大型储能电池短路故障分析与保护策略

在双碳背景下，为了解决新能源出力波动性问题，大型储能电池系统正蓬勃发展。储能系统在长期运行过程中，存在因为绝缘老化、操作不当等导致的极间、极地等短路故障。特别是极间短路发生时过渡电阻较小，会产生巨大的直流短路电流，严重影响电池的安全运行

。传统的直流继电保护计算和配置方法，难以适用于大型储能这种特殊的直流系统，然而缺乏合理保护配置的储能系统很容易遭受各种短路故障，这会造成巨大的经济损失。

4.氧传感器λ值为0.99，理想状态下空燃比λ值为1，故障车的λ值为0.99，也算正常，但是混合汽短期修正值和长期修正值远超正常范围(正常应不超过±10%)，说明故障车的λ值(0.99)是经过修正后才处于正常范围的。

目前研究电池短路的文献以故障初期暂态量分析为主

，稳态量分析较少，其主要思路是根据参数计算电路暂态方程。但是大型储能电池系统由于电缆较短(总长度几十米)，线路电感和对地电容都很小，暂态量并不大而且时间极短。对短路电流起主要作用的稳态量的计算缺乏深入的研究和分析。大型储能的电池系统由数量巨大的电池单体构成，其短路情况繁多且复杂，需要推导通用的计算公式来指导保护配置。

目前的保护配置方案分为熔断器和直流断路器两种方案

。文献[13]提出熔断器保护配置方案，通过在电池汇流柜和电池簇内开关盒中安装熔断器来阻断短路电流，该方案具备应用价值，但是缺乏对短路电流计算的详细分析；文献[14]提出由极间故障保护、极地故障保护与直流接地监控以及直流断路器构成的保护配置方案，该方案在短路电流极大的情况下存在经济性不佳的问题。一些文献通过在线数据检测和电池建模来实现故障判断：文献[10]提出了在线诊断电池内部短路的方法，该方法基于一种等效电路模型，通过抽取开路电压和SOC 来估计故障指数，该方法具有一定的理论研究意义但是无法应用于保护方案设计之中；文献[11]提出了电池故障诊断模型，并提出了故障监测与隔离方法，该方法主要是应用于电动汽车，难以应用于大型储能电池系统之中。综上，目前缺乏深入的大型储能电池短路电流计算分析与保护配置方案研究，在实际系统设计阶段缺乏理论指导，严重威胁储能电站的安全运行。

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本文从电池短路模型入手，推导各种短路情况下电池系统各处短路电流理论计算公式，并在理论计算公式基础上，分析影响短路电流大小的因素，并提出基于熔断器的保护配置方案。

1 单体电池短路模型

单体电池的短路模型由内电动势

，内阻

和故障阻抗

组成，等效电路图如图1所示。

其中内电动势

与SOC、温度、电流、老化因素相关

，考虑到短路分析中只关心故障发生初期数秒内的电流电压变化，在这较短时间内电池的SOC、温度、老化程度都可以认为不变，所以在短路期间内电动势可以认为不变。考虑到电池短路分析中主要关心最大短路电流，故内电动势选取电池满充电压

(该电压为电池所能达到最大电压)。内阻

在一定范围内可以认为不变，取电池的直流内阻。

为了验证模型的准确性，采用280 Ah 单节电池做短路实验，电池满充电压3.65 V，直流内阻0.4 mΩ。现场将电池正负极直接经电缆和短路机连接，其阻抗和约为1.8 mΩ。现场实验照片如图2所示。

1．1 对象 采用多级整群随机抽样方法，按照遵义地区初、高中分布特点，随机抽取初、高中各一所（遵义县第八中学、遵义县第一中学），然后在初中各年级中随机抽取4个班级，发放问卷450份；在高中班级中随机选取高一年级，在该年级中随机抽取10个班级，发放问卷550份。初、高中生共发放问卷1 000份，回收934份，剔除无效问卷，有效问卷为911份，有效率为97．5%。其中男生479人，女生432人；留守儿童267人，留守儿童均为父母一方或双方外出务工6个月以上未满18周岁的农村儿童［6］（男生135人，女生132人）；非留守儿童644人，男生344人，女生300人，其年龄在11～17周岁之间。

电池短路电流如图3所示。

由图3可见，发生短路后直流短路电流快速上升，峰值电流在1604 A，并随着电池电量流失短路电流缓慢下降。

对于电池短路分析计算而言，更关心电池故障起始的最大电流。根据本文提出的计算模型，计算出来短路电流为3.65 V/(0.4 mΩ+1.8 mΩ)=1659 A，与试验值误差仅为3.4%，该误差可以满足保护分析计算对模型精度的需求，下文将以该电池模型来分析大型储能短路情况。

