大型儲能電池短路故障分析與保護策略

2022-07-07 06:40:20徐光福王萬純

儲能科學與技術 2022年7期

在雙碳背景下，為了解決新能源出力波動性問題，大型儲能電池系統(tǒng)正蓬勃發(fā)展。儲能系統(tǒng)在長期運行過程中，存在因為絕緣老化、操作不當?shù)葘е碌臉O間、極地等短路故障。特別是極間短路發(fā)生時過渡電阻較小，會產(chǎn)生巨大的直流短路電流，嚴重影響電池的安全運行

。傳統(tǒng)的直流繼電保護計算和配置方法，難以適用于大型儲能這種特殊的直流系統(tǒng)，然而缺乏合理保護配置的儲能系統(tǒng)很容易遭受各種短路故障，這會造成巨大的經(jīng)濟損失。

4.氧傳感器λ值為0.99，理想狀態(tài)下空燃比λ值為1，故障車的λ值為0.99，也算正常，但是混合汽短期修正值和長期修正值遠超正常范圍(正常應不超過±10%)，說明故障車的λ值(0.99)是經(jīng)過修正后才處于正常范圍的。

目前研究電池短路的文獻以故障初期暫態(tài)量分析為主

，穩(wěn)態(tài)量分析較少，其主要思路是根據(jù)參數(shù)計算電路暫態(tài)方程。但是大型儲能電池系統(tǒng)由于電纜較短(總長度幾十米)，線路電感和對地電容都很小，暫態(tài)量并不大而且時間極短。對短路電流起主要作用的穩(wěn)態(tài)量的計算缺乏深入的研究和分析。大型儲能的電池系統(tǒng)由數(shù)量巨大的電池單體構成，其短路情況繁多且復雜，需要推導通用的計算公式來指導保護配置。

目前的保護配置方案分為熔斷器和直流斷路器兩種方案

。文獻[13]提出熔斷器保護配置方案，通過在電池匯流柜和電池簇內(nèi)開關盒中安裝熔斷器來阻斷短路電流，該方案具備應用價值，但是缺乏對短路電流計算的詳細分析；文獻[14]提出由極間故障保護、極地故障保護與直流接地監(jiān)控以及直流斷路器構成的保護配置方案，該方案在短路電流極大的情況下存在經(jīng)濟性不佳的問題。一些文獻通過在線數(shù)據(jù)檢測和電池建模來實現(xiàn)故障判斷：文獻[10]提出了在線診斷電池內(nèi)部短路的方法，該方法基于一種等效電路模型，通過抽取開路電壓和SOC 來估計故障指數(shù)，該方法具有一定的理論研究意義但是無法應用于保護方案設計之中；文獻[11]提出了電池故障診斷模型，并提出了故障監(jiān)測與隔離方法，該方法主要是應用于電動汽車，難以應用于大型儲能電池系統(tǒng)之中。綜上，目前缺乏深入的大型儲能電池短路電流計算分析與保護配置方案研究，在實際系統(tǒng)設計階段缺乏理論指導，嚴重威脅儲能電站的安全運行。

喚醒土壤的靈性，恢復大地生命之春。在長城內(nèi)外、大江南北，有機硅功能肥一定會潤大地、生靈氣，讓農(nóng)民兄弟獲得豐收，人陶醉！

本文從電池短路模型入手，推導各種短路情況下電池系統(tǒng)各處短路電流理論計算公式，并在理論計算公式基礎上，分析影響短路電流大小的因素，并提出基于熔斷器的保護配置方案。

1 單體電池短路模型

單體電池的短路模型由內(nèi)電動勢

，內(nèi)阻

和故障阻抗

組成，等效電路圖如圖1所示。

其中內(nèi)電動勢

與SOC、溫度、電流、老化因素相關

，考慮到短路分析中只關心故障發(fā)生初期數(shù)秒內(nèi)的電流電壓變化，在這較短時間內(nèi)電池的SOC、溫度、老化程度都可以認為不變，所以在短路期間內(nèi)電動勢可以認為不變?？紤]到電池短路分析中主要關心最大短路電流，故內(nèi)電動勢選取電池滿充電壓

(該電壓為電池所能達到最大電壓)。內(nèi)阻

在一定范圍內(nèi)可以認為不變，取電池的直流內(nèi)阻。

為了驗證模型的準確性，采用280 Ah 單節(jié)電池做短路實驗，電池滿充電壓3.65 V，直流內(nèi)阻0.4 mΩ?，F(xiàn)場將電池正負極直接經(jīng)電纜和短路機連接，其阻抗和約為1.8 mΩ?，F(xiàn)場實驗照片如圖2所示。

