魏照中I叶冬挺I许飞2
1.上海电气电站工程公司上海201100
2.上海电气国轩新能源科技有限公司上海201100
摘要：随着储能行业的发展•多电池簇储能单元具有很大的市场前景。针对大规模储能电站多电池簇储能单元的短路电流问题.进行了分析和优化.并在Etap软件中进行了仿真验证。所进行的分析和优化为储能电站的高效、安全运行提供了理论依据。 关键词：锂电池；储能单元；分析；优化
中图分类号：TM91文献标志码：A文章编号：1674-540X(2021)01-020-05
Abstract:With the development of the energy storage industry,multi-cell cluster energy storage unit has great market prospect.In view of the short-circuit current problem of the multi-cell cluster energy storage unit of large-scale energy storage power station,the analysis and optimization were carried out・and the simulation verification was carried out in Etap software.The analysis and optimization performed provide a theoreticeil basis for the efficient and safe operation of the energy storage power station.
Keywords:Lithium Battery;Energy Storage Unit；Analyses;Optimization
1研究背景
随着分布式能源、可再生能源、能源互联网的快速发展.全球正经历一场史无前例的能源变革。根据国际能源署的预测.2040年全球可再生能源发电量占比将达到34%。全球大部分国家和地区都提出了清洁能源的目标.可以预见，清洁能源将逐步替代传统能源.并最终占据主导地位。随着可再生能源发电占比的提高.电网的可调节性和稳定性将受到影响。应用储能技术.在电力系统中增加存储环节•可以平抑大规模可再生能源发电接入电网所带来的波动性.提高电网运行的安全性、经济性和灵活性。储能能够在电力系统中发挥调压、调峰、调频等多种作用.大容量电力储能技术具有调节范围大、响应速度快、跟踪精确、可双向调节的特点.根据不同的接入位置可以分为电源侧储能、电网侧储能和用户侧储能。 锂电池储能效率高.能量密度大•循环寿命长，是现阶段适合进行工程应用的技术路线。根据中关村储能产业技术联盟全球储能项目库不完全统计•截至2019年底，全球已投运的储能项目累计装机容量达到184.6GW.电化学储能累计装机容量为9520.5MW，其中，锂离子电池储能累计装机容量最大.达到8453.9MW。由此可见.锂离子电池装机规模占据绝对领先。而电池系统如果不配备先进的电池管理系统.则可能导致电池单体或电池组的性能变差，过早老化。
光伏电站、风电场等的出力具有随机性和波动性，无法满足全天候电网侧调度需求和用户侧需求响应，
因此需要引入长时间储能系统来弥补电力缺口。储能系统的性能测试评价方法为功率-能量法，储能系统的额定能量为额定功率与额定充放电时间
收稿时间：2020-08
第一作者简介：魏照申<1988>.男.锁士.工程师.主夹从事k力发电厂、祈能源电站工程设计工作.
E-mail:weizhzh®shanghai-electric
的乘积。在储能系统额定功率和电池簇参数一定的情况下.储能系统的额定充放电时间越长，储能系统或储能单元的额定能量越大.储能系统或储能单元下挂的电池簇数量就越多。现有储能电站的常见额定充放电时间为1〜4h，大规模储能电站中鲜有额定充放电时间长于4h的储能系统。额定充放电时间长于4h的多电池簇储能单元，具有很大的市场应用潜力，其系统可靠性和安全性值得研究。