2 大型储能电池短路故障分析

大型储能电站的基本结构是由若干节电池串联形成电池模组，若干个电池模组串联形成电池簇，电池簇并联形成电池堆而形成，示意图如图4所示。

F1 和F2 为簇内极间短路故障，发生故障后故障点内、故障点外、其他簇、PCS都会产生故障电流且故障簇短路电流比其他簇大，故考虑在每一簇的靠近正负极位置增加熔断器

和

(p表示正极，e表示负极，下同)。由于簇内短路可能发生在多个位置(比如图中F1 和F2)，应尽可能阻断故障点内短路电流，所以考虑在簇内安装熔断器

。以下分析在一簇电池中哪个位置串联熔断器，发生故障时熔断故障点的概率最高，即加装熔断器产生收益最高。设总电池数量为

，在第

个和

+1 电池中间增加熔断器(

和

为正整数且

＜

)，定义故障跨越概率为

，

满足式(9)(不考虑正负极短路情况)：

大型储能电池的接地方式以不接地为主

，短路故障主要分为簇内短路、簇间短路和两点接地短路三种，下文针对三种情况分别讨论通用的计算公式。

2.1 电池簇内极间短路故障分析

如图5所示发生的簇内短路故障，设总簇数为

，每一簇

个电池，短路点外

个电池，即短路点内

-

个电池之间发生故障，其中

＜

；每个电池内电动势为

，内阻

，故障电阻

；设非故障簇每一簇提供故障电流为

，故障簇内部故障电流为

，电流方向都是流向故障点。忽略其他线阻。

根据以上条件列出电路方程：

推导出来

和

的计算公式为：

在汾河流域节水灌溉发展水平综合评价指标体系中包括5个定性指标和9个定量指标，其中定性指标包括政策法规、政府支持、宣传教育、公众参与、技术推广体系建立。定性指标量化方法如下：

故障点处的故障电流为：

从公式(3)～(5)可以发现，故障点电流只与故障点内部电池数目相关，与故障位置无关。其他簇电流式(3)、总故障电流式(5)随着

减小而增大，即短路点内电池越多则其他簇和短路点电流均变大。

（1）故障点内部故障电流缓慢变化，有先增大再减小的趋势，电流变化范围6.61～8.42 kA；

2.2 电池簇间极间短路故障分析

如图6所示发生的簇间短路故障，由于电路关系较为复杂，且由于保护分析计算的重点在于电流，故采用回路电流法来计算。

最终熔断器安装方案如图9 所示，总共

簇内，设置汇流柜熔断器

和

、各簇高压箱

～

和

～

，各簇中间位置熔断器

～

。

根据已知的阻抗矩阵

和电压矩阵

可以计算出电流

、

、

，然后根据下式计算系统各处电流：

2.3 两点接地短路故障分析

簇内或者簇间两点接地故障与簇内或者簇间极间短路类似，只是此时故障阻抗变为两处接地阻抗之和。由于一般接地阻抗(几十欧姆到上百欧姆)远大于极间短路阻抗且系统对地电容较小，故接地故障电流远小于极间短路电流甚至可能小于负荷电流。

由于两点接地短路故障电流不大，对系统危害远没有簇内和簇间极间短路严重，所以下文中主要讨论簇内和簇间极间故障。

3 仿真与计算分析

1.2方法 对照组采用常规小儿肺炎对症治疗,具体措施为:帮助患儿取合适体位促进痰液快速排出体外,确保患儿呼吸通畅;对患儿采取抗感染治疗,静脉滴注30-40万U/kg/d的青霉素钠与50mg/kg/d的头孢唑啉,同时服用复合维B、维C与小儿止咳颗粒,体温超38.5℃患儿需使用药物退热。研究组在对照组基础上加用盐酸氨溴索(江苏汉晨药业有限公司,国药准字H20066523)与盐酸丙卡特罗(四川大冢制药有限公司,国药准字H20093290)治疗,用法用量:盐酸氨溴索10-30mg/次,根据年龄调整剂量,3次/d;盐酸丙卡特罗12.5-25μg/次,根据年龄调整剂量,2次/d,共治疗1周。

每个电池的参数见表1。

3.1 电池簇内短路故障分析

根据公式(3)～(4)，计算出来短路点内不同模组数量各处电流理论计算值如表2所示。

采用电池仿真来验证本文的计算公式，算例中电池为8簇，每一簇为15个模组串联，每个模组为14 个电池串联。考虑到电池被封装到模组中，现场多数短路故障都是模组之间发生。模组内发生电池故障也可以采用第2节方法进行分析，但是现实中因为模组内没有任何保护措施，发生短路没有干预手段，分析的意义不大。所以本节算例中只考虑模组间的短路故障。