1．1 對象采用多級整群隨機抽樣方法，按照遵義地區(qū)初、高中分布特點，隨機抽取初、高中各一所（遵義縣第八中學、遵義縣第一中學），然后在初中各年級中隨機抽取4個班級，發(fā)放問卷450份；在高中班級中隨機選取高一年級，在該年級中隨機抽取10個班級，發(fā)放問卷550份。初、高中生共發(fā)放問卷1 000份，回收934份，剔除無效問卷，有效問卷為911份，有效率為97．5%。其中男生479人，女生432人；留守兒童267人，留守兒童均為父母一方或雙方外出務工6個月以上未滿18周歲的農(nóng)村兒童［6］（男生135人，女生132人）；非留守兒童644人，男生344人，女生300人，其年齡在11～17周歲之間。

電池短路電流如圖3所示。

由圖3可見，發(fā)生短路后直流短路電流快速上升，峰值電流在1604 A，并隨著電池電量流失短路電流緩慢下降。

對于電池短路分析計算而言，更關心電池故障起始的最大電流。根據(jù)本文提出的計算模型，計算出來短路電流為3.65 V/(0.4 mΩ+1.8 mΩ)=1659 A，與試驗值誤差僅為3.4%，該誤差可以滿足保護分析計算對模型精度的需求，下文將以該電池模型來分析大型儲能短路情況。

2 大型儲能電池短路故障分析

大型儲能電站的基本結構是由若干節(jié)電池串聯(lián)形成電池模組，若干個電池模組串聯(lián)形成電池簇，電池簇并聯(lián)形成電池堆而形成，示意圖如圖4所示。

F1 和F2 為簇內(nèi)極間短路故障，發(fā)生故障后故障點內(nèi)、故障點外、其他簇、PCS都會產(chǎn)生故障電流且故障簇短路電流比其他簇大，故考慮在每一簇的靠近正負極位置增加熔斷器

和

(p表示正極，e表示負極，下同)。由于簇內(nèi)短路可能發(fā)生在多個位置(比如圖中F1 和F2)，應盡可能阻斷故障點內(nèi)短路電流，所以考慮在簇內(nèi)安裝熔斷器

。以下分析在一簇電池中哪個位置串聯(lián)熔斷器，發(fā)生故障時熔斷故障點的概率最高，即加裝熔斷器產(chǎn)生收益最高。設總電池數(shù)量為

，在第

個和

+1 電池中間增加熔斷器(

和

為正整數(shù)且

＜

)，定義故障跨越概率為

，

滿足式(9)(不考慮正負極短路情況)：

大型儲能電池的接地方式以不接地為主

，短路故障主要分為簇內(nèi)短路、簇間短路和兩點接地短路三種，下文針對三種情況分別討論通用的計算公式。

2.1 電池簇內(nèi)極間短路故障分析

如圖5所示發(fā)生的簇內(nèi)短路故障，設總簇數(shù)為

，每一簇

個電池，短路點外

個電池，即短路點內(nèi)

個電池之間發(fā)生故障，其中

＜

；每個電池內(nèi)電動勢為

，內(nèi)阻

，故障電阻

；設非故障簇每一簇提供故障電流為

，故障簇內(nèi)部故障電流為

，電流方向都是流向故障點。忽略其他線阻。

根據(jù)以上條件列出電路方程：

推導出來

和

的計算公式為：

在汾河流域節(jié)水灌溉發(fā)展水平綜合評價指標體系中包括5個定性指標和9個定量指標，其中定性指標包括政策法規(guī)、政府支持、宣傳教育、公眾參與、技術推廣體系建立。定性指標量化方法如下：

故障點處的故障電流為：

從公式(3)～(5)可以發(fā)現(xiàn)，故障點電流只與故障點內(nèi)部電池數(shù)目相關，與故障位置無關。其他簇電流式(3)、總故障電流式(5)隨著

