CN114374191A - 一种储能电池舱分级保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电池舱分级保护系统，由PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置组成，PACK级保护装置用于电池箱范围的短路故障快速识别和隔离；簇级保护装置用于电池簇范围的短路故障快速识别和隔离；舱级保护装置基于储能舱内所有电池簇和PCS的电气量，综合判断完成电池舱范围内的短路故障快速识别和隔离。本发明系统独立于现有的电池管理系统BMS单独设置，为储能电池舱提供完整的系统级保护配置方案，解决现有储能电池舱保护配置薄弱或缺失，采样实时性低、动作可靠性差的问题，实现满足电力系统“四性”要求的保护功能，保障储能电池舱的安全运行。

Description

一种储能电池舱分级保护系统

技术领域

本发明涉及储能电池继电保护技术领域，尤其涉及一种储能电池舱分级保护系统。

背景技术

电池储能技术可平滑可再生能源发电出力，提升分布式可再生能源的消纳，为电力负荷削峰填谷提供有效手段，近些年在电力系统中得到了快速推广应用。储能电池舱由于可以在工厂内完成制作、组装、配线、调试等工作，便于厂家实现模块化设计，并作为一个整体运输至工程现场，大大缩短电网侧储能电站的建设周期，提高投产效率，从而广泛应用于储能电站的工程建设中。

尽管电池储能具有诸多优势，但其在工程实际应用中存在的最大障碍是电池的安全性问题，当单体电池或电池组在过充、短路、冲压、穿刺、振动和高温热冲击等滥用条件下使用，或电池外部回路短路，故障不能快速隔离时，极易发生燃烧，甚至是爆炸等不安全行为，从而对储能电站造成不可挽回的损失。目前国内外已发生多起内部或外部故障引起储能电池爆炸事件，造成人员伤亡财产损失，储能安全问题仍未能得到有效解决。

中国发明专利CN 111276989A公开的一种储能控制保护方法及系统，代表了现有储能电池舱的常规设计方法，主要包括电池系统、储能变流器PCS、电池管理系统BMS，电池舱内没有设置单独的反应短路故障的快速保护装置。电池管理系统BMS主要是对电池进行状态监测、运行控制和管理，保证电池在正常范围内的安全、高效运行，提高储能电池系统的利用率，延长电池使用寿命，降低经济成本，电池管理系统BMS内简单的保护功能也主要是针对电池的缓慢劣化，而对舱内电气回路短路引起的故障考虑不足，电池回路严重的短路故障主要由熔断器来被动实现，不能满足电力系统对继电保护“四性”（选择性、快速性、灵敏性、可靠性）的要求，电池舱的安全性得不到保障。由于电池状态监测对实时性要求不高，因此整个电池管理系统的数据采集周期较长，密度较小，几百毫秒甚至秒级数据才更新一次，实时性差，在发生短路故障时往往不能及时反映。保护配置不完善，对于电池外部及整个电气回路的短路故障，没有设置有针对性的和完整的保护。阈值设置不合理，基于状态监测设置的过/欠压、高/低温、过充过放等监测功能，其阈值和动作时间主要考虑的是电池正常运行的最大边界，对于短路引起的低电压大电流突变，灵敏性和快速性都不能满足要求，不能快速识别故障和隔离故障。无故障录波功能，事故后无法回溯，影响事故分析。电池管理系统之间数据传输基于CAN协议，数据完整接收一次需要几百毫秒甚至秒级，数据无法实时共享，无法实现基于多点多装置间数据协同判断、综合分析的保护判据，如直流母线差动，环流保护、失灵保护等，对于这类严重故障无法快速处理，导致事故进一步发展恶化，严重威胁储能电站的安全运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有储能电池舱保护功能配置薄弱或缺失，采样实时性低、动作可靠性差、灵敏度低的问题，提供一种储能电池舱分级保护系统，为储能电池舱提供完整的系统级保护方案，解决保护配置不足、保护原理不完善的问题，保障储能电池舱的安全运行。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种储能电池舱分级保护系统，包括PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置；

