儲能系統(tǒng)直流電弧故障的檢測與保護技術(shù)的研究及應(yīng)用

摘"要：探討儲能系統(tǒng)中的電弧檢測與保護方法，提出一種基于時域觸發(fā)加頻域保護的電弧檢測算法。首先，設(shè)計了包括自檢、增益及濾波電路在內(nèi)的電弧檢測硬件，通過隧穿磁阻效應(yīng)（TMR）電流傳感器放大儲能系統(tǒng)拉弧后的電流峰峰值變化差異。其次，利用延時滑窗法提取時域特征作為電弧檢測算法的觸發(fā)條件，觸發(fā)后計算其頻域特征輸入電弧檢測模型，判定其為真實拉弧后，儲能系統(tǒng)立刻進行關(guān)機動作。算法的測試結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確識別出串聯(lián)回路下的儲能系統(tǒng)電弧故障，檢測準(zhǔn)確率100%，能夠滿足實際應(yīng)用中的需求。

關(guān)鍵詞： 儲能系統(tǒng); 安全; 電弧檢測技術(shù); 電弧檢測模型

中圖分類號： TM501+.2

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）08-0091-09

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.012

Research and Application of Detection and Protection Techniques for DC Arc Faults in ESSs

ZHANG Xian1，"ZHANG Ran2，"HOU Peng2，"LIU Xiaoyu2

［1.SUNGROW （Jiangsu） Co.，Ltd.， Nanjing 210000， China;

2.SUNGROW Power Supply Co.，Ltd.， Hefei 230000， China］

Abstract：

To investigate arc detection amp; protection methods in ESSs，an arc detection algorithm based on time-domain triggering and frequency-domain protection is proposed.Firstly，an arc detection hardware was designed，including self-check，gain，and filtering circuits.This hardware amplifies the peak-to-peak current variation difference after an arc occurs in the energy storage system，through the use of a TMR current sensor.Secondly，time-domain features are extracted using a delayed sliding window method for use as trigger conditions in the arc detection algorithm.Once triggered，frequency-domain features are calculated and input into the arc detection model.If it is determined to be a genuine arc event，the ESS immediately performs a shutdown action.The test results of the algorithm show that this method can accurately identify the arc faults in the energy storage system under series circuits，with a detection accuracy rate of 100%，meeting the requirements for practical applications.

Key words：

ESSs; safety; arc detection and protection techniques; arc detection model

0"引"言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的加速轉(zhuǎn)型，儲能成為可再生能源大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)。彭博新能源財經(jīng)（BNEF）最新數(shù)據(jù)顯示，自2020年以來，全球儲能裝機容量顯著增長，2023年新增裝機容量達95.8 GWh，期間的復(fù)合增長率（CAGR）約為70%。BNEF預(yù)計到2030年，全球儲能市場將年新增裝機容量136.4 GW/445.2 GWh［1］。

儲能安全是儲能行業(yè)可持續(xù)、規(guī)?；l(fā)展的基礎(chǔ)。隨著大容量、長時儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，直流側(cè)電流、電壓不斷上升，電池及電氣連接點數(shù)量大幅增加，極大地提升了電弧故障風(fēng)險，電弧故障輕則導(dǎo)致設(shè)備損害，重則引發(fā)火災(zāi)，對人員、資產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

2017年3月7日9時44分許，山西某火力發(fā)電廠儲能系統(tǒng)輔助機組自動發(fā)電量控制（AGC）調(diào)頻項目發(fā)生火災(zāi)。綜合分析，該火災(zāi)為固定螺栓頂部對外殼持續(xù)放電產(chǎn)生的高溫引發(fā)［2］。某日19時55分，某企業(yè)電力機房發(fā)生火災(zāi)。儲能機柜右側(cè)的直流母排和功率模塊右側(cè)的金屬外殼均被電弧燒蝕嚴(yán)重，形成電弧灼燒金屬熔化痕跡，說明直流電路發(fā)生了放電現(xiàn)象，從而發(fā)生火災(zāi)［3］。

