電池簇，簇內(nèi)建立一個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，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)構成一個電池堆，簇與簇之間采用另一個網(wǎng)絡進行簇間信息傳輸。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)絡進行數(shù)據(jù)通信，全站對時系統(tǒng)對站內(nèi)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(tǒng)、消防動環(huán)系統(tǒng)、智能設備均作為運行狀態(tài)采集系統(tǒng)的前端采集設備，和數(shù)據(jù)記錄單元的模擬量、開關量采集通道一起構建成底層動態(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，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)設計
2.1 數(shù)據(jù)記錄單元硬件設計
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板部分負責通信接口信息獲取、數(shù)據(jù)存儲、信息轉發(fā)、設備管理功能。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。數(shù)據(jù)記錄單元的硬件結構如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)記錄單元裝置硬件結構圖
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)。當外部失電時，Vout=0，鋰電池向裝置供電。考慮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，定期維護鋰電池電源，切換開關采用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)。國外學者已對鋰電池故障及安全演化機理進行了深入研究，認為過充、過放、過電流、過熱工況以及電池內(nèi)部短路是導致電池安全狀態(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，導致故障復雜化。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)、自適應啟動和非電量判據(jù)，各判據(jù)詳細描述如下文所述。
2.2.1 電流判據(jù)
2.2.4 自適應判據(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 自適應判據(jù)的形成和判斷框圖
自適應判斷對儲能艙運行時背景數(shù)據(jù)擾動進行監(jiān)測，獲取當前時刻點的運行背景數(shù)據(jù)，通過對關鍵數(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)組集合形成了當前時刻點的運行背景數(shù)據(jù)。當運行數(shù)據(jù)擾動大于內(nèi)部預設定值時觸發(fā)啟動，同時重新進行背景數(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鍵數(shù)據(jù)的擾動。對背景數(shù)據(jù)集合內(nèi)的參數(shù)進行加權處理，可以靈活地適應不同儲能應用場合。
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)收到其他設備通過網(wǎng)絡通信或開入量變位啟動錄波等其他相關啟動。
2.3 存儲和通信設計
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，其中存儲結構如圖6所示。前者負責單個儲能艙模擬量、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；后者負責站內(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)存儲結構
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)并在故障時進行錄波，按照表1的要求進行保存。
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)記錄單元負責擾動啟動判斷，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)絡正常情況下，數(shù)據(jù)可即時就地分析；網(wǎng)絡中斷情況下，數(shù)據(jù)采用循環(huán)存儲方式存儲，恢復后可即時上傳，或可直接導出數(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，能更實時的提供數(shù)據(jù)源；系統(tǒng)具有故障錄波的功能，能夠對故障進行追憶和分析；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用軟件具有如下特點：①預知電池的充放電狀態(tài)，結合從數(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，縱向對比單體電池歷史充放電曲線，預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，橫向對比同一時刻不同單體電池之間的不一致性，為電池維護提供依據(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)絡估算SOC提供數(shù)據(jù)源。④對每次故障狀態(tài)進行歸類記錄，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)進行預警，特別在系統(tǒng)發(fā)生運行異常時，運行維護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，結合上述儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的詳細描述，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(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、負極對地絕緣電阻基本相等，對地電壓是相對平衡的。當發(fā)生單極接地時，其正、負極對地電壓都會發(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37.5 mS時竄入交流電壓，165.5 mS后交流竄入消失，電壓恢復正常。
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)外部負荷變化，當外部負荷基本保持不變時，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
當負載為脈沖型時，放電電流的波形也會隨負載呈現(xiàn)脈沖型。圖12為沖擊負荷放電錄取的波形。
圖12 直流系統(tǒng)負荷沖擊錄波
4 結論
鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，可以對艙內(nèi)的關鍵設備運行狀態(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，設計了數(shù)據(jù)記錄單元、就地分析管理單元，設立了錄波觸發(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].儲能科學與技術,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設計，E-mail：gaoxiang@china-gold.com。
