电池储能系统 (BESS) 需要全面的电路保护策略
发布于2023-03-16
引言
随着近来可再生能源的不断增长，对电池储能系统 (BESS) 也提出了相应的要求。储能行业正在大幅扩张，一些调研机构预测，到2030年全球储能市场将超过300千兆瓦时，容量将达到125千兆瓦。另外估计在此期间储能投资将增长至1030亿美元。同时，公用事业规模电池系统的单位千瓦时成本很可能会降至目前成本的一半以下，因此控制系统的成本会变得至关重要。
今天的电池系统并不仅仅是为了成为本地电源的备份，例如在常规电源出现故障时，用于为医院、数据中心等关键设施供电的系统。BESS还提供其他好处和辅助服务，包括负载均衡、调节储备、输电和配电基础设施延迟以及频率调节，从而充分发挥自己对公用事业公司的价值。今天的BESS越来越多地被设计为在需求增加时为当地微电网供电，从而满足当地的用电需求。它们储存太阳能或风力发电机产生的电能，然后在需要时将这些电能注入电网。
BESS电路保护
随着现代锂离子电池功率密度的增长，BESS集成商正努力以更小的尺寸为客户提供更多的电力。但是，随着功率水平的不断提高，电路保护也变得越来越重要。
可再生能源供应商正在将新一代高效功率半导体器件纳入系统，以控制逆变器和转换器的功率。因为这些都是敏感型电子元件，所以需要强大的能量浪涌保护。
由于BESS所用的技术正在快速发展，所以BESS的设计仍处于起步阶段。因此，许多负责集成这些解决方案的电气工程师正在寻求指导，以选择和实施适当的电路保护策略。
全面的电路保护策略对于满足BESS集成商的关键目标至关重要，它可以：
• 防止对要求保证正常运行时间的最终用户（如医院、加工厂和数据中心）造成代价昂贵的服务中断。例如，数据中心每分钟的停机成本可以高达8000美元。
• 防止对可再生能源供应商造成收入损失。
• 防止本地电力中断。
• 保护负责安装和维护集成商将使用的BESS的工作人员。
• 防止对BESS设备本身造成损坏，这会危及最终用户或可再生能源供应商所做的大量投资。
• 保证电网稳定性，因为有些额外发电来自可再生能源。
BESS内的电气故障可能会对工作人员造成严重伤害，包括电击、电池化学/电解质灼伤以及有毒或爆炸性气体泄漏等风险。三个主要关注领域是针对过流、接地故障和弧闪危险进行保护。
过流保护
逆变器保护是BESS电路保护的重要方面之一。逆变器通常（并不总是）位于电池组的电池包或其他外壳的外部。DC/AC逆变器将来自电池的直流输出转换为可以馈送到商业电网的公用频率交流电 (AC)。但是，BESS还允许将可再生能源产生的直流电存储到电池组。之后，当需要储存的电力时，DC/AC逆变器再将电池的直流电转换为可输出到电网的交流电。
为了尽量延长电池放电时间，BESS设计人员正在打造越来越大的电池组。其中的每节电池代表一个能量源。系统中的任何故障都可能导致一次性释放巨大的能量，对人员和设备造成危险。
2017年版的《美国国家电气规范》® (NEC®) 第706条详细规定了电池储能系统的过流保护要求。
断开装置：NEC第706.7 (E)(1) 条规定：“应在电路的储能系统端提供断开装置。 应允许使用熔断器断开装置或断路器。”
直流 (DC) 额定值：NEC第706.21 (C) 条规定：“应列出ESS任何直流部分所用的过流保护装置，无论是熔断器还是断路器，对于直流应用，应具有适当的电压、电流和中断额定值。” 例外情况：如果为所列ESS的直流输出电路提供了限流式过流保护，则不再需要额外的限流装置。
位置：NEC第706.7 (E)和706.21 (F) 条规定：“如果储能系统的输入和输出端子距离所连的设备超过1.5米（5英尺），或者这些端子的电路穿过墙壁或隔板，则应在ESS处提供过流保护。”
大小：NEC第706.21 (B) 条规定：“对于ESS所用系统上提供的过流保护装置，其额定电流应不小于所计算出的最大电流的125%”
这些规范的存在证明了在不断增长的BESS市场中选择适当过流保护的重要性。
市面上有各式各样的熔断器可用于处理各种电流过载应用。高速熔断器是这些直流ESS应用的常见选择，因为它们比直流断路器小得多、快得多、成本也低得多。断路器的最大中断额定值约为25000至30000安培。相比之下，新一代的高速熔断器（如Littelfuse PSR系列高速方形熔断器）（图1）可以用比直流断路器小得多的尺寸中断高达150kA的直流电（或200kA的交流电）。