在电力系统可能发生的各种故障中，对系统危害最大且发生概率最高的是短路故障。笔者针对大规模储能电站多电池簇储能单元进行系统短路电流分析，在Etap软件中建立仿真模型，对系统集成方案提出优化建议，同时讨论精细化电池管理系统应用于储能系统的重要性。
2多电池簇储能单元原方案
某百兆瓦级大容量磷酸铁锂电池储能电站项目要求储能系统的额定充放电时间为6.5h，每套储能单元的功率为2MW.能量为13.356MWh o单套储能单元中包含两套1MW功率变换系统，每套功率变换系统下挂6.678MWh电池堆。每个电池堆由28个电池簇组成，每个电池簇能量为23&5 kWh，额定电压为1192.3V。多电池簇储能单元原方案如图1所示。
接入33kV开关站
图1多电池簇储能单元原方案某品牌储能电池供应商提供的电池簇短路试验
曲线如图2所示，短路故障发生时，每个电池簇在0.741ms时提供的短路电流达到最大值6.27kA，且几乎是在一瞬间达到最大值。当电池簇的并联数量较多时，直流系统的短路电流水平也会达到一个较大值•这将对系统的安全运行造成很大冲击，给系统的运行操作及保护元器件的选择提出了更高的要求。
3原方案短路电流分析
根据系统设备选型需要，考虑三个可能的短路故障点.分别位于电池簇出口处、电池簇汇流母线处、功率变换系统输入口处。在Etap软件中建立多电池簇储能单元原方案仿真模型，如图3所示。
7000-
6000-
5000-
4000■
3000-
2000-
1000-
00.0020.0040.0060.0080.010
时间/s
图2电池簇短路试验曲线
仿真得到多电池簇储能单元原方案短路电流，见表1。
从三方面对表1进行分析
。
47.631MVA
表1多电池簇储能单元原方案短路电流
短路点短路电源短路电流/kA 电池簇出口处
电池簇自身 6.27
其它27个电池簇169.35电池簇汇流母线处28个电池簇175.63
功率变换系统输人口处28个电池簇175.63（1）当某电池簇出口处发生短路故障时，该电池簇出口处短路电流由其它并联的27个电池簇的短路电流决定.此时电池簇岀口处的短路电流高达169.35kA，导致该电池簇所在汇流柜分支回路无法选择合适的开关设备.短路故障通过分支回路的熔断器分断。
（2）当电池簇汇流母线处发生短路故障时.汇流母线处的短路电流由所接的28个电池簇共同决定.此时汇流母线处的短路电流为175.63kA，导致汇流柜出线回路无法选择合适的开关设备。
（3）当功率变换系统输入口处发生短路故障时•短路电流同样由所接的28个电池簇共同决定，此时功率
变换系统输入口处的短路电流为175.63 kA.导致功率变换系统输入口同样无法选择合适的开关设备，短路电流由入口处熔断器分断。
多电池簇储能单元原方案直流系统近200kA 的短路电流远高于合理范围.给开关产品的制造和选型带来极大困难。据了解，当今市场并未出现符合200kA级动热稳定电流的开关设备，导致整个直流系统中无法设置开关设备•系统运行、操作、检修的灵活性大大降低。由此可见.多电池簇储能单元原方案存在明显设计缺陷及安全隐患。
4多电池簇储能单元优化方案
为了解决多电池簇储能单元原方案直流系统中短路电流引起的问题•对多电池簇储能单元原方案进行优化.优化思路如下：功率变换系统输入口分为两个分支回路.储能单元的28个电池簇分别接入功率变换系统的两个分支回路.分支回路可能流过的短路电流由14个电池簇提供，功率变换系统输入口处的短路电流减小为多电池簇储能单元原方案的1/2.大大降低了开关设备的选择难度。
5优化方案短路电流分析
在Etap软件中建立多电池簇储能单元优化方案仿真模型.同样考虑三个可能的短路故障点-
电池簇出口处、电池簇汇流母线处、功率变换系统输入口处.如图4所示。
仿真得到多电池簇储能单元优化方案短路电流.见表2
。
47.631MVA 储能变流器出口翠
0.55kV____
储能变流器入口1192.3V X储能变流器
军1111.1kW/1000kVA
87.813kA87.813kA
%kA
直流汇流柜1 11923V □
|87.813kA
±
146.272LAI46.272LAl|6.272k/l|6.272M|6.272仅$63历直流汇流柜2 1192.3V
200
电池簇出
1192.3V
y扌69.35kA Ah200Ah200Ah200Ah「zuu«.