因此，為了進一步促進儲能行業(yè)安全健康發(fā)展，需要對儲能系統(tǒng)中直流電弧故障的檢測與保護技術(shù)進行研究并應(yīng)用。

1"儲能系統(tǒng)電弧的特點

1.1"電弧放電原理

電弧放電是氣體放電的一種形式，屬于氣體自持放電，其發(fā)生條件是放電電極兩端具有足夠的電壓差。隨著電極間距（放電間隙）的不斷增加，電弧與電極接觸面逐漸減小，電路中的電流在狹小的接觸面上通過，接觸部位電流密度逐漸增大，金屬強烈發(fā)熱。當(dāng)電極分開時，金屬溫度的上升導(dǎo)致電子動能增加，當(dāng)電子動能達到金屬逸出功，逸出金屬進入電極之間的放電間隙，形成電子的熱發(fā)射。同時，由于電極間距離很小，間隙中的電場強度較大，陰極表面電場很高，發(fā)射較多電子，稱為高電場發(fā)射。熱發(fā)射和高電場發(fā)射導(dǎo)致大量的電子進入電弧的放電間隙，在外加電壓下，電場電離產(chǎn)生大量的電子和正離子。電子運動到陽極并與陽極表面的正電荷發(fā)生復(fù)合作用，釋放能量加熱陽極表面，促進陽極的熱發(fā)射；正離子運動到陰極進一步與電子復(fù)合釋放能量，形成電弧。由于陽極和陰極處不斷發(fā)生復(fù)合并釋放能量，放電間隙的溫度不斷升高，氣體中帶電粒子不斷增多，氣體電導(dǎo)率不斷增大，電極間隙兩端電壓不斷減小，當(dāng)電極間隙中單位時間內(nèi)帶電粒子的復(fù)合和擴散作用相抵時，電弧進入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)［4］。電弧產(chǎn)生過程如圖1所示。

1.2"電弧放電種類

1.2.1"交流電弧與直流電弧

按電源工作電流類型劃分，電弧放電可分為交流電弧和直流電弧。交流電弧與直流電弧電流隨時間的變化如圖2所示。交流電弧在電流過零點附近時，施加在兩電極間的電壓很小，不足以擊穿電極間空氣［5］，電弧會自然熄滅；隨著電壓換向，電弧兩端電壓逐漸升高，電弧在電流過零點后可能重燃［6］，具有間歇性的特點，其能量呈現(xiàn)斷續(xù)釋放狀態(tài)，引起熱失控的風(fēng)險較小。直流電弧產(chǎn)生后會持久穩(wěn)定且難以熄滅，熱失控的風(fēng)險較高。儲能系統(tǒng)通常由交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)2個部分組成，直流電弧和交流電弧都有可能發(fā)生，其中直流電弧的檢測與保護更需要引起關(guān)注。

1.2.2"串聯(lián)電弧與并聯(lián)電弧

根據(jù)發(fā)生的位置不同，電弧可以分為并聯(lián)電弧和串聯(lián)電弧［7］。儲能系統(tǒng)中的并聯(lián)電弧和串聯(lián)電弧位置如圖3所示。接地電弧可視為一種特殊的并聯(lián)電弧。并聯(lián)電弧一般是由導(dǎo)體絕緣破損引起，在2個不同電位點之間產(chǎn)生；串聯(lián)電弧通常是由連接接頭松動造成的接觸不良引起。串聯(lián)電弧發(fā)生后，電弧電阻串入電路，使得回路電流下降，因此傳統(tǒng)基于電流數(shù)值增大的過電流保護技術(shù)無法檢測到串聯(lián)電弧故障［8-10］。儲能系統(tǒng)中，通常通過熔絲、斷路器等傳統(tǒng)的保護裝置對并聯(lián)電弧進行保護，而對于串聯(lián)電弧還不具備可靠的檢測與保護手段。

1.3"儲能直流側(cè)電源系統(tǒng)串聯(lián)電弧的風(fēng)險和危害

1.3.1"高風(fēng)險性

儲能直流側(cè)電源系統(tǒng)中，電路上分布大量連接點，這些連接點一旦出現(xiàn)松動，可能引發(fā)電弧放電。以某公司5 MWh儲能系統(tǒng)為例，直流側(cè)連接點為11 016個，而交流側(cè)連接點僅有216個，因此直流側(cè)發(fā)生電弧放電的風(fēng)險性更高。

