湖南電網(wǎng)側(cè)儲能電站運維檢修現(xiàn)狀分析與解決思路

余斌，徐彪，周挺，黃博文，肖豪龍

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；3.國網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

“雙碳戰(zhàn)略”的實施、新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和新能源的快速發(fā)展，促進了新型儲能電站的規(guī)?；ㄔO(shè)和運營[1-3]。電化學儲能電站得到了快速發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用，儲能電站從前期的設(shè)計和示范進入了規(guī)?；ㄔO(shè)和運維的新階段。湖南電網(wǎng)側(cè)儲能電站正處于大規(guī)模建設(shè)的初期，2018年啟動電化學儲能電站示范工程建設(shè)[4-7]，目前已完成兩期建設(shè)，共投運7個儲能站，容量為60 MW/120 MW·h，正在開展第三期建設(shè)。

儲能電站與電網(wǎng)緊密相連，其安全性能直接關(guān)系到電網(wǎng)安全。國網(wǎng)湖南省電力有限公司高度重視儲能電站建設(shè)，多措并舉制定儲能項目管理指導(dǎo)意見，組建儲能科技攻關(guān)團隊，建立技術(shù)監(jiān)督體系。本文通過對國內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲能站建設(shè)、運維、檢修情況開展調(diào)研，分析現(xiàn)階段湖南儲能站運維存在的痛點、難點問題，提出了相關(guān)解決思路。

1 湖南儲能電站基本概況

1.1 結(jié)構(gòu)組成

電化學儲能電站包括電池儲能系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)、后臺監(jiān)控系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)、高壓配電系統(tǒng)五大部分。其中電池儲能系統(tǒng)由儲能電池以及與之對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)(BMS)組成，放置在電池艙內(nèi)；功率變換系統(tǒng)(PCS)由儲能變流器與對應(yīng)的保護控制系統(tǒng)構(gòu)成，與升壓變壓器(以下簡稱升壓變)和環(huán)網(wǎng)柜一起放置在PCS艙內(nèi)；后臺監(jiān)控系統(tǒng)包含常規(guī)電氣監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)(EMS)，與二次保護設(shè)備、交直流電源一起放置在二次設(shè)備艙內(nèi)；站用電系統(tǒng)單獨為一個艙；高壓配電系統(tǒng)單獨為一個室[8-10]。一個電池艙(含2個電池堆和2個BMS)對應(yīng)一個PCS艙(含2個500 kW PCS、1臺升壓變、1個環(huán)網(wǎng)柜)。一次接線如圖1所示，儲能電站實物如圖2所示。

圖1 儲能電站一次系統(tǒng)接線

1.2 作用與優(yōu)勢

隨著電化學儲能技術(shù)的發(fā)展，規(guī)?；姵貎δ芗夹g(shù)開始在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括間歇性電源出力波動平抑、削峰填谷與系統(tǒng)調(diào)峰、電網(wǎng)調(diào)頻、暫態(tài)電壓調(diào)整與動態(tài)無功支撐、輔助暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制、緊急電源保障和黑啟動等方面[11-13]。

對于湖南電網(wǎng)，儲能站的主要作用體現(xiàn)在:

1)有利于緩解湖南地區(qū)電網(wǎng)迎峰度夏(冬)供電壓力，填補供電缺口。

2)提高地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰能力，緩解變電站重載壓力。

3)提升光伏、風電、水電等清潔能源消納能力。

4)提升湖南電網(wǎng)祁韶直流供電能力和直流閉鎖時電網(wǎng)應(yīng)對能力。

電池儲能作為電能存儲的重要方式，其優(yōu)勢在于:

1)建設(shè)周期短，布點靈活，相比于抽水蓄能電站不受地理資源等外部條件的限制，適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)，功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置。

2)響應(yīng)速度快，是優(yōu)質(zhì)、可靠的毫秒級控制響應(yīng)資源(水電廠是秒級、火電廠是分鐘級)，可提供有功和無功的雙重支撐，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用、事故應(yīng)急響應(yīng)等多種服務(wù)。

1.3 商業(yè)模式

湖南一期儲能電站項目采用“電池本體租賃，其他設(shè)備采購”方式投資建設(shè)，電池本體儲能系統(tǒng)由電池廠家建設(shè)，提供租賃服務(wù)，非電池部分(涵蓋工程建設(shè)、PCS成套設(shè)備采購、EMS成套設(shè)備采購)等，由湖南綜合能源公司投資建設(shè)，項目總投資3.31億元。項目收益來源于三個方面，一是向?qū)俚毓╇姽咎峁╇娋W(wǎng)儲能服務(wù)，采取“電量電費+備用容量費”兩部制電價方式進行結(jié)算；二是以共享儲能模式向新能源企業(yè)提供儲能配套指標租賃服務(wù)；三是參與輔助服務(wù)交易，賺取輔助服務(wù)費。

