基于LECD安全評價方法的磷酸鐵鋰儲能電站的安全運維研究

摘 要：隨著新能源技術的不斷發展，新能源電源大量投入生產運行，但其發電具有不穩定性與波動性，配套儲能系統可以解決此問題，因此儲能得到了快速發展，但目前如何保障儲能電站安全穩定運行仍是亟待解決的問題。基于風電場配套磷酸鐵鋰儲能電站的運行現狀及存在的潛在風險，探討了此類儲能電站的標準化安全運維問題，設計了1套LECD （likelihood，exposure，consequence，danger）安全評價方法來系統性評價磷酸鐵鋰儲能電站運維的安全性；根據LECD安全評價方法得到的分值進行風險等級劃分后，基于風險等級較高的安全隱患發生的可能性、可探測性、危害程度3個方面制定了具有針對性的改進措施，從而可最大程度地提高磷酸鐵鋰儲能電站運維的安全性。通過所提出的LECD安全評價方法及改進措施可以做到：1）在可探測性方面，根據所提出的儲能安全預診斷系統，通過建立磷酸鐵鋰儲能電站的電池熱失控預診斷數據庫，提高安全隱患預測的準確率。2）在可能性方面，根據提出的充放電5步法的操作指引，降低磷酸鐵鋰儲能電站產生安全隱患的可能性；對電池能量管理系統（BMS）程序進行升級，改進荷電狀態（SOC）參數，一旦SOC超出參數范圍則自動停止充放電，并發出警告，從源頭上避免風險的產生。3）在危害程度方面，提出了通過高硼硅有機玻璃檢測磷酸鐵鋰電池中電解液泄漏的方法，并在儲能單元區域加裝了風向測定裝置，減少了安全隱患發生時造成的危害，提高了儲能電站運行的安全性，并保障了運維人員的人身安全與設備運行的可靠性。

關鍵詞：LECD安全評價方法；儲能電站；磷酸鐵鋰電池；預診斷；熱失控；荷電狀態；安全運維

中圖分類號：TM911.3 " "文獻標志碼：A

0" 引言

近年來，隨著新能源發電裝機規模不斷增加，配套儲能因可以很好地平抑新能源發電帶來的波動而被大規模應用。據中國化學與物理電源行業協會統計，2023年前4個月中國共投運儲能電站73個，裝機容量高達2.523GW/5.037GWh，裝機功率相對于2022年同期同比增長了577.1%，其中，磷酸鐵鋰儲能電站的數量占比高達99.8%[1]。未來磷酸鐵鋰儲能電站的發展與應用將會得到持續廣泛的關注，然而此類儲能電站存在的安全隱患一直是制約其發展的重要問題[2]。

本文基于某風電場配套的20MW/40MWh磷酸鐵鋰儲能電站，結合當前配套儲能電站常用運維方案，針對磷酸鐵鋰電池，從可能性、可探測性、危害程度、風險等級4個方面設計了1套LECD（likelihood，exposure，consequence，danger）安全評價方法，該方案可以識別磷酸鐵鋰儲能電站當前存在的潛在風險，并對其風險點實現綜合管控，同時有針對性的提出切合實際且成體系的磷酸鐵鋰儲能電站標準化安全運維方案，以最大程度地提高磷酸鐵鋰儲能電站運維的安全性。

1" 磷酸鐵鋰儲能電站的運維現狀

目前風電場配套的磷酸鐵鋰儲能電站多用于平抑風力發電的波動性，配合電網調度進行充放電。儲能電站在運維過程中易存在熱失控、電解液泄漏、人身觸電等危害；另外，磷酸鐵鋰電池實際應用過程中的運行壽命也是國內外專家關注的熱點。

