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儲(chǔ)能作為能源服務(wù)新產(chǎn)品，是優(yōu)質(zhì)、可靠的毫秒級(jí)控制響應(yīng)資源，可提供有功無(wú)功的雙重支撐，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、事故應(yīng)急響應(yīng)等多種服務(wù)，有效滿(mǎn)足電網(wǎng)在可再生能源消納、電網(wǎng)安全運(yùn)行等方面的迫切需求，推動(dòng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)發(fā)展。2018年開(kāi)始電網(wǎng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能電站開(kāi)始投入使用，電池作為儲(chǔ)能電站核心組成部分，實(shí)際運(yùn)行中也暴露出一些問(wèn)題。本文從電池組的異常和告警現(xiàn)象入手，對(duì)電池組的設(shè)計(jì)、選型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，探索更為安全、合理、高效的電池組設(shè)計(jì)方式。
本文來(lái)源：中國(guó)電力設(shè)備管理協(xié)會(huì) 微信公眾號(hào)
1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析
經(jīng)統(tǒng)計(jì)某電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，2019年1月8日至3月8日儲(chǔ)能電站全站電池告警信息共計(jì)31435條，對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大影響（表1）。其中，單體過(guò)壓、欠壓告警屬于電壓異常告警合計(jì)31313次，占比99.61%；過(guò)溫、欠溫告警屬于溫度異常告警合計(jì)60次，占比0.17%；SOC低告警屬于電池荷電量低告警共計(jì)69次，占比0.22%。
表1 某儲(chǔ)能電站實(shí)際運(yùn)行告警信息統(tǒng)計(jì)
考慮SOC告警屬于鋰電池內(nèi)部固有化學(xué)特性造成，本文重點(diǎn)針對(duì)電壓及溫度異常告警進(jìn)行分析研究。
2.1 電壓異常
2.1.1 異常原因分析航插與U箱總正、總負(fù)鋁排連接螺栓出廠(chǎng)時(shí)未按力矩要求鎖緊，導(dǎo)致接觸電阻變大，引起電池電壓采樣誤差；航插與U箱總正、總負(fù)鋁排連接螺栓未做防振/放松處理，再加上電池插箱在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中出現(xiàn)震動(dòng)或熱脹冷縮導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)引起接觸電阻變大（單體告警有的不規(guī)律出現(xiàn)，有的反復(fù)出現(xiàn)）；虛焊漏焊導(dǎo)致接觸電阻變化；U箱內(nèi)部模組間使用焊接鋁排為分體式，即每個(gè)模組使用一個(gè)鋁排進(jìn)行焊接，模組與模組間鋁排靠螺釘連接，存在螺釘未鎖緊或長(zhǎng)期運(yùn)行震動(dòng)/熱脹冷縮導(dǎo)致的松動(dòng)，引起接觸電阻變大。部分鋁排連接不可靠，在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入粉塵引起的接觸電阻變大；電芯一致性存在差異，電芯本身或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行衰減導(dǎo)致內(nèi)阻變大；航插退針，在振動(dòng)或熱脹冷縮作用下，航插芯體易出現(xiàn)退針現(xiàn)象，造成接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻變大，進(jìn)而引起壓降增大。從拆下的舊航插看，芯體很容易拔出，且芯體與鋁排連接部分有明顯的氧化痕跡。
2.1.2 整改方案更換U箱總正、總負(fù)鋁排與航插連接的螺栓為耐落螺栓，涂有防落螺紋膠，并用10N·m的力矩鎖緊；更換后用電壓內(nèi)阻儀測(cè)量模組電壓內(nèi)阻及總正、總負(fù)鋁排與航插間的阻抗。阻抗≤0.2mΩ為合格，不合格時(shí)檢查并緊固螺栓，排查是否有虛焊，并拆下模組鋁排連接螺栓用酒精清洗鋁排表面。測(cè)量模組電壓與整簇比較，壓差在200mV以?xún)?nèi)認(rèn)為合格，否則對(duì)模組進(jìn)行補(bǔ)電或放電[1]。更換新結(jié)構(gòu)航插。針對(duì)退針艙體U箱，U箱串聯(lián)使用銅排的方式進(jìn)行整改。新航插采用整體注塑的結(jié)構(gòu)，可有效消除退針隱患（圖1）；U箱間由原來(lái)的串聯(lián)動(dòng)力線(xiàn)對(duì)插方式改為銅排串聯(lián)（T=2.5mm，W=20mm），銅排與航插間通過(guò)M8內(nèi)六角組合螺栓連接，扭力值≥13N·m（圖2）。
圖1 新航插示意圖
圖2 新結(jié)構(gòu)動(dòng)力連接線(xiàn)示意圖
