儲能電站系統安全管控體系研究

于洪濤，張 蓉，趙越超

(中國大唐集團新能源股份有限公司，北京 100053)

0 引言

近年來，國內外一些電池儲能電站因火災事故造成人員傷亡或財產等重大損失，引發業界對儲能火災安全問題的廣泛關注。因此，對儲能系統的電池質量、電氣拓撲系統、電池管理系統等組成部分進行研究，分析引發安全事故的影響因素，并制定事故因素可知、參數可測、安全可控的措施，探索提升儲能系統安全性的管控方法。

1 儲能系統安全因素分析

1.1 儲能電池安全質量

鋰離子電池發生燃燒爆炸的根源在于電池熱失控，誘發電池熱失控的原因有兩類。

(1) 電池內部原因。比如電池制造過程中引入的電芯內缺陷(細微金屬碎屑)導致內短路，或者電池因充放電制度和環境因素變化發生老化，使電芯內部產生枝晶鋰而觸發電池內短路。

(2) 電池外部原因。電池外部的電、熱沖擊作用到電池本體上會使電池內部出現不可逆的放熱反應，若在電池儲能系統集成過程中未嚴格按照相關標準對儲能電池安全性能進行核準導致電池選型不當(濫用)，則極易發生突發熱失控的情況。

1.2 儲能系統電氣拓撲

從電氣拓撲上看，常規儲能電站中電池簇通過DC/DC變換系統與大功率直流充電樁、光伏發電系統共用直流母線，其與交流配電網拓撲有著較大區別，且存在以下安全隱患。

(1) 電池簇之間的不一致性易造成環流，當環流過大時會造成某個電池簇過充或過放，加劇電池的老化或衰退。

(2) 若直流母線上的負載發生短路，短路電流會通過母線傳遞給電池簇，瞬間的短路大電流會加快電池內部升溫速率而引發事故。

(3) 直流母線的絕緣要求較高，若存在缺陷可能會產生電弧火花，由于直流電流沒有過零點，不易熄滅，易使電池、線纜等易燃物發生火災。

(4) 直流繼保系統的開關關斷過程沒有過零點，相對交流開關更為復雜，開關內電弧不易熄滅，關斷時間更長，同時直流開關成本更高，因此存在個別工程用交流開關替代直流開關的現象。而交流開關用于直流系統時，一旦發生過流故障就有可能出現開關無法關斷引發持續大電流的安全隱患。

(5) 直流配電網中電力電子設備的電氣隔離措施不足，若系統接地處理不當，系統運行時電磁環流易引起漏電流，漏電流在電池機柜、線纜等處累積的熱量可能導致局部高溫引發電池火災。

1.3 電池管理系統

當前，儲能電池管理系統存在采集數據周期較長、閾值設置不合理的現象，不能在電池過充、過放或熱失控階段發生預警，也不能及時關斷對電池的充放電，從而增加了電池發生熱失控的風險。儲能電站對電池管理系統均衡能力的要求非常高，儲能電池由多串電池串聯，模組規模較大，較大的單體電壓差會導致個別容量為負偏差的電池過充、過放或熱失控，從而使事故風險顯著增加。

儲能電池管理系統是一個復雜的管控系統，受控參數(如電壓、溫度、充電狀態等)需隨電池性能退化而調整，若控制算法管理不當或者電池遭受其他形式的濫用，則可能導致電池故障、熱失控或火災。一些儲能電池管理系統采用主動降容、降參數使用的手段防控電池安全風險，卻犧牲了實際可用容量和用戶權益，顯著增加了儲能的運行成本。

1.4 其他因素

儲能系統的變壓器及相關繼電保護設備、通信設備等，受設備質量缺陷、安裝調試過程不規范、參數設置不合理、絕緣不到位等影響，可能會引發儲能系統安全問題。此外，儲能電站防火設計、線束防火處理、可燃氣體探測裝置、消防滅火介質類型、氣象環境等也可能導致安全事故。

2 儲能系統安全管控體系要求

2.1 事故因素可知

儲能電站的安全事故一般來自兩個方面，即儲能系統本身以及儲能系統以外的電氣設備和附屬設施。對于儲能系統以外的電氣設備和附屬設施，其管理與常規的電氣系統管理基本相同，已有成熟的安全風險防控經驗。對于儲能系統本身，其儲能電池在外界電、熱激源刺激下會發生熱失控反應，釋放出大量高溫可燃的氣液混合物，遇到外部空氣中的氧氣，達到一定條件時就會引發火災甚至爆炸，其安全風險是伴隨儲能行業發展出現的新問題，也是解決儲能電站系統安全管理風險的關鍵。

儲能系統電池發生安全事故主要受內部和外部因素的影響。內部因素主要是電池電芯內短路，過充過放，環境溫度、濕度超限等電池濫用情況導致電池溫度和壓力升高；外部因素主要是針刺、擠壓、內短路等電池損壞導致電芯內短路。

