储能电站系统安全管控体系研究

2023-04-15于洪涛赵越超

电力安全技术 2023年2期

于洪涛，张蓉，赵越超

(中国大唐集团新能源股份有限公司，北京 100053)

0 引言

近年来，国内外一些电池储能电站因火灾事故造成人员伤亡或财产等重大损失，引发业界对储能火灾安全问题的广泛关注。因此，对储能系统的电池质量、电气拓扑系统、电池管理系统等组成部分进行研究，分析引发安全事故的影响因素，并制定事故因素可知、参数可测、安全可控的措施，探索提升储能系统安全性的管控方法。

1 储能系统安全因素分析

1.1 储能电池安全质量

锂离子电池发生燃烧爆炸的根源在于电池热失控，诱发电池热失控的原因有两类。

(1) 电池内部原因。比如电池制造过程中引入的电芯内缺陷(细微金属碎屑)导致内短路，或者电池因充放电制度和环境因素变化发生老化，使电芯内部产生枝晶锂而触发电池内短路。

(2) 电池外部原因。电池外部的电、热冲击作用到电池本体上会使电池内部出现不可逆的放热反应，若在电池储能系统集成过程中未严格按照相关标准对储能电池安全性能进行核准导致电池选型不当(滥用)，则极易发生突发热失控的情况。

1.2 储能系统电气拓扑

从电气拓扑上看，常规储能电站中电池簇通过DC/DC变换系统与大功率直流充电桩、光伏发电系统共用直流母线，其与交流配电网拓扑有着较大区别，且存在以下安全隐患。

(1) 电池簇之间的不一致性易造成环流，当环流过大时会造成某个电池簇过充或过放，加剧电池的老化或衰退。

(2) 若直流母线上的负载发生短路，短路电流会通过母线传递给电池簇，瞬间的短路大电流会加快电池内部升温速率而引发事故。

(3) 直流母线的绝缘要求较高，若存在缺陷可能会产生电弧火花，由于直流电流没有过零点，不易熄灭，易使电池、线缆等易燃物发生火灾。

(4) 直流继保系统的开关关断过程没有过零点，相对交流开关更为复杂，开关内电弧不易熄灭，关断时间更长，同时直流开关成本更高，因此存在个别工程用交流开关替代直流开关的现象。而交流开关用于直流系统时，一旦发生过流故障就有可能出现开关无法关断引发持续大电流的安全隐患。

(5) 直流配电网中电力电子设备的电气隔离措施不足，若系统接地处理不当，系统运行时电磁环流易引起漏电流，漏电流在电池机柜、线缆等处累积的热量可能导致局部高温引发电池火灾。

1.3 电池管理系统

当前，储能电池管理系统存在采集数据周期较长、阈值设置不合理的现象，不能在电池过充、过放或热失控阶段发生预警，也不能及时关断对电池的充放电，从而增加了电池发生热失控的风险。储能电站对电池管理系统均衡能力的要求非常高，储能电池由多串电池串联，模组规模较大，较大的单体电压差会导致个别容量为负偏差的电池过充、过放或热失控，从而使事故风险显著增加。

储能电池管理系统是一个复杂的管控系统，受控参数(如电压、温度、充电状态等)需随电池性能退化而调整，若控制算法管理不当或者电池遭受其他形式的滥用，则可能导致电池故障、热失控或火灾。一些储能电池管理系统采用主动降容、降参数使用的手段防控电池安全风险，却牺牲了实际可用容量和用户权益，显著增加了储能的运行成本。

1.4 其他因素

储能系统的变压器及相关继电保护设备、通信设备等，受设备质量缺陷、安装调试过程不规范、参数设置不合理、绝缘不到位等影响，可能会引发储能系统安全问题。此外，储能电站防火设计、线束防火处理、可燃气体探测装置、消防灭火介质类型、气象环境等也可能导致安全事故。

2 储能系统安全管控体系要求

2.1 事故因素可知

储能电站的安全事故一般来自两个方面，即储能系统本身以及储能系统以外的电气设备和附属设施。对于储能系统以外的电气设备和附属设施，其管理与常规的电气系统管理基本相同，已有成熟的安全风险防控经验。对于储能系统本身，其储能电池在外界电、热激源刺激下会发生热失控反应，释放出大量高温可燃的气液混合物，遇到外部空气中的氧气，达到一定条件时就会引发火灾甚至爆炸，其安全风险是伴随储能行业发展出现的新问题，也是解决储能电站系统安全管理风险的关键。