2 國內(nèi)儲能電站建設(shè)及運維檢修情況

2.1 省內(nèi)外儲能站建設(shè)情況

截至2021年5月，國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱國網(wǎng))系統(tǒng)內(nèi)共建設(shè)電化學儲能電站63座，總?cè)萘? 309.3 MW·h。裝機容量方面，容量大于100 MW·h的1座，容量介于10 MW·h和100 MW·h之間的28座，容量介于1 MW·h和10 MW·h之間的33座，儲能介質(zhì)主要為磷酸鐵鋰(占比96.3%)。站點分布方面，主要分布在江蘇(630.14 MW·h)、湖 南(240 MW·h)、浙 江(128.4 MW·h)、河南(100.8 MW·h)、冀北(95.8 MW·h)、北京(58 MW·h)、天津、安徽、蒙東、西藏等省電力公司的經(jīng)營范圍。

湖南電池儲能電站項目自2018年啟動，分三期建設(shè)，業(yè)主單位均為國網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司，儲能電站接入電壓等級均為10 kV，均采用磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)。

一期投資3.31億元，建設(shè)規(guī)模60 MW/120 MW·h，接入長沙3個220 kV變電站，項目于2019年4月中旬完成投運。一期儲能項目電池采用廠家租賃模式，其余設(shè)備(PCS、升壓變、站內(nèi)10 kV開關(guān)柜等)為國網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司自籌資金建設(shè)。

二期投資3.3億元，建設(shè)規(guī)模60 MW/120 MW·h，分別接入邵陽、婁底、郴州、永州4個110 kV變電站，項目于2021年7月完成投運。二期儲能項目所有設(shè)備采用廠家租賃模式。

三期按照儲備1 000 MW/2000 MW·h儲能裝機容量，開工800 MW/1600 MW·h儲能裝機容量，投產(chǎn)500 MW/1 000 MW·h儲能裝機容量。計劃2022年在湖南省啟動約20座儲能站建設(shè)，其中3個100 MW/200 MW·h規(guī)模的儲能匯集站計劃在益陽、懷化、永州征地建設(shè)，其余規(guī)模為10 MW/20 MW·h站初步選址在12座在運變電站和9座退運變電站。

2.2 省內(nèi)外運維檢修情況

運維檢修歸口管理方面，國網(wǎng)系統(tǒng)63座儲能站中省公司歸口管理50座、國網(wǎng)產(chǎn)業(yè)集團歸口管理12座、中國電科院歸口管理1座。儲能站電池存儲介質(zhì)主要為磷酸鐵鋰，還有少量的鉛酸、鉛炭、全釩液流、鈦酸鋰等。

運維方面，國網(wǎng)產(chǎn)業(yè)集團運維21座、省管產(chǎn)業(yè)集團運維10座、地市公司運維21座、外部單位運維10座、中國電科院運維1座。實際絕大部分均是委托設(shè)備廠家運維，每個站6～8個運維人員，實行兩班倒或三班倒的24 h有人值班制，主要負責儲能電站日常監(jiān)測、巡視、消缺等工作；少數(shù)由地市公司運維人員自主運維的儲能站，主要開展10 kV配電設(shè)備和繼電保護設(shè)備的巡視維護，以及儲能設(shè)備的簡單外觀巡視。

檢修方面，均采用故障檢修模式，儲能設(shè)備出現(xiàn)故障時由運維人員通知設(shè)備廠家派人處理。2019年江蘇公司組織對所轄儲能站開展了一次計劃停電檢修，但主要是針對10 kV配電設(shè)備和繼電保護設(shè)備。

3 儲能電站存在的主要問題

3.1 標準規(guī)范問題

一是已有標準指導(dǎo)性不強。目前儲能電站設(shè)計主要依據(jù)國家標準GB 51048—2014《電化學儲能電站設(shè)計規(guī)范》，包含儲能系統(tǒng)、繼電保護、監(jiān)控系統(tǒng)、輔助設(shè)施、消防系統(tǒng)以及設(shè)備選型、配置等要求，由于電化學儲能這一新興行業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)行標準更新相對滯后，對儲能電站設(shè)計缺乏有效指導(dǎo)，不能完全滿足運行要求。