2.2 控制參數可測

目前電芯的生產制造工藝決定了電池個體之間必然存在開路電壓、內阻特性、容量等特征參數差異，特別是隨著電池的老化，各個電池之間的特征參數差異會越來越大，極易引起過充。因此，需要測量單體電芯的特征參數，研究過充導致電芯發生熱失控過程中每個單體的電壓、電流、溫度、壓力等特征參數的變化過程，分析各個參數持續的時間、參數躍變、顯著性變化與狀態變化的關系等，為制定安全控制策略提供依據。

2.3 系統安全可控

儲能系統安全事故發生過程可分為預防和控制兩個階段。預防階段要防止電池濫用、防止產生易燃廢氣、防止發生熱失控；控制階段要控制熱失控起火后的火勢蔓延。

(1) 電池濫用。在電池使用過程中因濫用造成電池損壞，從而導致電池溫度和壓力升高。

(2) 產生易燃氣體。隨著電池溫度和壓力的升高，易燃氣體從電池中排出，此時是采取措施避免熱失控和火災的關鍵點。

(3) 熱失控。熱失控標志著防護區域的盡頭和遏制區域的開始，溫度迅速上升幾百度，并產生煙霧。這一節點意味著災難性的失敗迫在眉睫。

(4) 起火。電池在熱失控后開始起火。大部分鋰電池機架的結構按照最大程度地提高電池的密度設計，但也因此會導致火勢迅速蔓延，火勢極易轉移到相鄰的電池和建筑材料上，并將變得無法控制。

分析上述4個過程可以發現，早期干預是防止熱失控的理想階段。在理想情況下，應在預防階段進行控制，需要在第1或第2過程給予有效檢測，并及時斷開發生故障的電池，方可避免火災危險。

此外，在部分儲能系統設計時，為防止電池組級間熱傳導或者火災事故傳導導致事故面擴大，需采用加裝隔熱、防火層方式阻斷和抑制事故傳導，但在加裝后又會產生新的矛盾，一方面間隔加厚、體積增大，另一方面電池組要求散熱、冷卻良好，同時實現良好的隔熱和冷卻功能存在困難。因此，在熱失控擴展和抑制方面，要綜合考慮安全保護設計和運行管理兩個方面并進行平衡分析。

目前，主流的程控方式是“先并后串”電池組合方式，其防止過充最好的方式是選擇與最小容量的單體電池一致的容量，這會造成其他多數高容量單體電池不能滿容量運行而導致較大的容量損失。

3 改進措施與建議

3.1 嚴控電池產品質量

儲能電池應選擇品牌聲譽好、實際應用項目多、運行驗證時間長的大品牌廠家的產品，還需要深入開展電池設計、正負極材料、電解液和隔膜等新工藝、新材料研發，以提升儲能電池的本質安全水平。

3.2 提升電池管理系統性能

為提升儲能系統的安全性能，要進一步增強電池管理系統功能，不能僅通過壓差、溫差等常規方法篩查潛在問題，而要對更多的特征參數進行檢測和研究，確保其在受控參數狀態范圍內工作，并確保這些特征參數會隨著電池的性能退化而調整，預先防控可能導致電池故障、熱失控、火災的風險。

電池管理系統需在深入分析特征參數基礎上，實現多層次、全方位的電池核心參數分析和預測，通過比較分析時間維度的縱向數據及自身特征參數的橫向數據，對不同場景下可能發生的安全隱患予以提前預警，如過充保護、漏電保護、多環節電氣隔離、可燃氣體檢測預警、電站環境控制等。

電池管理系統要實現對每個電芯都設置一套控制系統，意味著增加投資、建設和運營成本，因此，需要從通信、核心參數選定、控制策略、控制算法等方面開展研發和創新，以實現延長儲能電池使用壽命、減緩電池的性能退化、保持各單體電池在最優容量下的運行能力、提高系統性價比、降低項目全生命周期費用、提升項目經濟效益的目標。

3.3 強化儲能系統散熱管理

常規儲能系統大多采用風冷散熱系統，但這類系統存在功耗高、壽命短、溫差大等問題，應考慮開展將液冷等新技術應用于儲能系統的研究。

3.4 完善儲能系統消防管理

消防系統是儲能系統安全的最后一道“防線”。要加強儲能系統的安全防護，阻止或減輕外部刺激源對電池本體的沖擊，主動抑制隱患的放大，阻止局部事故的蔓延，防止儲能系統由局部故障演變為全局性火災；要加強儲能電站的檢測預警能力，提高檢測的靈敏度；要強化儲能系統的整體熱管理、消防安全和設備聯動安全的設計，以實現早期探測、精準噴灑、快速滅火、持久抑制的多重保護。

4 結束語

隨著電池儲能電站設施的建設加快，儲能技術的進一步突破，以及電站管理制度的不斷完善，儲能電站的安全性必將取得進一步提升。