測(cè)試新動(dòng)力連接線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新型結(jié)構(gòu)有利于降低接觸內(nèi)阻，可減小由接觸內(nèi)阻過(guò)大造成的壓降和溫升問(wèn)題。新航插結(jié)構(gòu)在充放電機(jī)上以150A電流進(jìn)行測(cè)試，記錄電壓降及實(shí)際電流，經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算后，新航插與銅排組合體內(nèi)阻在0.073~0.093mΩ間。
2.2 溫度異常
2.2.1 原因分析風(fēng)道結(jié)構(gòu)不合理。通過(guò)對(duì)風(fēng)道進(jìn)行熱仿真數(shù)據(jù)分析，得知在風(fēng)道末端風(fēng)速基本為0，風(fēng)量也很小，達(dá)不到冷卻效果；U箱風(fēng)扇未啟動(dòng)。風(fēng)扇啟動(dòng)可加速空氣流速，起到一定的降溫效果，但因BMS（電池管理系統(tǒng)）設(shè)置風(fēng)扇啟動(dòng)溫度過(guò)高（40℃），導(dǎo)致U箱風(fēng)扇未啟動(dòng)；單體電芯在U箱內(nèi)間距較小，不利于通風(fēng)冷卻；風(fēng)道在空調(diào)出風(fēng)口上端存在密封不嚴(yán)的情況，空調(diào)出風(fēng)口與風(fēng)道結(jié)合處存在縫隙，手伸至此處有明顯的風(fēng)吹感覺(jué)，存在漏風(fēng)，造成風(fēng)壓、風(fēng)量損失。
2.2.2 整改方案風(fēng)道整改。采用圖3所示異形鈑金件加泡棉安裝于風(fēng)道出口（空調(diào)出口附近），通過(guò)縮小風(fēng)道出口來(lái)提高風(fēng)壓，提升冷風(fēng)/熱風(fēng)在風(fēng)道內(nèi)的流速，從而保證在風(fēng)道的末端（第5簇和第1簇）有一定的風(fēng)量，改善冷卻效果。從13#艙A側(cè)測(cè)試效果看，在風(fēng)道末端風(fēng)速、風(fēng)量都有所改善，但效果不夠明顯。進(jìn)一步分析及與運(yùn)維人員溝通，U箱風(fēng)扇在運(yùn)行過(guò)程中未啟動(dòng)，若風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)一步可加速風(fēng)的流動(dòng)速度，冷卻效果會(huì)進(jìn)一步得到改善[2]。
圖3 風(fēng)道改造異形鈑金件
風(fēng)扇啟動(dòng)策略?xún)?yōu)化。調(diào)整風(fēng)扇控制策略，更改風(fēng)扇啟動(dòng)溫度，確保U箱風(fēng)扇啟動(dòng)，滿(mǎn)足U箱散熱要求。
3 整改效果分析對(duì)該儲(chǔ)能電站進(jìn)行整改并重新運(yùn)行一周后，搜集運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析整改效果。電壓測(cè)試。選取23號(hào)電池倉(cāng)，滿(mǎn)功率（500KW）充電或放電，記錄跨接點(diǎn)電壓分布，并對(duì)整改前后BMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)整改后的跨接點(diǎn)電壓離散現(xiàn)象消失，BMS不再報(bào)電壓異常。阻抗測(cè)試。選取23號(hào)電池倉(cāng)，更換螺栓，重新打緊扭力后，用內(nèi)阻測(cè)試儀對(duì)所有連接點(diǎn)的阻抗進(jìn)行確認(rèn)（圖4），所有阻抗都控制在0.25mΩ以?xún)?nèi)。
圖4 阻抗分布圖
溫度測(cè)試。在完成空調(diào)設(shè)置并開(kāi)啟風(fēng)扇后，將電池艙投入AGC試運(yùn)行，3天后記錄BMS系統(tǒng)溫差變化，并對(duì)整改前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。整改前最高溫達(dá)到43℃，溫差最大23℃，整改后最高溫降至39℃，溫差縮小至不超過(guò)18℃，顯著改善。4 結(jié)語(yǔ)該儲(chǔ)能電站整站整改完畢后投入AGC試運(yùn)行，整改完成的電池艙運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)電壓異常中度、重度報(bào)警，未出現(xiàn)溫度異常中度、重度報(bào)警，壓差相比整改前有了顯著的改善，溫差也有顯著縮小，整改完成的艙工作溫度都小于50℃，處在最佳的工作溫度范圍[3]。因此，可認(rèn)為本次研究原因分析到位，整改措施有效，可達(dá)到既定目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)[1]GB/T34131電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范.[2]Q/GDW11220電池儲(chǔ)能電站設(shè)備及系統(tǒng)交接試驗(yàn)規(guī)程.[3]NB/T42091電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范.