磷酸鐵鋰電池自身具有能量密度高、使用壽命長等優勢，被廣泛用于風電場配套儲能設備。然而磷酸鐵鋰電池在過度充電（下文簡稱為“過充”）、過度放電（下文簡稱為“過放”）、過熱，以及內短路等狀況下容易發生熱失控現象[3]，近些年關于磷酸鐵鋰電池熱失控事故的報道逐漸增多，其安全性成為人們關注的焦點[4]。熱失控現象是指電池達到特定的溫度區間后，隔膜開始大量融化，正負極直接連通，造成大規模短路的發生。短時間內，劇烈的反應生成大量氣體，同時還會生成大量的熱量加熱氣體，導致膨脹的氣體沖破電芯殼體，發生物質噴射之類的現象，造成大面積的熱擴散[5]。另外，磷酸鐵鋰電池的電解液泄漏時會釋放大量的六氟磷酸鋰，這種物質對人體造成的傷害是不可逆轉的。由于泄漏過程緩慢，不易被發現，所以如何防范電解液泄漏是磷酸鐵鋰儲能電站需要關注的問題。

儲能電站中電池的壽命與諸多因素有關，其中，充放電功率、荷電狀態（SOC）、工作溫度、灰塵堆積4個因素是造成磷酸鐵鋰電池壽命減少的主要原因。若要深入研究和解決電化學儲能電站的安全風險，就必須建立系統的安全風險評價方法，并提出相應的防護措施和安全生產維護建議[6-7]。

2" 針對磷酸鐵鋰電池設計的LECD安全評價方法

LECD安全評價方法是從可能性、可探測性、危害程度這3個維度分別對風險進行評分，然后通過3個維度的得分的乘積得到風險評價得分，最終根據該分值確定風險等級的風險判定手段。可能性（即L得分）是指該事件發生的概率，分值為1～10分，發生的概率越高則得分越高；可探測性（即E得分）是指事件前能夠主動發現該事件的概率，分值為1～10分，本文中能夠主動發現的概率越高，可探測性的得分越低；危害程度（即C得分）是指當事件發生后造成的危害，分值為1～10分，危害程度越高則得分越高。風險等級是最終根據風險得分（即D得分）經過評價后得到的，具體分為3種等級類型：D得分大于等于200分時，風險等級為“較大風險”；D得分為100～199分時，風險等級為“一般風險”；D得分為1～99分時，風險等級為“較低風險”。基于LECD安全評價方法的磷酸鐵鋰儲能電站安全運維圖如圖1所示。

分析導致磷酸鐵鋰儲能電站存在安全隱患的原因，根據特性可以劃分為電氣特性、溫度特性、機械特性和產品特性4個方面[8]。下文對這4種特性進行具體闡述。

2.1" 電氣特性

由電氣特性導致的磷酸鐵鋰儲能電站安全隱患包含磷酸鐵鋰電池過充過放和絕緣故障兩種類型。磷酸鐵鋰電池過充會導致電池內部的電壓快速升高，造成電池內極性物質的性質發生改變，此外還會改變電解液的成分，發生化學反應釋放出大量的熱，造成正負極材料的接觸，進而導致產生熱失控現象[9]。磷酸鐵鋰電池過放會使電池內部的電壓過低，導致電極材料失效，從而嚴重影響電池的使用壽命。

引起磷酸鐵鋰電池過充過放的主要原因包括主機工作狀態異常、系統程序錯誤、接線松動、測溫裝置損壞、電壓電流測量精度低、電池能量管理系統（BMS）定值設置錯誤、隨意復位故障。根據LECD安全評價方法，可推算得到磷酸鐵鋰電池過充過放的風險等級。磷酸鐵鋰電池過充過放的LECD安全評價細則如表1所示。

引起絕緣故障的主要原因包括鋰枝晶生長、空調除濕效果差、設計錯誤、電纜溝環境差、配貨錯誤、絕緣層損傷、電池擠壓變形。根據LECD安全評價方法，可推算得到絕緣故障的風險等級。絕緣故障的LECD安全評價細則如表2所示。

從表1、表2可以看出：由于電氣特性造成的磷酸鐵鋰儲能電站的安全隱患中，系統程序錯誤、鋰枝晶生長、電池擠壓變形屬于“較大風險”等級，因此在日常運維中應重點關注并預防此類風險的發生。