储能系统电池发生安全事故主要受内部和外部因素的影响。内部因素主要是电池电芯内短路，过充过放，环境温度、湿度超限等电池滥用情况导致电池温度和压力升高；外部因素主要是针刺、挤压、内短路等电池损坏导致电芯内短路。

2.2 控制参数可测

目前电芯的生产制造工艺决定了电池个体之间必然存在开路电压、内阻特性、容量等特征参数差异，特别是随着电池的老化，各个电池之间的特征参数差异会越来越大，极易引起过充。因此，需要测量单体电芯的特征参数，研究过充导致电芯发生热失控过程中每个单体的电压、电流、温度、压力等特征参数的变化过程，分析各个参数持续的时间、参数跃变、显著性变化与状态变化的关系等，为制定安全控制策略提供依据。

2.3 系统安全可控

储能系统安全事故发生过程可分为预防和控制两个阶段。预防阶段要防止电池滥用、防止产生易燃废气、防止发生热失控；控制阶段要控制热失控起火后的火势蔓延。

(1) 电池滥用。在电池使用过程中因滥用造成电池损坏，从而导致电池温度和压力升高。

(2) 产生易燃气体。随着电池温度和压力的升高，易燃气体从电池中排出，此时是采取措施避免热失控和火灾的关键点。

(3) 热失控。热失控标志着防护区域的尽头和遏制区域的开始，温度迅速上升几百度，并产生烟雾。这一节点意味着灾难性的失败迫在眉睫。

(4) 起火。电池在热失控后开始起火。大部分锂电池机架的结构按照最大程度地提高电池的密度设计，但也因此会导致火势迅速蔓延，火势极易转移到相邻的电池和建筑材料上，并将变得无法控制。

分析上述4个过程可以发现，早期干预是防止热失控的理想阶段。在理想情况下，应在预防阶段进行控制，需要在第1或第2过程给予有效检测，并及时断开发生故障的电池，方可避免火灾危险。

此外，在部分储能系统设计时，为防止电池组级间热传导或者火灾事故传导导致事故面扩大，需采用加装隔热、防火层方式阻断和抑制事故传导，但在加装后又会产生新的矛盾，一方面间隔加厚、体积增大，另一方面电池组要求散热、冷却良好，同时实现良好的隔热和冷却功能存在困难。因此，在热失控扩展和抑制方面，要综合考虑安全保护设计和运行管理两个方面并进行平衡分析。

目前，主流的程控方式是“先并后串”电池组合方式，其防止过充最好的方式是选择与最小容量的单体电池一致的容量，这会造成其他多数高容量单体电池不能满容量运行而导致较大的容量损失。

3 改进措施与建议

3.1 严控电池产品质量

储能电池应选择品牌声誉好、实际应用项目多、运行验证时间长的大品牌厂家的产品，还需要深入开展电池设计、正负极材料、电解液和隔膜等新工艺、新材料研发，以提升储能电池的本质安全水平。

3.2 提升电池管理系统性能

为提升储能系统的安全性能，要进一步增强电池管理系统功能，不能仅通过压差、温差等常规方法筛查潜在问题，而要对更多的特征参数进行检测和研究，确保其在受控参数状态范围内工作，并确保这些特征参数会随着电池的性能退化而调整，预先防控可能导致电池故障、热失控、火灾的风险。

电池管理系统需在深入分析特征参数基础上，实现多层次、全方位的电池核心参数分析和预测，通过比较分析时间维度的纵向数据及自身特征参数的横向数据，对不同场景下可能发生的安全隐患予以提前预警，如过充保护、漏电保护、多环节电气隔离、可燃气体检测预警、电站环境控制等。

电池管理系统要实现对每个电芯都设置一套控制系统，意味着增加投资、建设和运营成本，因此，需要从通信、核心参数选定、控制策略、控制算法等方面开展研发和创新，以实现延长储能电池使用寿命、减缓电池的性能退化、保持各单体电池在最优容量下的运行能力、提高系统性价比、降低项目全生命周期费用、提升项目经济效益的目标。

3.3 强化储能系统散热管理

常规储能系统大多采用风冷散热系统，但这类系统存在功耗高、寿命短、温差大等问题，应考虑开展将液冷等新技术应用于储能系统的研究。

3.4 完善储能系统消防管理

消防系统是储能系统安全的最后一道“防线”。要加强储能系统的安全防护，阻止或减轻外部刺激源对电池本体的冲击，主动抑制隐患的放大，阻止局部事故的蔓延，防止储能系统由局部故障演变为全局性火灾；要加强储能电站的检测预警能力，提高检测的灵敏度；要强化储能系统的整体热管理、消防安全和设备联动安全的设计，以实现早期探测、精准喷洒、快速灭火、持久抑制的多重保护。