作者：徐光福
姜淼王萬純魏陽侯煒
單位：南京南瑞繼保電氣有限公司
引用：徐光福,姜淼,王萬純等.大型儲能電池短路故障分析與保護策略[J].儲能科學與技術,2022,11(07):2222-2232.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0571
摘 要由電池構成的大型儲能在清潔能源占比高的電力系統里占有重要地位，電池的短路計算和保護配置十分重要。本文首先提出了單體電池短路模型，並用短路實驗驗證了模型有效性。在此基礎上，推導了簇內和簇間短路的短路電流通用計算公式，計算公式可以廣泛應用於任意電池數量的大型儲能系統之中，全面地覆蓋了各種極間及極地短路情況，在算例中驗證理論計算公式與仿真誤差在4%以內可以滿足保護分析需要。分析了影響短路電流的因素和變化規律，發現了簇內短路時短路點內部電池越多則其他簇和短路點電流越大、簇間短路時模組差對短路電流影響等結論。根據理論計算公式，研究了大型儲能電站各種保護方案的利弊，提出了基於熔斷器的保護配置方案，並分析了最有利的熔斷器安裝位置，總結出在此方案下各個熔斷器最大短路電流的計算方法。本文提出的保護配置方案覆蓋了短路電流計算、器件選型等多個方面，可以廣泛應用於各種電池儲能電站前期方案設計之中。
在雙碳背景下，為了解決新能源出力波動性問題，大型儲能電池系統正蓬勃發展。儲能系統在長期運行過程中，存在因為絕緣老化、操作不當等導致的極間、極地等短路故障。特別是極間短路發生時過渡電阻較小，會產生巨大的直流短路電流，嚴重影響電池的安全運行。傳統的直流繼電保護計算和配置方法，難以適用於大型儲能這種特殊的直流系統，然而缺乏合理保護配置的儲能系統很容易遭受各種短路故障，這會造成巨大的經濟損失。目前研究電池短路的文獻以故障初期暫態量分析為主，穩態量分析較少，其主要思路是根據參數計算電路暫態方程。但是大型儲能電池系統由於電纜較短(總長度幾十米)，線路電感和對地電容都很小，暫態量並不大而且時間極短。對短路電流起主要作用的穩態量的計算缺乏深入的研究和分析。大型儲能的電池系統由數量巨大的電池單體構成，其短路情況繁多且複雜，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，通過在電池匯流櫃和電池簇內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濟性不佳的問題。一些文獻通過在線數據檢測和電池建模來實現故障判斷：文獻[10]提出了在線診斷電池內部短路的方法，該方法基於一種等效電路模型，通過抽取開路電壓和SOC來估計故障指數，該方法具有一定的理論研究意義但是無法應用於保護方案設計之中；文獻[11]提出了電池故障診斷模型，並提出了故障監測與隔離方法，該方法主要是應用於電動汽車，難以應用於大型儲能電池系統之中。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，在實際系統設計階段缺乏理論指導，嚴重威脅儲能電站的安全運行。本文從電池短路模型入手，推導各種短路情況下電池系統各處短路電流理論計算公式，並在理論計算公式基礎上，分析影響短路電流大小的因素，並提出基於熔斷器的保護配置方案。單體電池的短路模型由內電動勢E，內阻Rn和故障阻抗Rf組成，等效電路圖如圖1所示。
圖1電池短路模型其中內電動勢E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生初期數秒內的電流電壓變化，在這較短時間內電池的SOC、溫度、老化程度都可以認為不變，所以在短路期間內電動勢可以認為不變。考慮到電池短路分析中主要關心最大短路電流，故內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)。內阻Rn在一定範圍內可以認為不變，取電池的直流內阻。為了驗證模型的準確性，採用280 Ah單節電池做短路實驗，電池滿充電壓3.65 V，直流內阻0.4 mΩ。現場將電池正負極直接經電纜和短路機連接，其阻抗和約為1.8 mΩ。現場實驗照片如圖2所示。
圖2現場實驗照片
圖3故障電流由圖3可見，發生短路後直流短路電流快速上升，峰值電流在1604 A，並隨着電池電量流失短路電流緩慢下降。對於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。大型儲能電站的基本結構是由若干節電池串聯形成電池模組，若干個電池模組串聯形成電池簇，電池簇並聯形成電池堆而形成，示意圖如圖4所示。