減小而增大，即短路點內(nèi)電池越多則其他簇和短路點電流均變大。

（1）故障點內(nèi)部故障電流緩慢變化，有先增大再減小的趨勢，電流變化范圍6.61～8.42 kA；

2.2 電池簇間極間短路故障分析

如圖6所示發(fā)生的簇間短路故障，由于電路關系較為復雜，且由于保護分析計算的重點在于電流，故采用回路電流法來計算。

最終熔斷器安裝方案如圖9 所示，總共

簇內(nèi)，設置匯流柜熔斷器

和

、各簇高壓箱

～

和

～

，各簇中間位置熔斷器

～

。

根據(jù)已知的阻抗矩陣

和電壓矩陣

可以計算出電流

、

，然后根據(jù)下式計算系統(tǒng)各處電流：

2.3 兩點接地短路故障分析

簇內(nèi)或者簇間兩點接地故障與簇內(nèi)或者簇間極間短路類似，只是此時故障阻抗變?yōu)閮商幗拥刈杩怪汀Ｓ捎谝话憬拥刈杩?幾十歐姆到上百歐姆)遠大于極間短路阻抗且系統(tǒng)對地電容較小，故接地故障電流遠小于極間短路電流甚至可能小于負荷電流。

由于兩點接地短路故障電流不大，對系統(tǒng)危害遠沒有簇內(nèi)和簇間極間短路嚴重，所以下文中主要討論簇內(nèi)和簇間極間故障。

3 仿真與計算分析

1.2方法對照組采用常規(guī)小兒肺炎對癥治療,具體措施為:幫助患兒取合適體位促進痰液快速排出體外,確?；純汉粑〞?對患兒采取抗感染治療,靜脈滴注30-40萬U/kg/d的青霉素鈉與50mg/kg/d的頭孢唑啉,同時服用復合維B、維C與小兒止咳顆粒,體溫超38.5℃患兒需使用藥物退熱。研究組在對照組基礎上加用鹽酸氨溴索(江蘇漢晨藥業(yè)有限公司,國藥準字H20066523)與鹽酸丙卡特羅(四川大冢制藥有限公司,國藥準字H20093290)治療,用法用量:鹽酸氨溴索10-30mg/次,根據(jù)年齡調(diào)整劑量,3次/d;鹽酸丙卡特羅12.5-25μg/次,根據(jù)年齡調(diào)整劑量,2次/d,共治療1周。

每個電池的參數(shù)見表1。

3.1 電池簇內(nèi)短路故障分析

根據(jù)公式(3)～(4)，計算出來短路點內(nèi)不同模組數(shù)量各處電流理論計算值如表2所示。

采用電池仿真來驗證本文的計算公式，算例中電池為8簇，每一簇為15個模組串聯(lián)，每個模組為14 個電池串聯(lián)?？紤]到電池被封裝到模組中，現(xiàn)場多數(shù)短路故障都是模組之間發(fā)生。模組內(nèi)發(fā)生電池故障也可以采用第2節(jié)方法進行分析，但是現(xiàn)實中因為模組內(nèi)沒有任何保護措施，發(fā)生短路沒有干預手段，分析的意義不大。所以本節(jié)算例中只考慮模組間的短路故障。

其他簇故障電流、故障點內(nèi)電流、故障點電流理論計算與仿真之間誤差如表3所示。

從式(10)可見，中間熔斷器安放在中間位置熔斷故障點故障概率最高，串聯(lián)多個熔斷器可以同理推導。本文以安裝一個熔斷器為例進行分析，多個熔斷器分析方法類似?？紤]到PCS可能會短暫提供故障電流，在PCS出口正負極加裝熔斷器

和

。

各處電流理論計算值趨勢變化由圖7 柱狀圖表示。

作為重要的經(jīng)濟作物，大豆起源于中國，隨后廣泛傳播于世界各地。目前廣泛采用的大豆參考基因組來源于美國品種“Williams 82”（ Glycine_max_v2.0 ），但這一品種的基因組并不能完全代表所有大豆的遺傳變異，特別是距離遙遠的亞洲品種和美國品種具有明顯的遺傳變異。不了解這些差異，就會影響大豆功能基因的定位挖掘。

從圖7中可見，隨著故障點內(nèi)模組數(shù)增加：

當

=0時，即為簇首末端故障，計算公式為：

（2）其他簇提供的故障電流逐漸增大，當故障點內(nèi)模組數(shù)為15 即在簇首末端發(fā)生故障時，其他簇提供的故障電流與故障點內(nèi)故障電流相同，此時的電流即為故障點外部最大故障電流7.67 kA；