所述PACK级保护装置用于采集电池箱PACK的各个电池单体的电压以及电池箱内的温度并上送给本簇的簇级保护装置，以及用于对所在电池箱范围的短路故障进行识别和隔离；

所述簇级保护装置用于采集本电池簇簇端的电流和电压并上送给舱级保护装置，以及用于对所在电池簇范围的短路故障进行识别和隔离；

所述舱级保护装置用于采集储能变流器PCS低压侧电压和电流，以及结合储能舱内所有电池簇的簇端电流和电压，对电池舱范围内的短路故障进行识别和隔离；

所述PACK级保护装置与PACK所在电池簇的簇级保护装置建立通信连接，所述簇级保护装置与电池簇所在电池舱的舱级保护装置建立通信连接。

进一步的，每个电池箱PACK配置一台PACK级保护装置；

每个电池簇配置一台簇级保护装置；

每个储能舱内配置一台舱级保护装置。

进一步的，所述PACK级保护装置具体用于，

当检测到电池单体的电压降低到设定的电压保护阈值，或者检测到电池箱内的温度上升到设定的温度保护阈值，判定为电池箱内发生短路故障，输出跳闸指令一，以及通过GOOSE发送跳闸指令二至本电池箱PACK所在的簇级保护装置；所述跳闸指令一包括跳开故障电池箱PACK与其他电池箱PACK间的直流电气开关；所述跳闸指令二包括跳开本簇簇端的电气开关。

进一步的，所述簇级保护装置具体用于，

当检测到簇端电压异常变化超过设定的电压异常阈值，或者检测到簇端电流上升到设定的电流阈值，判定为电池簇内发生短路故障，输出跳闸指令三，所述跳闸指令三包括跳开本簇簇端的电气开关。

进一步的，所述簇级保护装置具体用于，

若故障簇簇端的电气开关失灵，通过GOOSE发送跳闸指令四至舱级保护装置；所述跳闸指令四包括跳开与本簇共直流母线或同一储能变流器PCS出线的所有电气开关。

进一步的，所述舱级保护装置具体用于，

若检测到电池舱范围内差流、环流或电压异常状态，则判定电池舱内发生短路故障或异常故障，根据故障范围，输出跳闸指令五；

若故障簇簇端的电气开关失灵，则输出跳闸指令六；

所述跳闸指令五包括跳开故障簇簇端的电气开关；

所述跳闸指令六包括跳开与故障簇簇共直流母线或同一储能变流器PCS出线的所有电气开关。

进一步的，所述簇端的电气开关包括以下至少一种：簇直流接触器、簇直流断路器、与直流母线或储能变流器PCS隔离电气联系的设备。

进一步的，所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置的电气量采集速率不低于1k/S。

进一步的，所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置在每个中断完成所有的采集、计算和逻辑判断，中断间隔不大于1ms。

进一步的，所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置之间的通信协议为IEC61850 GOOSE，信息传输速度不大于1ms。

进一步的，所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置还包括故障录波装置，录波格式满足COMTRADE格式。

进一步的，所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置还分别与后台监控设备、储能变流器PCS、电池管理系统BMS进行实时通信，

通信协议包括以下至少一种：IEC61850 GOOSE、MMS、MODBUS、TCP/IP、RS485、CAN。

进一步的，所述簇级保护装置为一台集中式簇级保护装置和若干个簇级采集模块；所述集中式簇级保护装置安装于电池舱；每个电池簇配置一个簇级采集模块；

所述簇级采集模块用于采集本电池簇的簇端电压和电流，并上送给集中式簇级保护装置；

所述集中式簇级保护装置用于根据电池簇的簇端电压和电流，对每个电池簇进行短路故障识别和隔离。

进一步的，所述PACK级保护装置包括PACK级采集模块和PACK级保护模块；

每个电池箱PACK配置一个PACK级采集模块，所述PACK级采集模块用于采集电池箱PACK内电压和电流，并上送给簇级保护装置；

所述PACK级保护模块部署于簇级保护装置，所述PACK级保护模块用于根据PACK级采集模块上送的信息对本电池簇内所有电池箱PACK进行故障识别和隔离。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种储能电池舱分级保护系统，PACK级保护、簇级保护、舱级保护独立设置，不受限于电池状态监测控制管理系统，为储能电池舱提供了完整的系统级保护方案，解决了现有储能电池舱保护配置不足和保护原理不完善的问题。