2.2" 溫度特性

由溫度特性導致的磷酸鐵鋰儲能電站安全隱患包含內短路、外短路、線路虛接、運行工況差4種類型。內短路與外短路均屬于短路故障，引起內短路的主要原因為隔膜破損、電芯隔膜錯位、材料問題；引起外短路的主要原因為灰塵、潮濕、異物搭接；線路虛接主要原因包含振動大、螺栓力矩值低。根據LECD安全評價方法，可推算得到溫度特性的風險等級。溫度特性的LECD安全評價細則如表3所示。

從表3可以看出：隔膜破損的可能性、可探測性、危害程度這3項的分值均較高，螺栓力矩值低的可能性、可探測性分值較高，因此隔膜破損、螺栓力矩值低屬于“較大風險”等級；其他項均為“較低風險”等級。

2.3" 機械特性

由機械特性導致的磷酸鐵鋰儲能電站安全隱患包含結構變形、地震或搬運兩種類型，導致儲能電站產生此類安全隱患的原因主要包括擠壓、震動、跌落和碰撞4個方面。根據LECD安全評價方法，可推算得到機械特性的風險等級。機械特性的LECD安全評價細則如表4所示。

從表4可以看出：由于此類安全隱患較容易被發現，因此其各項誘因的可探測性分值均較低；再加上可能性的分值也都較低，所以由于機械特性引起的安全隱患的總體風險等級較低。

2.4" 產品特性

由產品特性導致的磷酸鐵鋰儲能電站安全隱患主要為超出限定工況運行，導致儲能電站產生此類安全隱患的原因主要包括充放電操作失誤、簇間環流、充放電標準不明確。根據LECD安全評價方法，可推算得到產品特性的風險等級。產品特性的LECD安全評價細則如表5所示。

從表5可以看出：由于產品特性導致的故障發生率較高，所以其各類誘因的可能性分值均較高，但是可探測性與危害程度的分值均較低。因此由于產品特性引起的安全隱患的總體風險等級較低。

3" 根據LECD安全評價方法制定的改進方向及改進措施

將根據LECD安全評價方法得到的分值進行風險等級劃分后，針對風險等級較高的安全隱患應加強重點管控并制定改進方向。從可探測性、可能性、危害程度3個方面制定具有針對性的改進措施，逐步將風險等級降低。

3.1" 基于可探測性方面制定的改進措施

基于可探測性方面研發了1套儲能安全預診斷系統，該預診斷系統從磷酸鐵鋰電池的熱失控、內短路、SOC這3個方面進行風險管控，力求將可探測性的分值降到最低，以此消除安全隱患。

磷酸鐵鋰電池的熱傳導方程可表示為：

ρCP dT = Qtot" " + Ah（Tamb–T）" " " " " " " " " " " " " " （1）

dt" " " V" " " " " " " "V

式中：ρ為該電池的等效密度；CP為該電池的等效比熱容；T為該電池內部當前時刻的溫度；dT為該電池內部較前一時刻的溫度差；dt為時間差；Qtot為該電池的總生熱量；V為該電池的體積；A為該電池的表面積；h為該電池的對流換熱系數；Tamb為環境溫度。

根據式（1）可得到磷酸鐵鋰電池內部溫度的預測結果，預測值與實際值的對比如圖2所示。

從圖2可以看出：磷酸鐵鋰電池內部溫度的預測值與實際值之間的誤差不超過0.1 ℃，可以滿足此類電池的實際應用工況。

通過判斷磷酸鐵鋰電池內部溫度是否達到副反應臨界點，可得到該電池熱失控的風險值（即為風險因子），進而可建立起磷酸鐵鋰儲能電站的電池熱失控預診斷數據庫，數據庫界面如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著磷酸鐵鋰儲能電站的電池熱失控預診斷數據庫中數據的不斷積累，針對熱失控預測結果判斷的置信度越來越高，對熱失控故障預測的準確率不斷提高。

當磷酸鐵鋰電池發生內短路，在電池滿電或欠電狀態下，由于其內部電壓、內阻等參數會發生改變，從而引起SOC在接近電池兩端時產生突變，如圖4中的BMS原始曲線（紅圈部分即為突變）所示，會嚴重影響電池真實SOC值判斷。因此，采用“SOC和電壓一致性初步篩選+內短路模型參數識別”的儲能安全預診斷系統（PSS）方案來提高對磷酸鐵鋰電池內短路的辨識度。通過PSS方案辨識出磷酸鐵鋰電池的內短路現象，并對由于內短路造成的SOC異常進行矯正，以提高對磷酸鐵鋰電池SOC的控制精確度[10]。采用PSS方案矯正后磷酸鐵鋰電池的SOC曲線如圖4中橙色曲線所示。