圖4大型儲能電池結構考慮到模組是為了方便單體電池的生產和安裝而形成的概念，並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。考慮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。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。簇內或者簇間兩點接地故障與簇內或者簇間極間短路類似，只是此時故障阻抗變為兩處接地阻抗之和。由於一般接地阻抗(幾十歐姆到上百歐姆)遠大於極間短路阻抗且系統對地電容較小，故接地故障電流遠小於極間短路電流甚至可能小於負荷電流。由於兩點接地短路故障電流不大，對系統危害遠沒有簇內和簇間極間短路嚴重，所以下文中主要討論簇內和簇間極間故障。採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，每個模組為14個電池串聯。考慮到電池被封裝到模組中，現場多數短路故障都是模組之間發生。模組內發生電池故障也可以採用第2節方法進行分析，但是現實中因為模組內沒有任何保護措施，發生短路沒有干預手段，分析的意義不大。所以本節算例中只考慮模組間的短路故障。根據公式(3)～(4)，計算出來短路點內不同模組數量各處電流理論計算值如表2所示。其他簇故障電流、故障點內電流、故障點電流理論計算與仿真之間誤差如表3所示。表3短路點內不同模組數各處電流理論計算值與仿真誤差
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於電池元件數量巨大，仿真速度很慢時間可能長達數小時，採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。
圖7電流變化柱狀圖（1）故障點內部故障電流緩慢變化，有先增大再減小的趨勢，電流變化範圍6.61～8.42 kA；（2）其他簇提供的故障電流逐漸增大，當故障點內模組數為15即在簇首末端發生故障時，其他簇提供的故障電流與故障點內故障電流相同，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。按照圖6中發生簇1和簇2簇間短路，根據公式(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。與簇內短路類似，本方法可以有效地提高計算速度節省分析時間。根據以上計算方法，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於簇內短路，這裡不考慮)，短路電流變化三維柱狀圖如圖8所示(詳細數據見附錄A)。
圖8電流變化三維柱狀圖為了表述方便，定義模組數和模組差概念：模組數即電池簇從正極算起到故障點的電池模組數量；模組差即兩個故障簇的模組數之差。下面分析圖6中各處電流與模組之間關係：（1）故障點電流If：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，隨着模組數從小到大故障點電流有先變小後增大的趨勢，中間位置發生故障故障點電流最小；模組差為m發生的簇間故障故障點電流比簇內m個模組故障故障點電流要小。（2）簇1和簇2從正/極到故障點電流IF1u，IF1d，IF2u，IF2d：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。（3）其他簇故障電流Ioth：模組差越大，則其他簇流入到故障點電流越大。根據第3部分的計算，電池極間短路發生後，短路電流是數千安培級別的直流量，開斷這種數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後，會出現鼓包、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火災。所以採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，發生短路後熔斷器熔斷切斷短路電流。對於熔斷器來說主要選型參數是分斷能力，其中確定分斷能力上限十分重要，關係到熔斷器是否能正常熔斷。下面按照圖9加裝熔斷器後，計算每個熔斷器流過的最大短路電流，並以此來指導熔斷器選型。本節中變量定義與第2節一致。在圖9中對於熔斷器Cn1～CeM，根據第3節分析，在發生F3故障時，流過的故障電流最大，計算公式為：
(11)對於熔斷器N1～NM，此時流過中間熔斷器最大短路電流(推導過程見附錄B)為：
(12)對於熔斷器Dp和De，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：
(13)根據表5計算出熔斷器最大短路電流並選型。本文提出的熔斷器選型方法，已經應用於浙江某大型儲能電池項目的前期保護方案設計之中。本文提出並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，並與仿真對比證明了有效性。根據短路電流計算公式，分析了短路電流大小與故障位置關係、所有情況下儲能系統各處最大短路電流。由於電池簇內極間短路電流巨大，本文提出基於熔斷器的保護配置方案，並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，可以廣泛應用於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安全隱患。第一作者：徐光福（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向為配網、微網、儲能保護與控制技術；E-mail：xugf@nrec.com；
通訊作者：姜淼，碩士，工程師，研究方向為新能源接入電網、繼電保護及儲能控制等，E-mail：nanjingjiangmiao@yeah.net。
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