此專(zhuān)文摘自《電力設(shè)備管理》雜志文庫(kù)，專(zhuān)文主創(chuàng)：國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司 包 磊 國(guó)家能源集團(tuán)諫壁發(fā)電廠(chǎng) 瞿 佳
本文來(lái)源：中國(guó)電力設(shè)備管理協(xié)會(huì) 微信公眾號(hào)
1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析
經(jīng)統(tǒng)計(jì)某電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，2019年1月8日至3月8日儲(chǔ)能電站全站電池告警信息共計(jì)31435條，對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大影響（表1）。其中，單體過(guò)壓、欠壓告警屬于電壓異常告警合計(jì)31313次，占比99.61%；過(guò)溫、欠溫告警屬于溫度異常告警合計(jì)60次，占比0.17%；SOC低告警屬于電池荷電量低告警共計(jì)69次，占比0.22%。
表1 某儲(chǔ)能電站實(shí)際運(yùn)行告警信息統(tǒng)計(jì)
考慮SOC告警屬于鋰電池內(nèi)部固有化學(xué)特性造成，本文重點(diǎn)針對(duì)電壓及溫度異常告警進(jìn)行分析研究。
2.1 電壓異常
2.1.1 異常原因分析航插與U箱總正、總負(fù)鋁排連接螺栓出廠(chǎng)時(shí)未按力矩要求鎖緊，導(dǎo)致接觸電阻變大，引起電池電壓采樣誤差；航插與U箱總正、總負(fù)鋁排連接螺栓未做防振/放松處理，再加上電池插箱在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中出現(xiàn)震動(dòng)或熱脹冷縮導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)引起接觸電阻變大（單體告警有的不規(guī)律出現(xiàn)，有的反復(fù)出現(xiàn)）；虛焊漏焊導(dǎo)致接觸電阻變化；U箱內(nèi)部模組間使用焊接鋁排為分體式，即每個(gè)模組使用一個(gè)鋁排進(jìn)行焊接，模組與模組間鋁排靠螺釘連接，存在螺釘未鎖緊或長(zhǎng)期運(yùn)行震動(dòng)/熱脹冷縮導(dǎo)致的松動(dòng)，引起接觸電阻變大。部分鋁排連接不可靠，在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入粉塵引起的接觸電阻變大；電芯一致性存在差異，電芯本身或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行衰減導(dǎo)致內(nèi)阻變大；航插退針，在振動(dòng)或熱脹冷縮作用下，航插芯體易出現(xiàn)退針現(xiàn)象，造成接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻變大，進(jìn)而引起壓降增大。從拆下的舊航插看，芯體很容易拔出，且芯體與鋁排連接部分有明顯的氧化痕跡。
2.1.2 整改方案更換U箱總正、總負(fù)鋁排與航插連接的螺栓為耐落螺栓，涂有防落螺紋膠，并用10N·m的力矩鎖緊；更換后用電壓內(nèi)阻儀測(cè)量模組電壓內(nèi)阻及總正、總負(fù)鋁排與航插間的阻抗。阻抗≤0.2mΩ為合格，不合格時(shí)檢查并緊固螺栓，排查是否有虛焊，并拆下模組鋁排連接螺栓用酒精清洗鋁排表面。測(cè)量模組電壓與整簇比較，壓差在200mV以?xún)?nèi)認(rèn)為合格，否則對(duì)模組進(jìn)行補(bǔ)電或放電[1]。更換新結(jié)構(gòu)航插。針對(duì)退針艙體U箱，U箱串聯(lián)使用銅排的方式進(jìn)行整改。新航插采用整體注塑的結(jié)構(gòu)，可有效消除退針隱患（圖1）；U箱間由原來(lái)的串聯(lián)動(dòng)力線(xiàn)對(duì)插方式改為銅排串聯(lián)（T=2.5mm，W=20mm），銅排與航插間通過(guò)M8內(nèi)六角組合螺栓連接，扭力值≥13N·m（圖2）。
圖1 新航插示意圖
圖2 新結(jié)構(gòu)動(dòng)力連接線(xiàn)示意圖
測(cè)試新動(dòng)力連接線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新型結(jié)構(gòu)有利于降低接觸內(nèi)阻，可減小由接觸內(nèi)阻過(guò)大造成的壓降和溫升問(wèn)題。新航插結(jié)構(gòu)在充放電機(jī)上以150A電流進(jìn)行測(cè)試，記錄電壓降及實(shí)際電流，經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算后，新航插與銅排組合體內(nèi)阻在0.073~0.093mΩ間。
2.2 溫度異常