（3）故障點電流逐漸增大，在簇首末端故障時故障電流最大值為61.32 kA。

3.2 電池簇間短路故障分析

按照圖6 中發(fā)生簇1 和簇2 簇間短路，根據(jù)公式(7)～(8)計算出來電氣量與仿真結果比較見表4：

可見理論計算方法與仿真誤差很小，可以滿足保護分析需要。與簇內(nèi)短路類似，本方法可以有效地提高計算速度節(jié)省分析時間。

根據(jù)以上計算方法，計算出簇1 和簇2 不同模組位置故障點短路(簇首端或者末端故障相當于簇內(nèi)短路，這里不考慮)，短路電流變化三維柱狀圖如圖8所示(詳細數(shù)據(jù)見附錄

)。

為了表述方便，定義模組數(shù)和模組差概念：模組數(shù)即電池簇從正極算起到故障點的電池模組數(shù)量；模組差即兩個故障簇的模組數(shù)之差。下面分析圖6中各處電流與模組之間關系：

（1）故障點電流

：故障模組差越大，則故障點電流越大；故障模組相對位置與故障點電流之間存在對稱性；模組差為0時沒有短路電流；相同模組差下，隨著模組數(shù)從小到大故障點電流有先變小后增大的趨勢，中間位置發(fā)生故障故障點電流最??；模組差為

發(fā)生的簇間故障故障點電流比簇內(nèi)

個模組故障故障點電流要小。

教師在教育改革和高等職業(yè)院校建設中處于關鍵因素和決定要素的位置，提升教師對大數(shù)據(jù)技術的使用能力，提高教師信息化水平等工作對高等職業(yè)院校現(xiàn)在進行的教育改革來講非常重要。

（2）簇1和簇2從正/極到故障點電流

，

：從正/負極到故障點所跨模塊越多，則從正/負極流入故障點電流越大。

“只要自己不懶，就可以通過勞動來換取積分，而且是多勞多得，用積分就能換取愛心超市里面的產(chǎn)品?！?月13日，沁縣段柳鄉(xiāng)西河底村貧困戶曹保慶手拿一張50分愛心超市積分卡，在村里的愛心公益美德超市，用部分積分兌換了一桶醋、一袋鹽、一塊香皂?！斑@個法子確實好，以前村里公務勞動喇叭喊破也不來幾個人，現(xiàn)在只要大家沒事，聽到喇叭都是搶著出來，都想多掙積分，多換些生活用品?！卑l(xiāng)領導沁縣縣委常委、組織部長、統(tǒng)戰(zhàn)部長張東文說。

（3）其他簇故障電流

：模組差越大，則其他簇流入到故障點電流越大。

4 保護策略分析

根據(jù)第3 部分的計算，電池極間短路發(fā)生后，短路電流是數(shù)千安培級別的直流量，開斷這種數(shù)量級的直流電流所需要的直流斷路器成本很高。而且考慮到需要在每個簇、PCS端等位置安裝，成本巨大，所以大型儲能電站不適合加裝斷路器。

另一方面，電池在流過巨大的短路電流后，會出現(xiàn)鼓包、膨脹等問題，電池廠家建議流過短路電流的電池全部更換。從這個角度來說，大型儲能電池的保護配置是為了及時切斷故障電流，防止長時間大電流導致電池燃燒引發(fā)火災。所以采用熔斷器分斷故障電流是比較合適的，即在合適的位置加裝熔斷器，發(fā)生短路后熔斷器熔斷切斷短路電流。

4.1 熔斷器安裝位置分析

在圖9中F1～F6為各種典型的極間短路故障，下面根據(jù)各處短路來討論熔斷器保護的安裝位置。

考慮到模組是為了方便單體電池的生產(chǎn)和安裝而形成的概念，并不影響電池短路分析結果，在下面的短路理論公式推導中只考慮電池的概念?？紤]到電池間的電纜很短，為了簡化推導過程，忽略電纜阻抗。忽略電纜阻抗會使得計算出來的電流略微偏大，不會影響短路分析結果。

以2g氧化鎂和含2ng的錸標準溶液為試驗對象，按實驗方法分別加入0、20、30、40、60、80mg氫氧化鈉進行試驗，結果見圖1。由圖1可見，當氫氧化鈉用量為40～80mg時，錸的回收率均在90%以上。為減小陽離子交換樹脂分離負荷，需盡量減少鈉離子加入量，因此實驗選擇氫氧化鈉用量為40mg。

式(9)中

為常量，

為優(yōu)化變量，求導后取

最大值的條件為：

由表3可見，理論計算與仿真誤差極小，可以用理論計算來對故障電流進行評估。大型儲能電池短路仿真模型由于電池元件數(shù)量巨大，仿真速度很慢時間可能長達數(shù)小時，采用本文提出的計算公式進行計算在保證計算精度前提下可以極大地縮小計算時間。