本发明的保护系统采用实时采样技术、基于GOOSE的实时数据共享，对短路故障进行实时综合判断，实现了高实时性、高可靠性、高灵敏性的保护功能，提高了储能电池舱的安全性。

附图说明

图1 是本发明实施例1提供的一种储能电池舱分级保护系统结构图；

图2是本发明实施例2提供的一种储能电池舱分级保护系统结构图；

1：PACK级保护装置；2：簇级保护装置；3：舱级保护装置；4：电池箱PACK；5：电池簇；6：电池箱PACK 间的直流电气开关；7：簇级保护装置的簇电流测量模块；8：簇级保护装置的簇端电压测量模块；9：簇熔断器；10、20：簇直流接触器；11、21：簇直流断路器；12：直流母线；13：舱级保护装置的PCS低压侧并网点电流测量模块；14：舱级保护装置的PCS低压侧并网点直流母线电压测量模块；15：PCS低压侧并网点直流断路器；16：储能变流器PCS；17：PCS高压侧并网点直流断路器；18：变压器；19：后台监控设备；22：集中式簇级保护装置；23：PACK级采集模块。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案进行更加详细的描述。

如图1实施例所示，一种储能电池舱分级保护系统，在现有的电池管理系统BMS之外，独立设置一套快速反应短路故障的分级保护系统，包括PACK级保护装置1、簇级保护装置2和舱级保护装置3。

PACK级保护装置1按照电池箱PACK 4配置，即储能舱内每个电池箱PACK对应配置一台PACK级保护装置1。PACK级保护装置1用于采集单个电池箱PACK内的各个电池单体的电压以及电池箱内的温度，并以GOOSE方式上送给本簇的簇级保护装置。当电池箱范围内发生短路故障时，PACK级保护装置1检测到单体电压急剧降低，或者温度急剧上升，超过设定的保护阈值，判为电池箱内发生短路故障，输出跳闸命令，跳开故障PACK与其他PACK间的直流电气开关6，对故障电池箱PACK进行隔离；同时发出GOOSE跳闸命令给本PACK所在的簇级保护装置，由簇级保护装置跳开本簇簇端的电气开关。其中，电气开关包括但不限于簇直流接触器10、簇直流断路器11等可以与直流母线12或储能变流器PCS 16隔离电气联系的设备。

簇级保护装置2按照电池簇5配置，即储能舱内每个电池簇对应配置一台簇级保护装置。簇级保护装置2实时采集本电池簇簇端的电流和电压，并以GOOSE方式上送给舱级保护装置3。当本电池簇范围内发生短路故障时，簇级保护装置2检测到簇端电压异常变化，或者簇端电流急剧上升，超过设定阈值，判为电池簇内发生短路故障，输出跳闸命令，跳开故障簇簇端的电气开关，其中电气开关包括但不限于簇直流接触器10、簇直流断路器11等可以与直流母线12或储能变流器PCS 16隔离电气联系的设备。若故障簇簇端的电气开关失灵，簇级保护装置2发送GOOSE跳闸命令给舱级保护装置3，由舱级保护装置3跳开共直流母线12或同一储能变流器PCS 16出线的所有电气开关，包括所有非故障簇的簇端电气开关，PCS低压侧并网点直流断路器15等，快速隔离故障。参见图1，在簇端与直流母线的线路上串联簇电流测量模块7，并设置簇端电压测量模块8。