其他簇故障电流、故障点内电流、故障点电流理论计算与仿真之间误差如表3所示。

从式(10)可见，中间熔断器安放在中间位置熔断故障点故障概率最高，串联多个熔断器可以同理推导。本文以安装一个熔断器为例进行分析，多个熔断器分析方法类似。考虑到PCS可能会短暂提供故障电流，在PCS出口正负极加装熔断器

和

。

各处电流理论计算值趋势变化由图7 柱状图表示。

作为重要的经济作物，大豆起源于中国，随后广泛传播于世界各地。目前广泛采用的大豆参考基因组来源于美国品种“Williams 82”（ Glycine_max_v2.0 ），但这一品种的基因组并不能完全代表所有大豆的遗传变异，特别是距离遥远的亚洲品种和美国品种具有明显的遗传变异。不了解这些差异，就会影响大豆功能基因的定位挖掘。

从图7中可见，随着故障点内模组数增加：

当

=0时，即为簇首末端故障，计算公式为：

（2）其他簇提供的故障电流逐渐增大，当故障点内模组数为15 即在簇首末端发生故障时，其他簇提供的故障电流与故障点内故障电流相同，此时的电流即为故障点外部最大故障电流7.67 kA；

（3）故障点电流逐渐增大，在簇首末端故障时故障电流最大值为61.32 kA。

3.2 电池簇间短路故障分析

按照图6 中发生簇1 和簇2 簇间短路，根据公式(7)～(8)计算出来电气量与仿真结果比较见表4：

可见理论计算方法与仿真误差很小，可以满足保护分析需要。与簇内短路类似，本方法可以有效地提高计算速度节省分析时间。

根据以上计算方法，计算出簇1 和簇2 不同模组位置故障点短路(簇首端或者末端故障相当于簇内短路，这里不考虑)，短路电流变化三维柱状图如图8所示(详细数据见附录

)。

为了表述方便，定义模组数和模组差概念：模组数即电池簇从正极算起到故障点的电池模组数量；模组差即两个故障簇的模组数之差。下面分析图6中各处电流与模组之间关系：

（1）故障点电流

：故障模组差越大，则故障点电流越大；故障模组相对位置与故障点电流之间存在对称性；模组差为0时没有短路电流；相同模组差下，随着模组数从小到大故障点电流有先变小后增大的趋势，中间位置发生故障故障点电流最小；模组差为

发生的簇间故障故障点电流比簇内

个模组故障故障点电流要小。

教师在教育改革和高等职业院校建设中处于关键因素和决定要素的位置，提升教师对大数据技术的使用能力，提高教师信息化水平等工作对高等职业院校现在进行的教育改革来讲非常重要。

（2）簇1和簇2从正/极到故障点电流

，

，

，

：从正/负极到故障点所跨模块越多，则从正/负极流入故障点电流越大。

“只要自己不懒，就可以通过劳动来换取积分，而且是多劳多得，用积分就能换取爱心超市里面的产品。”9月13日，沁县段柳乡西河底村贫困户曹保庆手拿一张50分爱心超市积分卡，在村里的爱心公益美德超市，用部分积分兑换了一桶醋、一袋盐、一块香皂。“这个法子确实好，以前村里公务劳动喇叭喊破也不来几个人，现在只要大家没事，听到喇叭都是抢着出来，都想多挣积分，多换些生活用品。”包乡领导沁县县委常委、组织部长、统战部长张东文说。

（3）其他簇故障电流

：模组差越大，则其他簇流入到故障点电流越大。

4 保护策略分析

根据第3 部分的计算，电池极间短路发生后，短路电流是数千安培级别的直流量，开断这种数量级的直流电流所需要的直流断路器成本很高。而且考虑到需要在每个簇、PCS端等位置安装，成本巨大，所以大型储能电站不适合加装断路器。

另一方面，电池在流过巨大的短路电流后，会出现鼓包、膨胀等问题，电池厂家建议流过短路电流的电池全部更换。从这个角度来说，大型储能电池的保护配置是为了及时切断故障电流，防止长时间大电流导致电池燃烧引发火灾。所以采用熔断器分断故障电流是比较合适的，即在合适的位置加装熔断器，发生短路后熔断器熔断切断短路电流。

4.1 熔断器安装位置分析

在图9中F1～F6为各种典型的极间短路故障，下面根据各处短路来讨论熔断器保护的安装位置。

考虑到模组是为了方便单体电池的生产和安装而形成的概念，并不影响电池短路分析结果，在下面的短路理论公式推导中只考虑电池的概念。考虑到电池间的电缆很短，为了简化推导过程，忽略电缆阻抗。忽略电缆阻抗会使得计算出来的电流略微偏大，不会影响短路分析结果。