高速熔断器按照设计比常规熔断器快约24倍，以便通过降低峰值允通电流和允通能量 (I2t) 来保护内置于逆变器、UPS、电池管理装置和其他系统中的敏感功率半导体器件（如二极管、三端双向可控硅、IGBT、SCR、MOSFET和其他固态器件）。
图1：Littelfuse PSR系列高速方形熔断器经常用于逆变器的过流保护，因为其设计紧凑、对短路故障电流的响应速度快，并且额定中断电流大。
这些熔断器对于保护BESS的直流电池也很有价值。每个电池都由正极和负极端子上的直流熔断器提供保护，以在任意内部短路情况下隔离电池。直流汇流箱是易发生高直流过流故障的关键位置，其中来自多个电池簇的输出组合在一起为逆变器供电。通常在该位置，电池的输出串流由直流中断额定值最高的直流熔断器提供保护。
接地故障
导致接地故障的原因各式各样。这些因素包括绝缘性能或组件随时间的推移而退化（通常由于过电压或过温）、湿热/潮湿、动物啃咬、系统带电部件之间的灰尘积聚以及人为错误。除非使用适当的接地故障装置，否则低电流接地故障通常无法识别。
BESS通常为不接地系统。出现第一次接地故障后，系统可能仍在运行，从而导致无故障总线上的电压相对于接地更高，但没有电流。不过，从设备保护和工作人员安全的角度来看，故障总线上的后续接地故障可能会带来灾难性后果。未接地系统上的第二次接地故障可能会造成相间故障，引发电弧、火灾、严重损坏或伤害。大多数电气故障，包括弧闪，都是从接地故障开始的，因此及早检测并解决这些故障非常重要，可以避免发生严重损坏或伤害。
对于不接地的BESS系统，设计人员可以选择直流侧的三个接地故障检测选项：
1. 有源式绝缘监测。 此方法会注入一个低电平信号，寻找通过地面返回继电器的最低电阻路径。返回继电器的泄漏电流与系统对地的绝缘程度成正比。这种方法很有吸引力，但也面临一些重大挑战，包括难以定位精确的故障位置、对系统电容的敏感性以及有源信号对电气系统其他组件的干扰。
2. 无源式对地电压监测。此方法不注入有源信号，而是监测直流总线的每一侧（或交流总线的每相）对地的电压。此方法的优点是没有有源信号引起干扰，但故障定位比较困难。
3. 通过使用中性线作为参考地进行无源式电流监测。 Littelfuse SE-601系列直流接地故障监测仪（图2）可提供此类参考。此方法在直流总线电压之间设置中性接地点，并查找对地漏电流。此系统的优点是方便确定故障位置（正或负直流母线），没有有源信号造成干扰，并且通常使用参考模块将故障电流限制在一个安全值。缺点是可能检测不到对称故障（两条母线上同时有相等对地电阻的故障）。
图2： SE-601直流接地故障监测仪提供灵敏快速的防误跳闸接地故障保护。使用SE-GRM系列参考地模块（一种将接地故障电流限制在25 mA的电阻网络）来检测接地故障电流。SE-GRM允许将SE-601连接到高达1200 Vdc且可能更高的系统。
任何流向地面的电流都需要注意。灵敏的接地故障继电器将在拾取10 mA或更低的漏电流出现时启动。新款的接地故障继电器可以在低至30毫安的故障电流时启动。通常情况下，参考地模块安装在直流系统的正负部分之间，参考模块连接到继电器，继电器连接到地。
尽管大多数BESS都不接地，但接地BESS也确实存在，但需要不同的接地故障检测方法。设计人员需要权衡交流接地故障继电器相对于交流绝缘监测仪的优点。交流接地故障继电器，如SE-704接地漏电继电器（图3），提供非常灵敏的接地故障检测，可用于谐波含量较高的系统。可连接输出触点用于跳闸保护回路或报警回路。模拟输出可与PLC或电表一起使用。相比之下，交流绝缘监测仪，如PGR-3200系列绝缘监测仪（图4），可在最高6 kV的单相或三相不接地系统中运行，也可用于接地系统，以在系统断电时监测绝缘部件的损坏情况。
许多设计人员选择在每个电池组和汇流箱之间使用断路器，以简化对每个电池组的单独检查或维护。不接地的直流接地故障监测仪，如Littelfuse SE-601系列，可用于监测电池组的状态。在3相系统中，它可以与EL3100接地故障和相电压指示器（图5）结合使用。它符合NEC和CE规范对不接地交流系统的接地检测器的要求。