2.2.1 原因分析風(fēng)道結(jié)構(gòu)不合理。通過(guò)對(duì)風(fēng)道進(jìn)行熱仿真數(shù)據(jù)分析，得知在風(fēng)道末端風(fēng)速基本為0，風(fēng)量也很小，達(dá)不到冷卻效果；U箱風(fēng)扇未啟動(dòng)。風(fēng)扇啟動(dòng)可加速空氣流速，起到一定的降溫效果，但因BMS（電池管理系統(tǒng)）設(shè)置風(fēng)扇啟動(dòng)溫度過(guò)高（40℃），導(dǎo)致U箱風(fēng)扇未啟動(dòng)；單體電芯在U箱內(nèi)間距較小，不利于通風(fēng)冷卻；風(fēng)道在空調(diào)出風(fēng)口上端存在密封不嚴(yán)的情況，空調(diào)出風(fēng)口與風(fēng)道結(jié)合處存在縫隙，手伸至此處有明顯的風(fēng)吹感覺(jué)，存在漏風(fēng)，造成風(fēng)壓、風(fēng)量損失。
2.2.2 整改方案風(fēng)道整改。采用圖3所示異形鈑金件加泡棉安裝于風(fēng)道出口（空調(diào)出口附近），通過(guò)縮小風(fēng)道出口來(lái)提高風(fēng)壓，提升冷風(fēng)/熱風(fēng)在風(fēng)道內(nèi)的流速，從而保證在風(fēng)道的末端（第5簇和第1簇）有一定的風(fēng)量，改善冷卻效果。從13#艙A側(cè)測(cè)試效果看，在風(fēng)道末端風(fēng)速、風(fēng)量都有所改善，但效果不夠明顯。進(jìn)一步分析及與運(yùn)維人員溝通，U箱風(fēng)扇在運(yùn)行過(guò)程中未啟動(dòng)，若風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)一步可加速風(fēng)的流動(dòng)速度，冷卻效果會(huì)進(jìn)一步得到改善[2]。
圖3 風(fēng)道改造異形鈑金件
風(fēng)扇啟動(dòng)策略?xún)?yōu)化。調(diào)整風(fēng)扇控制策略，更改風(fēng)扇啟動(dòng)溫度，確保U箱風(fēng)扇啟動(dòng)，滿(mǎn)足U箱散熱要求。
3 整改效果分析對(duì)該儲(chǔ)能電站進(jìn)行整改并重新運(yùn)行一周后，搜集運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析整改效果。電壓測(cè)試。選取23號(hào)電池倉(cāng)，滿(mǎn)功率（500KW）充電或放電，記錄跨接點(diǎn)電壓分布，并對(duì)整改前后BMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)整改后的跨接點(diǎn)電壓離散現(xiàn)象消失，BMS不再報(bào)電壓異常。阻抗測(cè)試。選取23號(hào)電池倉(cāng)，更換螺栓，重新打緊扭力后，用內(nèi)阻測(cè)試儀對(duì)所有連接點(diǎn)的阻抗進(jìn)行確認(rèn)（圖4），所有阻抗都控制在0.25mΩ以?xún)?nèi)。
圖4 阻抗分布圖
溫度測(cè)試。在完成空調(diào)設(shè)置并開(kāi)啟風(fēng)扇后，將電池艙投入AGC試運(yùn)行，3天后記錄BMS系統(tǒng)溫差變化，并對(duì)整改前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。整改前最高溫達(dá)到43℃，溫差最大23℃，整改后最高溫降至39℃，溫差縮小至不超過(guò)18℃，顯著改善。4 結(jié)語(yǔ)該儲(chǔ)能電站整站整改完畢后投入AGC試運(yùn)行，整改完成的電池艙運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)電壓異常中度、重度報(bào)警，未出現(xiàn)溫度異常中度、重度報(bào)警，壓差相比整改前有了顯著的改善，溫差也有顯著縮小，整改完成的艙工作溫度都小于50℃，處在最佳的工作溫度范圍[3]。因此，可認(rèn)為本次研究原因分析到位，整改措施有效，可達(dá)到既定目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)[1]GB/T34131電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范.[2]Q/GDW11220電池儲(chǔ)能電站設(shè)備及系統(tǒng)交接試驗(yàn)規(guī)程.[3]NB/T42091電化學(xué)儲(chǔ)能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范.
此專(zhuān)文摘自《電力設(shè)備管理》雜志文庫(kù)，專(zhuān)文主創(chuàng)：國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司 包 磊 國(guó)家能源集團(tuán)諫壁發(fā)電廠(chǎng) 瞿 佳
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