由圖4可知：采用PSS方案矯正后，磷酸鐵鋰電池的SOC曲線顯示該電池的充放電平滑且準確達到了目標SOC，提高了對當前磷酸鐵鋰電池SOC異常值判斷的準確性。

3.2" 基于可能性方面制定的改進措施

為降低安全隱患發生的可能性，需要從源頭上提高磷酸鐵鋰儲能電站運行的安全穩定性，因此，提出了充放電5步法。

1）步驟1：電站放電時升壓站主變壓器的功率檢查。執行電網的調度指令，在電站滿負荷放電期間，需要檢查主變壓器的負荷情況，禁止主變壓器過負荷（即主變壓器的有功功率不超過80 MW）運行，應根據該磷酸鐵鋰儲能電站所配套的風電場的輸出功率做好預判，充放電時間間隔需超過1 h。

2）步驟2：磷酸鐵鋰電池艙空調系統的檢查。檢查空調系統的運行狀態、故障報警系統及壓縮機的運行狀態，確保電池艙內的環境溫度不超過35 ℃；檢查電池艙進風口、升壓變流艙（PCS艙）進風口、空調進風口，確保這些進風口無異物、無灰塵堵塞，濾棉清潔，以保障電池處于最佳運行溫度。

3）步驟3：磷酸鐵鋰電池的溫度檢查。根據磷酸鐵鋰電池特性制定了電池溫度執行表，待機時，電池溫度在25 ℃左右，最高不超過30 ℃；充放電時，電池溫度在30 ℃左右，最高不超過40 ℃。如果待機時電池溫度接近30 ℃或已經超過30 ℃，充放電時電池溫度接近40 ℃或已經超過40 ℃，則需要檢查空調系統是否正常運行。

4）步驟4：針對不同季節升級BMS程序，使軟件程序能更好的適應儲能電站的運行現狀。

5）步驟5：充放電期間的重點部位檢測。充電開始1 h內完成儲能變壓器、低壓側母排的紅外測溫，并記錄數值；充放電期間，每30 min對EMS系統后臺完成1次巡檢，巡檢內容主要包括電池能量管理系統的狀態、電池溫度、電池電壓、儲能變壓器溫度、儲能通信通道A網和B網（一主一備）的狀態等。

通過上述充放電5步法的規范作業可以盡可能降低磷酸鐵鋰電池運行中產生安全隱患的可能性，多維度提高其在充放電過程中的運行安全性。

3.3" 基于危害程度方面制定的改進措施

盡管經過充放電5步法可以極大地降低產生安全隱患的可能性，但是仍然存在某些不可控因素會造成危險，因此，從危害程度方面制定了專門的管控措施，力求在危險發生時能夠為人員提供安全保障。

磷酸鐵鋰電池的電解液泄漏是一個緩慢的過程，并且由于磷酸鐵鋰儲能電站中的電池數量十分龐大，電解液泄漏不易被發現。因此，利用硅與磷反應生成磷酸硅膜的特性，提出了通過高硼硅有機玻璃檢測磷酸鐵鋰電池電解液泄漏的方法。該方法是將高硼硅有機玻璃安裝在電池艙門上，在日常巡檢過程中直接觀察高硼硅有機玻璃表面是否存在霧化膜，即可明確判定該儲能電站是否發生電池電解液泄漏事件，如圖5所示。通過該方法可以在磷酸鐵鋰電池發生電解液泄漏危險時盡早發現，幫助工作人員識別危險并盡快撤離，極大地提高了巡檢的效率與效果。

除上述方法外，為應對過充過放造成的電池熱失控現象，還在儲能單元區域加裝了風向測定裝置，一旦發生熱失控，可以在危險已發生的狀況下為工作人員提供風向信息，及時提供逃生方向，避免造成人員傷亡。