1.3.2"高危害性

研究表明，2～10 A的電弧電流即可產(chǎn)生2 000～4 000 ℃的高溫［11］。以某公司5 MWh儲能系統(tǒng)為例，儲能直流側(cè)工作電流在200 A以上，電弧電流產(chǎn)生的溫度更高，同時儲能直流側(cè)存在大量鋰電芯，一旦發(fā)生電弧放電，電弧引起的高溫極易引起電芯熱失控，進而帶來火災(zāi)和爆炸等危害，因此直流側(cè)發(fā)生電弧放電的危害性更高。

2"儲能直流電弧故障檢測與保護技術(shù)實現(xiàn)方案

由于儲能直流側(cè)電源系統(tǒng)串聯(lián)電弧存在高風(fēng)險性和高危害性，本文提出一種高可靠、快速的儲能直流電弧故障檢測與保護技術(shù)實現(xiàn)方案，并在某公司5 MWh儲能系統(tǒng)中進行應(yīng)用驗證。

2.1"技術(shù)方案

電弧故障診斷中，重要的一步是將提取的特征通過合適的分類方法區(qū)分開電弧故障狀態(tài)與正常狀態(tài)［12］。當(dāng)電弧故障發(fā)生時，會和系統(tǒng)中的源荷特性耦合，并導(dǎo)致系統(tǒng)中電流發(fā)生某種變化，因此對于電流的檢測研究成為識別電弧故障的關(guān)鍵［13］。電弧特征值變化如圖4所示。當(dāng)直流電弧放電持續(xù)發(fā)生時，電弧電流的幅值特征會持續(xù)高于正常運行時的電流幅值特征，因此可以用來判斷系統(tǒng)中是否出現(xiàn)電弧故障。

技術(shù)實現(xiàn)方案流程如圖5所示。

（1） 使用電流傳感器和硬件電路進行數(shù)據(jù)采集，采集直流電流的模擬信號并進行濾波、放大;

（2） 使用微處理器（MCU）進行數(shù)據(jù)處理，MCU通過AD將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再采用快速傅里葉變換（FFT）方法將時域特征轉(zhuǎn)換為頻域特征；

（3） MCU通過比較特征前后變化，并結(jié)合系統(tǒng)工作狀態(tài)進行電弧故障判斷，實現(xiàn)電弧故障檢測功能；

（4） 一旦判定電弧故障發(fā)生，系統(tǒng)會立即停機運行，將直流側(cè)工作電流降低為0，從而熄滅電弧，實現(xiàn)電弧故障保護功能。

2.2"硬件設(shè)計

2.2.1"正常運行時的電流幅值特征

電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，其中極化內(nèi)阻并不服從歐姆定律，其阻抗一般呈容性。通常情況下，電池的內(nèi)阻很小，基本在200 mΩ以內(nèi)［14］。儲能電池全局阻抗低，即進行頻域分析時，電流幅值更大［15］。儲能系統(tǒng)直流側(cè)正常運行時電流如圖6所示;儲能系統(tǒng)直流側(cè)電弧故障時的電流如圖7所示。由圖可知，儲能系統(tǒng)直流側(cè)正常運行時電流交流幅值達到13.2 A，而電弧電流交流幅值在時域上無法觀測到明顯的特征。

2.2.2"電弧電流的幅頻特征

將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，儲能系統(tǒng)直流電弧頻譜對比如圖8所示。電弧電流在頻域上的幅值特征與正常運行時的電流幅值特征難以區(qū)分，從而導(dǎo)致電弧故障無法有效檢出。

2.2.3"硬件電路

針對性地設(shè)計硬件電路，確保送給MCU的信號具有較高的信噪比。儲能系統(tǒng)直流電弧故障檢測硬件架構(gòu)如圖9所示。本設(shè)計硬件架構(gòu)包含穿隧磁阻（TMR）傳感器、自檢電路、有源濾波和放大電路、MCU等模塊，以下針對各子模塊電路進行介紹。

（1） TMR傳感器能夠感應(yīng)磁場強度，并且與霍爾效應(yīng)（HALL）傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器相比，TMR傳感器的電阻變化率更大。因而其靈敏度也更高［16］。不同磁傳感器電阻隨磁感應(yīng)強度變化曲線如圖10所示;4種傳感器性能比較如表1所示。TMR傳感器以其微秒級的響應(yīng)速度，非常適合在高頻條件下的測量［17］。