图3：SE-704接地漏电监测仪提供馈线级保护或单个负载保护。
图4：Littelfuse POWR-GARD® PGR-3200绝缘监测仪可用于不接地和接地BESS。
图5 ：EL3100接地故障和相电压指示器可与SE-601系列直流接地故障监测仪结合使用，共同监测BESS电池组的状态。
弧闪保护
根据美国职业安全与健康局 (OSHA) 的研究，弧闪事故造成的伤亡约占电气相关事故的80％。即使没有工作人员受伤，弧闪也会损坏电气设备，并导致成本高昂的更换组件和电力系统停机时间。
从直流电池组的组合输出馈入逆变器的高压直流电有可能引起弧闪事故。当多个菊花链连接的电池将电力输出释放到汇流箱中时，也可以产生足够的直流电压来引发电弧。交流电源的电压过零特性会帮助交流电产生的电弧自行熄灭，而由电池产生的直流电弧自动熄灭的可能性则很小。
弧闪会带来许多危险， 它可以产生比太阳表面更高的温度，随之而来的爆炸可能会像子弹一样迸出很多碎片， 这对维护人员和附近设备的威胁显而易见。为减轻这些危险，设计了弧闪继电器用于检测弧闪发出的光，并尽快将跳闸信号发送到上游断路器。例如，PGR-8800系列弧闪继电器（图6a）可以在不到1毫秒的时间内检测弧闪并发送跳闸信号，防止电弧发展成为潜在的灾难性事故。典型AF0100系列弧闪继电器（图6b）配置的跳闸时间不到5毫秒。
图6：PGR-8800系列弧闪继电器 (a) 通过查找超强光强和电流的组合来检测正在形成的弧闪事件。光学传感器和可调节的跳闸电平通过设置环境光阈值来降低误跳闸的可能性。AF0100系列弧闪继电器 (b) 通过检测弧闪发出的光并快速跳闸来减少电弧造成的损坏。两个远程光传感器可以连接到一个继电器，还可以连接多个AF0100和/或AF0500（未显示）继电器来监控其他传感器。
安装弧闪继电器系统时需要将光传感器安装在设备的内部，而内部还有逆变器和相关的母线，这些母线最可能成为电弧的起源。逆变器内部的功率半导体器件通常可以在故障情况下保证安全，但它或其连接器可能无法接地并引起弧闪。
直流和储能应用中的弧闪注意事项
弧闪的危险严重程度是通过计算潜在的入射能量来确定的，特别是IEEE 1584（进行弧闪危险计算的指南）可用于确定电弧危险距离和入射能量。基于交流系统的进一步测试，该指南即将进行修订。不过，与交流系统中的弧闪相比，对直流弧闪的研究较少，也了解得更少。几乎所有类型的BESS都可以快速释放直流故障电流，但使用锂离子电池的BESS可以非常快的速度释放极大的电流。
弧闪计算的目的是确定最大可能的入射能量。但是，与仅使用过流保护装置时所预期的相比，一些直观上不太明显的因素可能会导致更高的入射能量水平：
• 电池寿命：随着电池老化，其内部阻抗会增加。这会导致较低的弧闪电流，并实际上导致更高的能量，因为过流保护装置需要更长的时间才能工作。
• 充电状态：部分耗尽的电池组可能无法产生完整电弧或短路电流。使用弧闪继电器而不是仅依靠过流保护装置进行弧闪保护，可以帮助设计人员在BESS的整个生命周期内始终保持较低的入射能量。
在计算入射能量时，还要记住，电池柜往往会将能量导出柜门。在弧闪事故中，大型BESS壳体会使工作人员暴露在更高的能量下，这既难以控制故障，也可能使工作人员更难在典型的两秒时间窗口内自救。
电池组本身就是BESS中的弧闪保护难题。一个电池组上的弧闪将从其他并联的电池组供电。这可以通过监测电池组并在故障时断开其与母线的连接来解决。此时，电弧仅从故障电池组供电，从而将其总能量减少到并联电池组总能量的一定比例。
其余的电池组继续供电或被供电。尽管断开故障电池组对操作和减少入射能量有重大影响，但电池组本身的故障更难解决。一种选择是在维护时允许工作人员物理断开电池组各部分，进一步降低每个剩余部分的电压，减少危险和可用的入射能量。
公司介绍
在使用电能的各个市场，从消费电子到汽车和工业设备，Littelfuse产品均为重要组成部分。长久以来，Littelfuse一直致力于创新，并具有久经考验的技术专长，可以针对每位客户的独特需求提供客观、全面和个性化的解决方案。Littelfuse提供业界超广泛、超深入的电路保护产品组合，并在功率控制和检测领域不断发展。此外，还拥有功率半导体、重载开关、磁性、光学、机电和温度传感器，以及用于安全控制和电力分配的产品。