4" 結論

本文結合風電場配套的磷酸鐵鋰儲能電站的運行現狀及存在的潛在風險，設計了1套LECD安全評價方法來系統性評價磷酸鐵鋰儲能電站運維的安全性；根據LECD安全評價方法得到的分值進行風險等級劃分后，基于風險等級較高的安全隱患發生的可能性、可探測度、危害程度3個方面制定了具有針對性的改進措施，從而可最大程度地提高磷酸鐵鋰儲能電站運維的安全性。通過所提出的LECD安全評價方法及改進措施可以做到：

1）在可探測性方面，根據所提出的儲能安全預診斷系統，通過建立磷酸鐵鋰儲能電站的電池熱失控預診斷數據庫，提高安全隱患預測的準確率。

2）在可能性方面，根據提出的充放電5步法操作指引，降低磷酸鐵鋰儲能電站產生安全隱患的可能性；對BMS程序進行升級，改進SOC參數，一旦SOC超出參數范圍則自動停止充放電，并發出警告，從源頭上避免風險的產生。

3）在危害程度方面，提出了通過高硼硅有機玻璃檢測磷酸鐵鋰電池中電解液泄漏的方法，并在儲能單元區域加裝了風向測定裝置，減少了安全隱患發生時造成的危害，提高了儲能電站運維的安全性，并保障了運維人員的人身安全與設備運行的可靠性。

需要說明的是，由于儲能電站運維中存在的安全隱患較多，后期研究過程中針對新發現的安全隱患與風險，還需要以問題為導向持續優化該LECD安全評價方法。

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RESEARCH ON SAFETY OPERATION AND MAINTENANCE OF LITHIUM

IRON PHOSPHATE ENERGY STORAGE POWER STATION BASED ON LECD SAFETY EVALUATION METHOD

Shi Peng1，Xie Junfeng1，Zhang Yi2，Qi Yingxiang1

（1. China Resources New Energy （Yucheng） Co.，Ltd，Dezhou 251200，China；

2. North China University of Science and Technology，Tangshan 063000，China）

Abstract：With the continuous development of new energy technology，a large number of new energy power sources have been put into production and operation. However，their power generation has instability and volatility，and the supporting energy storage system can solve this problem. Therefore，energy storage has developed rapidly. However，how to ensure the safe and stable operation of energy storage power stations is still an urgent problem to be solved. This paper is based on the current operation status and potential risks of wind farm supporting lithium iron phosphate energy storage power stations，and explores the standardized safety operation and maintenance issues of energy storage power stations. A set of LECD （likelihood，exposure，consequence，danger） safety evaluation methods is designed to systematically evaluate the safety of operation and maintenance of lithium iron phosphate energy storage power stations. After dividing the risk levels based on the scores obtained from the LECD safety evaluation method，targeted improvement measures are developed based on the likelihood，exposure，and consequence of safety hazards with higher risk levels，in order to maximize the safety of the operation and maintenance of lithium iron phosphate energy storage power stations. The proposed LECD safety evaluation method and improvement measures can achieve：1） In terms of detectability，based on the proposed energy storage safety pre diagnosis system，by establishing a battery thermal runaway pre diagnosis database for lithium iron phosphate energy storage power stations，the accuracy of safety hazard prediction can be improved. 2） In terms of likelihood，according to the operational guidelines for the proposed 5-step charging and discharging process，the possibility of safety hazards in lithium iron phosphate energy storage power stations can be reduced. Upgrade the BMS system program and improve the SOC parameters，once the SOC exceeds the parameter range，it will automatically stop charging and discharging and issue a warning to avoid risks from the source. 3） In terms of the degree of harm，a method of detecting electrolyte leakage in lithium iron phosphate batteries through high borosilicate organic glass has been proposed，and a wind direction measurement device has been installed in the energy storage unit area to reduce the harm caused by safety hazards，improve the safety of energy storage power station operation，and ensure the personal safety of operation and maintenance personnel and the reliability of equipment operation.

Keywords：LECD safety evaluation method；energy storage power station；lithium iron phosphate battery；pre diagnosis；thermal runaway；SOC；security operation and maintenance