綜合考慮，本文認(rèn)為在上述4種磁傳感器中，TMR傳感器的性能最為優(yōu)越。同時，TMR傳感器的響應(yīng)是微秒級，弧后電流的持續(xù)時間在百微秒內(nèi)，因此選用TMR傳感器測量弧后電流具有可行性［18］。

（2） 自檢電路負(fù)責(zé)在電弧檢測系統(tǒng)運行前對電弧檢測功能電路進行自檢。儲能系統(tǒng)直流電弧故障檢測自檢電路如圖11所示。自檢電路原理為給VT1的A點輸入一定頻率信號，在B點驅(qū)動TMR傳感器自檢線圈，傳感器輸出自檢信號經(jīng)放大及濾波電路后傳遞至MCU進行判斷是否產(chǎn)生自檢故障。

（3）有源濾波電路采用了Butterworth類型，該類型在通帶內(nèi)信號幅度增益一致，對電弧檢測有利。

二階單位增益Sallen-Key低通濾波器如圖12所示。其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、參數(shù)易改。有源濾波器電路采用2個Sallen-Key濾波器單元串聯(lián)而成，

Sallen-Key結(jié)構(gòu)的濾波器截止頻率為

fc=12π"R1R2C1C2（1）

核算品質(zhì)因數(shù)Q：第1級Q選擇在0.5～1.0，以后每級Q值逐漸增大。低通和高通Q值QLowpass、QHighpass為

QLowpass="R1R2C1C2（R1+R2）C2（2）

QHighpass="R1R2C1C2R1（C1+C2）（3）

2.3"軟件設(shè)計

電弧檢測軟件算法方案邏輯主要分為數(shù)據(jù)獲取、特征選取、模型訓(xùn)練及驗證3個部分。

2.3.1"數(shù)據(jù)獲取

電弧放電燃弧瞬間的時域波形如圖13所示;電弧放電燃弧瞬間的（頻域特征）變化如14所示。由圖13、圖14可知，儲能系統(tǒng)電弧發(fā)生瞬間會產(chǎn)生特征較大變化，因此可以利用特征變化用于輔助判斷。

在實時的電弧檢測中，使用滑窗重疊采樣能夠提高檢測頻率和故障檢測的實時性［19］。為了完整檢測瞬間電弧變化，使用滑窗重疊采樣，單個控制周期T1和數(shù)據(jù)采樣周期T2關(guān)系可表示為

1.5T1≤T2＜2T1（4）

以128 kHz采樣為例，T1=20 ms，取T2=30 ms，即每個控制周期內(nèi)有10 ms時間窗的采樣數(shù)據(jù)重疊，相鄰2個控制周期可以完全覆蓋中間采樣周期數(shù)據(jù)，能夠較為完整地反映時域特征變化，即使某一采樣周期邊緣位置少許數(shù)據(jù)點記錄到電弧波形，在下一采樣周期仍然能夠完整地反映電弧瞬間的完整波形。采樣數(shù)據(jù)滑窗處理如圖15所示。

2.3.2"特征選取

串聯(lián)電弧故障發(fā)生時，故障電流信號帶有一定的隨機性，可能包含不同強度的高頻信號。逆變器的開關(guān)頻率及其倍頻處存在很大的開關(guān)噪聲，同時存在著一些幅值較大的隨機噪聲，若不去除，會使得電弧特征不明顯，造成正常狀態(tài)與故障狀態(tài)不易區(qū)分［20-21］。因此，需要將單個控制周期時域信號進行處理，提取時域特征，如峰峰值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等。之后，對該周期內(nèi)時域采樣信號進行快速傅里葉（FFT）計算，得到頻域特征數(shù)據(jù)，作為模型訓(xùn)練輸入信號。