傳播中華文化、提升國家文化軟實力是當前文學“走出去”背后的訴求。在弘揚民族文化的迫切需求下，需清醒地認識到作為文化傳播途徑的文學譯介必須是一個循序漸進的過程。《青衣》英譯本在西方讀者群體中獲得的廣泛認同，無疑為文學譯介和文化傳播帶來了啟示。

F3、F5和F6為簇正負兩端極間短路故障，此時各簇故障電流相同且為最大值。F3 故障簇兩端熔斷器流過其他簇所有短路電流，F(xiàn)5 故障每一簇故障電流相同，此時所有簇首末熔斷器和中間熔斷器都會熔斷來阻斷電池的短路電流，熔斷器

阻斷PCS 短路電流；F6 故障下熔斷器

熔斷后PCS 仍會提供電流，需要PCS自身保護來動作。

某天下午，我終于找到了和她拉呱兒的機會。珊德拉夫人托著咖啡杯盞走到我的桌邊，頷首問，我可以坐在這里嗎？

F4 為簇間短路故障，此種情況與簇內(nèi)短路故障類似但短路電流一般小于簇內(nèi)短路。

以下以簇1 和簇2 之間發(fā)生簇間短路為例分析短路計算方法，其他簇間短路故障計算方法與之類似。設總簇數(shù)為

，每一簇

個電池，簇1 短路點到正極

個電池，簇2短路點到正極

個電池，其中

＜

，

＜

；每個電池內(nèi)電動勢為

，內(nèi)阻

，故障電阻

。其他所有簇流入正極電流為

，簇2流入正極電流為

，負極流入簇2電流為

。根據(jù)電路列出回路電流法方程為：

從編碼長度比較可以看出，由于ICSA-ECOC編碼方法是事前編碼和數(shù)據(jù)感知編碼的組合搜索，其編碼長度普遍要高于事前編碼，低于一對一編碼，與經(jīng)典的混淆矩陣編碼和Bautista編碼長度相差不大.在部分類別數(shù)較大的數(shù)據(jù)集上，ICSA-ECOC方法與Bautista方法編碼長度要大于基于混淆矩陣的編碼方法，從側面反映兩者方法擁有更優(yōu)秀的糾錯能力.

此外，故障結束后需要更換所有熔斷器，這是由于整個系統(tǒng)中所有熔斷器都流過短路電流，雖然某些情況下有些熔斷器流過電流較小，但是也有可能發(fā)生熔體融化但未熔斷的情況，有可能影響下一次熔斷。

4.2 熔斷器選型分析

對于熔斷器來說主要選型參數(shù)是分斷能力，其中確定分斷能力上限十分重要，關系到熔斷器是否能正常熔斷。下面按照圖9加裝熔斷器后，計算每個熔斷器流過的最大短路電流，并以此來指導熔斷器選型。本節(jié)中變量定義與第2節(jié)一致。

在圖9 中對于熔斷器

～

，根據(jù)第3 節(jié)分析，在發(fā)生F3 故障時，流過的故障電流最大，計算公式為：

Yaks and sheep are busy grazing, rain or snow is coming then.

對于熔斷器

～

，此時流過中間熔斷器最大短路電流(推導過程見附錄

)為：)

對于熔斷器

和

，流過的最大短路電流為F6，此時所有簇都提供故障電流，計算公式為：

各個熔斷器最大短路電流計算公式見表5。

根據(jù)表5 計算出熔斷器最大短路電流并選型。本文提出的熔斷器選型方法，已經(jīng)應用于浙江某大型儲能電池項目的前期保護方案設計之中。

5 結論

本文提出并驗證了電池短路計算模型，推導出各種短路情況下短路電流理論計算公式，并與仿真對比證明了有效性。根據(jù)短路電流計算公式，分析了短路電流大小與故障位置關系、所有情況下儲能系統(tǒng)各處最大短路電流。由于電池簇內(nèi)極間短路電流巨大，本文提出基于熔斷器的保護配置方案，并分析了熔斷器配置位置和最大電流計算方法。本文提出的短路計算方法，可以廣泛應用于各種大型儲能電站前期設計中；提出的保護配置方案具備實際應用價值，能夠切實降低大型儲能系統(tǒng)安全隱患。

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根據(jù)理論計算公式計算出來各處電流如下表所示：