以2g氧化镁和含2ng的铼标准溶液为试验对象，按实验方法分别加入0、20、30、40、60、80mg氢氧化钠进行试验，结果见图1。由图1可见，当氢氧化钠用量为40～80mg时，铼的回收率均在90%以上。为减小阳离子交换树脂分离负荷，需尽量减少钠离子加入量，因此实验选择氢氧化钠用量为40mg。

式(9)中

为常量，

为优化变量，求导后取

最大值的条件为：

由表3可见，理论计算与仿真误差极小，可以用理论计算来对故障电流进行评估。大型储能电池短路仿真模型由于电池元件数量巨大，仿真速度很慢时间可能长达数小时，采用本文提出的计算公式进行计算在保证计算精度前提下可以极大地缩小计算时间。

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F3、F5和F6为簇正负两端极间短路故障，此时各簇故障电流相同且为最大值。F3 故障簇两端熔断器流过其他簇所有短路电流，F5 故障每一簇故障电流相同，此时所有簇首末熔断器和中间熔断器都会熔断来阻断电池的短路电流，熔断器

阻断PCS 短路电流；F6 故障下熔断器

熔断后PCS 仍会提供电流，需要PCS自身保护来动作。

某天下午，我终于找到了和她拉呱儿的机会。珊德拉夫人托着咖啡杯盏走到我的桌边，颔首问，我可以坐在这里吗？

F4 为簇间短路故障，此种情况与簇内短路故障类似但短路电流一般小于簇内短路。

以下以簇1 和簇2 之间发生簇间短路为例分析短路计算方法，其他簇间短路故障计算方法与之类似。设总簇数为

，每一簇

个电池，簇1 短路点到正极

个电池，簇2短路点到正极

个电池，其中

＜

，

＜

；每个电池内电动势为

，内阻

，故障电阻

。其他所有簇流入正极电流为

，簇2流入正极电流为

，负极流入簇2电流为

。根据电路列出回路电流法方程为：

从编码长度比较可以看出，由于ICSA-ECOC编码方法是事前编码和数据感知编码的组合搜索，其编码长度普遍要高于事前编码，低于一对一编码，与经典的混淆矩阵编码和Bautista编码长度相差不大.在部分类别数较大的数据集上，ICSA-ECOC方法与Bautista方法编码长度要大于基于混淆矩阵的编码方法，从侧面反映两者方法拥有更优秀的纠错能力.

此外，故障结束后需要更换所有熔断器，这是由于整个系统中所有熔断器都流过短路电流，虽然某些情况下有些熔断器流过电流较小，但是也有可能发生熔体融化但未熔断的情况，有可能影响下一次熔断。

4.2 熔断器选型分析

对于熔断器来说主要选型参数是分断能力，其中确定分断能力上限十分重要，关系到熔断器是否能正常熔断。下面按照图9加装熔断器后，计算每个熔断器流过的最大短路电流，并以此来指导熔断器选型。本节中变量定义与第2节一致。

在图9 中对于熔断器

～

，根据第3 节分析，在发生F3 故障时，流过的故障电流最大，计算公式为：

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

对于熔断器

～

，此时流过中间熔断器最大短路电流(推导过程见附录

)为：)

对于熔断器

和

，流过的最大短路电流为F6，此时所有簇都提供故障电流，计算公式为：

各个熔断器最大短路电流计算公式见表5。

根据表5 计算出熔断器最大短路电流并选型。本文提出的熔断器选型方法，已经应用于浙江某大型储能电池项目的前期保护方案设计之中。

5 结 论

本文提出并验证了电池短路计算模型，推导出各种短路情况下短路电流理论计算公式，并与仿真对比证明了有效性。根据短路电流计算公式，分析了短路电流大小与故障位置关系、所有情况下储能系统各处最大短路电流。由于电池簇内极间短路电流巨大，本文提出基于熔断器的保护配置方案，并分析了熔断器配置位置和最大电流计算方法。本文提出的短路计算方法，可以广泛应用于各种大型储能电站前期设计中；提出的保护配置方案具备实际应用价值，能够切实降低大型储能系统安全隐患。

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根据理论计算公式计算出来各处电流如下表所示：

流过的最大短路电流可能是短路点内短路电流也有可能是其他簇总电流汇入的，下面分析这两种电流的大小。根据式(3)簇内短路点内电池越多其他簇总电流越大，对于放在簇中间的熔断器N来说，此时最大电流为：

短路点内短路电流最大值为簇首末故障时，计算公式为：

I =/( +)

I

和

I

的大小跟参数大小相关，难以直接比较，所以最终计算公式为：

I = {( - 1)/[4 +( + 1)]，/( +)}