舱级保护装置3按照电池舱配置，即每个储能舱内配置一台舱级保护装置。舱级保护装置3采集PCS低压侧（储能电池侧）电流和电压，结合储能舱内所有簇级保护装置2经GOOSE上送的各电池簇簇端的电压和电流，综合判断电池舱范围内差流、环流、电压异常等状态，若判出电池舱内发生短路或异常故障（如直流母线接地、环流过大等），根据故障范围，输出跳闸命令。

跳闸过程为：第一步先跳开故障簇的簇端电气开关，若故障簇簇端的电气开关失灵，或者故障超出电池簇范围，第二步跳开共直流母线或同一PCS出线的所有电气开关，包括所有簇的簇端电气开关，PCS的低压侧开关等，快速隔离故障。

舱级保护装置3在判出短路故障时，与储能变流器PCS 16通过GOOSE或RS485方式通信，通知储能变流器PCS 16停止工作。参见图1，在储能变流器PCS与直流母线的线路上串联PCS低压侧并网点电流测量模块13，并设置PCS低压侧并网点直流母线电压测量模块14。

需要说明的是，各PACK级保护装置只和本PACK所属的电池簇的簇级保护装置通信，舱级保护装置和舱内所有簇级保护装置通信。

需要说明的是，PACK级保护装置、簇级保护装置、舱级保护装置的电气量采集为快速实时采集，采集速率不低于1k/S。

需要说明的是，PACK级保护装置、簇级保护装置、舱级保护装置在每个中断完成所有的计算和逻辑判断，中断间隔不大于1ms。

需要说明的是，PACK级保护装置、簇级保护装置、舱级保护装置之间通信方式可以是直连，也可以是组网连接，通信介质为百兆或千兆光纤以太网，通信协议为IEC61850GOOSE，装置间信息传输速度不大于1ms。

需要说明的是，PACK级保护装置、簇级保护装置、舱级保护装置除完成短路故障的快速判断和故障隔离外，还具备故障录波功能，录波格式满足COMTRADE格式。

需要说明的是，PACK级保护装置、簇级保护装置、舱级保护装置支持与后台监控设备19、储能变流器PCS 16、电池管理系统BMS等实时通信，通信协议包括但不限于IEC61850GOOSE、MMS、MODBUS、TCP/IP、RS485、CAN等。

簇级保护装置的功能可以如图1所示实施例，分别在不同的簇级保护装置2中实现，也可以如图2所示实施例，多个（大于1个）电池簇的保护功能集中在一台保护装置中实现，即集中式簇级保护装置22，该装置可接入多个电池簇的电气量，安装于电池舱内，通过上述通信协议与簇级采集模块进行信息交互，完成多个电池簇的簇级保护功能及故障隔离。

PACK级保护装置的功能可以如图1所示实施例，分别在不同的PACK级保护装置1中实现，也可以如图2所示实施例，将PACK级保护装置1的采集功能和保护功能分开，每个电池箱PACK配置一个PACK级采集模块，由PACK级采集模块23完成PACK内数据采集，并以GOOSE方式上送给簇级保护装置。将一个电池簇内所有PACK级的保护功能都集中在一台簇级保护装置中实现，即一台簇级保护装置2内配置一个PACK级保护模块，该PACK级保护模块用于完成本电池簇所有PACK的保护功能及故障隔离。一台簇级保护装置既完成本电池簇的保护功能和故障隔离外，还可以完成本电池簇所有PACK的保护功能及故障隔离。

图2实施例可以减少舱内保护装置数量，降低保护配置成本，降低对电池舱内空间安装位置的要求，便于灵活安装和施工。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：包括PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置；