2.3.3"模型訓(xùn)練及驗證

以反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為例，選取測試樣本中的時域特征和頻域特征作為模型輸入，利用深度學(xué)習(xí)框架搭建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、神經(jīng)元個數(shù)、學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)等，模型經(jīng)過前向傳播和反向傳播以更新模型的權(quán)重參數(shù)，達到設(shè)置的誤差或迭代次數(shù)后停止訓(xùn)練，得到最終模型。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的閾值調(diào)節(jié)技術(shù)，可基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的技術(shù)特點，提升電弧檢測算法的適應(yīng)性。同時通過提供海量數(shù)據(jù)和對抗訓(xùn)練等手段，可增強電弧檢測算法的魯棒性，使得模型算法在面對噪聲及潛在的惡意攻擊等干擾因素時，仍能準(zhǔn)確判斷電弧故障。儲能系統(tǒng)直流電弧檢測流程如圖16所示。

在電弧檢測模型識別到電弧檢測結(jié)果后，結(jié)合時域特征信息，判斷是否發(fā)生真實電弧。若是，則儲能系統(tǒng)執(zhí)行快速關(guān)機，并上報相應(yīng)故障信息，提醒運維人員前往現(xiàn)場排查電弧隱患，以保障儲能系統(tǒng)安全、高效運行。

3"儲能直流電弧故障檢測與保護技術(shù)驗證

在某公司儲能系統(tǒng)產(chǎn)品中，對本儲能直流電弧故障檢測與保護技術(shù)實現(xiàn)方案進行驗證。設(shè)定儲能變流器（PCS）工作模式正常運行，通過電弧發(fā)生器以一定的開斷速度開斷儲能系統(tǒng)直流側(cè)串聯(lián)回路，產(chǎn)生設(shè)定的分?jǐn)嚅g隙，從而在開斷間隙中形成電弧，電弧檢測功能對電弧進行檢測并進行相應(yīng)的保護，最終使電弧消失。單支路測試拓?fù)淇驁D如圖17所示;雙支路測試拓?fù)淇驁D如圖18所示［22］。

在實驗過程中，使用示波器監(jiān)測PCS直流側(cè)電弧電流、PCS交流側(cè)工作電流、電弧發(fā)生器分?jǐn)嚅g隙電弧電壓、PCS直流側(cè)工作電壓，得出滅弧時間、電弧能量結(jié)果，并計算出電弧檢測準(zhǔn)確率。驗證結(jié)果如表2所示。

由于篇幅有限，以下列舉3個典型工作模式下的電弧檢測與保護功能試驗用例以及測試結(jié)果，均符合CGC/GF 240：2024《儲能系統(tǒng)直流電弧檢測及分?jǐn)嘣u價技術(shù)規(guī)范》要求。測試用例條件及測試結(jié)果如表3所示;用例1～用例3試驗波形分別如圖19～圖21所示。

通過測試結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，盡管PCS直流側(cè)電弧電流最大達到206.3 A，電弧發(fā)生器開斷間隙電弧電壓最大達到30.85 V，所產(chǎn)生的電弧功率在6 kW以上，檢測與保護技術(shù)實現(xiàn)方案使得滅弧時間不超過0.2 s，因此電弧能量被限定在1 500 J以內(nèi)，滿足技術(shù)規(guī)范中Level 4等級評定要求，從而大大降低了電弧引起儲能系統(tǒng)熱失控的風(fēng)險，提高儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性。

儲能系統(tǒng)未來將不斷提升PCS單機功率，使得PCS直流側(cè)電弧電流成倍提升，從而成倍增加電弧功率。下一步將以本技術(shù)為基礎(chǔ)繼續(xù)深入研究，將滅弧時間由0.2 s降至0.1 s，以保障電弧能量仍然被限定在1 500 J以內(nèi)，滿足技術(shù)規(guī)范中Level 4等級評定要求，繼續(xù)保持儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4"結(jié)"語

本文研究了儲能系統(tǒng)電弧的特點，指出儲能直流側(cè)電源系統(tǒng)串聯(lián)電弧具有高風(fēng)險性和高危害性的特點，因此提出一種儲能直流電弧故障檢測與保護技術(shù)實現(xiàn)方案，并在某公司5 MWh儲能系統(tǒng)中進行應(yīng)用驗證，驗證結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范中Level 4水平等級，證明了本文技術(shù)實現(xiàn)方案應(yīng)用的有效性和可靠性。

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收稿日期： 20240615