电池簇因BC10[BJ b CII丙BC12[5BC13[3BCM
20()Ah200Ah200Ah200Ah200Ah 宙BCI5宙BC16宙BC17[i]BC18自BC19
图」多电池簇储能单元优化方案仿真模型表2多电池簇储能单元优化方案短路电流
短路点电路电源短路电流/kA
电池簇出口处
电池簇自身 6.27其它27个电池簇169.35
电池簇汇流母线处28个电池簇175.63
功率变换系统输入口处汇流柜1分支87.82汇流柜2分支87.82
从三方面对表2进行分析。
（1）当某电池簇出口处发生短路故障时，该电池簇出口处短路电流由所在功率变换系统分支回路并联的13个电池簇和另一个功率变换系统分支回路所接的14个电池簇共同决定.此时电池簇出口处的短路电流高达169.35kA.导致该电池簇所在汇流柜分支回路无法选择合适的开关设备，短路故障通过分支回路的熔断器分断。
（2）当电池簇汇流母线处发生短路故障时，汇流母线处短路电流由所在功率变换系统分支回路并联的14个电池簇和另一个功率变换系统分支回路所接的14个电池簇共同决定，此时汇流母线处的短路电流为175.63kA。
（3）当功率变换系统输入口处发生短路故障时，两个分支回路分别提供87.82kA短路电流，功率变换系统输入口处汇总母线的短路电流为175.63kA.短路电流由功率变换系统分支回路熔断器分断。
通过以上分析可知，多电池簇储能单元优化方案中，功率变换系统输入口两个分支回路可能流过的最大短路电流为87.82kA，为多电池簇储能单元原方案功率变换系统单一输入口处短路电流的1/2，使在该处设置开关设备成为可能。经过调研，直流负荷开关广泛应用于不间断电源、光伏、储能系统中•国内外市
场上短路短时耐受能力最强的负荷开关’其短路耐受电流为100kA/1s，最大关合电流为100kA，匹配多电池簇储能单元优化方案中直流系统短路电流。储能单元中设置负荷开关.方便电池组投运和退出，提高了系统运行的灵活性。
6多电池簇储能单元系统集成
笔者从短路电流的角度对多电池簇储能单元的方案进行了分析和优化，需要注意的是，多电池簇并联容易加重电池和电池簇的不一致性，进而降低电池组的整体性能.导致电池寿命缩短。
6.1精细化电池管理系统的应用
锂电池具有明显的非线性、时变特性和不一致性，在应用时需要进行管理。当锂电池串联使用于动力设备中时，由于各单节锂电池内部特性不一致，会导致各节锂电池充放电不一致•形成木桶效应。一节锂电池性能恶化时.整个电池组的行为特征都会受到限制，电池组整体性能降低。另一方面•锂电
池对充放电的要求很高•当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时.锂电池温度会上升.导致电池寿命缩短。
精细化电池管理系统具有电池检测、保护、状态预测、充放电控制、均衡、通信等功能.通过实时监控电池使用过程中的各状态量.保证电池的使用安全，提高电池的使用效率•从而延长电池的使用寿命。通过
精细化电池管理系统精确评估电池组中电池的使用状态.并将电池信息准确提供给储能系统控制中心•进行科学合理的决策、控制、保护。
电池均衡方式分为主动式均衡、被动式均衡、主动被动相结合混合式均衡三种。主动式均衡能够将电量相对充足的电池的能量向电量相对较低的电池转移•能量利用率高.在充放电阶段都可实现。当然，主动式均衡控制原理复杂.成本高.相关技术并不成熟.目前应用较广的还是被动式均衡。被动式均衡一般采用并联电阻方式•将多余的电池能量以热能方式耗散掉。当某节电池需要均衡时.为电池提供一条放电通路。被动式均衡通常用于充电阶段.当电池电压达到充电上限电压时，可以避免电池电压继续上升。
作为整个储能单元中监测和判断电池工作状态的设备•精细化电池管理系统对整个储能系统的安全、可靠运行而言至关重要。
6.2双向DC-DC变换器的应用
双向DC DC变换器在储能系统中应用，可以起到电压转换和电气隔离的作用。当储能单元能量较高时.为避免多电池组并联，可以采用两级变换拓扑结构.如图5所示。双向DC-DC变换器主要进行升降压变换.提供稳定的直流电压。需要注意的是，由于存在DCDC变换器.功率变换系统效率降低。
电池分系统功率变换系统
图5两级变换拓扑结构
针对多电池簇储能单元优化方案•在每个电池簇出口或两个电池簇并联的出口设置DC-DC变换器.可以有效限制电池簇提供给汇流母线的短路电流.减小储能单元直流系统的短路电流.并且可以通过电压变换提高电池簇之间的一致性。
虽然应用DC DC变换器可以有效减小储能单元的短路电流.提高电池簇的一致性•但是当前双向DC-DC变换器的价格与储能功率变换系统设备的售价相当.因此会在较大程度上影响储能单元的经济性。另外.市场上双向DC-DC变换器的最高效率为99%，会使储能系统的整体循环效率降低至少2%.给储能系统的整体运行性能带来不利影响。
7结束语
某百兆瓦级大容量磷酸铁锂电池储能电站项冃中.多电池簇储能单元原方案中直流系统短路电流超过合理值•直流系统中无法设置开关设备控制电池簇的投运和退出，设计不合理，会影响系统的运行安全。对此，笔者提岀多电池簇储能单元优化方案.通过在Etap软件中建立仿真模型，验证优化方案可以有效减小功率变换系统分支回路的短路电流•使在储能单元中设置开关设备成为可能•提高了储能单元的运行灵活性和检修便利性。笔者所做分析与优化为储能电站的高效、安全运行•以及多电池簇储能单元的应用提供了技术参考。
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