所述PACK级保护装置用于采集电池箱PACK的各个电池单体的电压以及电池箱内的温度并上送给本簇的簇级保护装置，以及用于对所在电池箱范围的短路故障进行识别和隔离；

所述簇级保护装置用于采集本电池簇簇端的电流和电压并上送给舱级保护装置，以及用于对所在电池簇范围的短路故障进行识别和隔离；

所述舱级保护装置用于采集储能变流器PCS低压侧电压和电流，以及结合储能舱内所有电池簇的簇端电流和电压，对电池舱范围内的短路故障进行识别和隔离；

所述PACK级保护装置与PACK所在电池簇的簇级保护装置建立通信连接，所述簇级保护装置与电池簇所在电池舱的舱级保护装置建立通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：

每个电池箱PACK配置一台PACK级保护装置；

每个电池簇配置一台簇级保护装置；

每个储能舱内配置一台舱级保护装置。

3.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置具体用于，

当检测到电池单体的电压降低到设定的电压保护阈值，或者检测到电池箱内的温度上升到设定的温度保护阈值，判定为电池箱内发生短路故障，输出跳闸指令一，以及通过GOOSE发送跳闸指令二至本电池箱PACK所在的簇级保护装置；所述跳闸指令一包括跳开故障电池箱PACK与其他电池箱PACK间的直流电气开关；所述跳闸指令二包括跳开本簇簇端的电气开关。

4.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述簇级保护装置具体用于，

当检测到簇端电压异常变化超过设定的电压异常阈值，或者检测到簇端电流上升到设定的电流阈值，判定为电池簇内发生短路故障，输出跳闸指令三，所述跳闸指令三包括跳开本簇簇端的电气开关。

5.根据权利要求4所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述簇级保护装置具体用于，

若故障簇簇端的电气开关失灵，通过GOOSE发送跳闸指令四至舱级保护装置；所述跳闸指令四包括跳开与本簇共直流母线或同一储能变流器PCS出线的所有电气开关。

6.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述舱级保护装置具体用于，

若检测到电池舱范围内差流、环流或电压异常状态，则判定电池舱内发生短路故障或异常故障，根据故障范围，输出跳闸指令五；

若故障簇簇端的电气开关失灵，则输出跳闸指令六；

所述跳闸指令五包括跳开故障簇簇端的电气开关；

所述跳闸指令六包括跳开与故障簇簇共直流母线或同一储能变流器PCS出线的所有电气开关。

7.根据权利要求3、4或6任意一项所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：

所述簇端的电气开关包括以下至少一种：簇直流接触器、簇直流断路器、与直流母线或储能变流器PCS隔离电气联系的设备。

8.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置的电气量采集速率不低于1k/S。

9.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置在每个中断完成所有的采集、计算和逻辑判断，中断间隔不大于1ms。

10.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置之间的通信协议为IEC61850 GOOSE，信息传输速度不大于1ms。

11.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置还包括故障录波装置，录波格式满足COMTRADE格式。

12.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置、簇级保护装置和舱级保护装置还分别与后台监控设备、储能变流器PCS、电池管理系统BMS进行实时通信，

通信协议包括以下至少一种：IEC61850 GOOSE、MMS、MODBUS、TCP/IP、RS485、CAN。

13.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述簇级保护装置为一台集中式簇级保护装置和若干个簇级采集模块；所述集中式簇级保护装置安装于电池舱；每个电池簇配置一个簇级采集模块；

所述簇级采集模块用于采集本电池簇的簇端电压和电流，并上送给集中式簇级保护装置；

所述集中式簇级保护装置用于根据电池簇的簇端电压和电流，对每个电池簇进行短路故障识别和隔离。

14.根据权利要求1所述的一种储能电池舱分级保护系统，其特征在于：所述PACK级保护装置包括PACK级采集模块和PACK级保护模块；

每个电池箱PACK配置一个PACK级采集模块，所述PACK级采集模块用于采集电池箱PACK内电压和电流，并上送给簇级保护装置；

所述PACK级保护模块部署于簇级保护装置，所述PACK级保护模块用于根据PACK级采集模块上送的信息对本电池簇内所有电池箱PACK进行故障识别和隔离。

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