二是部分技術(shù)標準缺失。關(guān)于儲能電站的運檢工作，目前缺少可執(zhí)行標準；現(xiàn)有標準都只規(guī)定和適用于電化學儲能電池出廠和型式檢測，缺少電池入廠監(jiān)造、到貨后的監(jiān)督檢測標準；儲能站的消防安全無相應(yīng)國標、行標、企標，僅有由中國工程建設(shè)標準化協(xié)會發(fā)布的團體標準T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》，僅針對10 MW·h及以上預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站。

3.2 電池本體安全問題

電化學儲能電站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝的鋰離子電池數(shù)量巨大，還包含大量電力電子設(shè)備、電纜等，安全隱患點較多。國內(nèi)外多起儲能電站火災(zāi)事故表明，誘因主要來自電氣、熱量和機械破壞三大方面。電氣方面主要是電池過充、過放、短路等；熱激發(fā)主要是電氣設(shè)備火災(zāi)、鄰近電池系統(tǒng)熱失控、其他明火和熱源等造成電池過熱；機械破壞主要是安裝調(diào)試過程中儲能系統(tǒng)意外摔落、破損、機械沖擊等。一旦上述觸發(fā)條件引起電池熱失控，則可能發(fā)生“單體—模塊—簇—系統(tǒng)—整站”的鏈條式火災(zāi)，甚至爆炸?；馂?zāi)事故持續(xù)時間長，往往熄滅—復(fù)燃過程反復(fù)，對周邊設(shè)備、設(shè)施、人身安全造成較大威脅。同時，火災(zāi)產(chǎn)生大量的灰燼，含有大量的銅氧化物、鋰化物、氟化物、磷化物，處理不當會對環(huán)境產(chǎn)生污染和危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，韓國自2017年8月以來發(fā)生了30起儲能電站火災(zāi)事故，美國自2011年以來發(fā)生過4起儲能電站火災(zāi)事故；我國從公開資料查到的儲能電站火災(zāi)，具有較大影響的是2017年3月和2018年12月在山西某電廠發(fā)生的兩起鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)事故，2018年8月江蘇某儲能電站起火，以及2021年4月16日北京某光儲充一體化電站火災(zāi)，后者在火災(zāi)現(xiàn)場還發(fā)生了爆炸，造成人員傷亡。以上火災(zāi)在電池處于充滿后待機、充放電過程以及安裝調(diào)試狀態(tài)都有發(fā)生。

3.3 安全防控問題

一是事故預(yù)防手段不足。①目前儲能電站電池模塊內(nèi)部測溫點布置普遍較少，且未配置對地絕緣在線監(jiān)測功能，難以及時通過溫度、絕緣等關(guān)鍵狀態(tài)的變化提前預(yù)判電池故障。②無隔離吸能和緊急避險設(shè)施，突發(fā)爆炸情況不能對個人及周邊設(shè)備起到安全防護作用。

二是消防措施有效性不夠。①國內(nèi)外對儲能電站大型電池組起火尚無明確有效的滅火手段，主流滅火技術(shù)如七氟丙烷等氣體滅火系統(tǒng)只能滅初期明火，其持續(xù)吸收熱量降溫抑制的能力不強，不能有效控制電池溫度，電池容易復(fù)燃。②已建成的儲能電站，在火災(zāi)自動報警(可燃氣體探測器、感溫探測器、感煙探測器)裝置配置、防爆通風裝置配置、消防給水系統(tǒng)(消防栓、消防水池)配置，以及電池艙與儲能電站內(nèi)外其他構(gòu)建筑物(含民用建筑及變電站)的安全隔離措施等方面，不能完全滿足T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》要求。

3.4 質(zhì)量管控問題

國內(nèi)外對鋰離子電池已經(jīng)建立了相關(guān)安全檢測標準體系，通過標準測試的電池在正常管理下能夠保證安全使用。然而，如果電池存在自身缺陷、未通過相應(yīng)的檢驗檢測，或者人員的不當操作，電池的失效可能演變成熱失控過程，進而發(fā)生火災(zāi)事故。BMS是電池安全保護最重要的一道防線，PCS、EMS的保護、控制不當也將引發(fā)安全事故。

目前各省市電力公司大多不具備電池本體及BMS、PCS、EMS系統(tǒng)現(xiàn)場檢測能力，而儲能設(shè)備生產(chǎn)廠家眾多，良莠不齊，缺乏電池和BMS、PCS、EMS系統(tǒng)的性能以及安裝調(diào)試質(zhì)量檢測手段進行管控。

3.5 應(yīng)急處置問題

儲能電站發(fā)生安全事故后如何處置至關(guān)重要。儲能電站運維人員缺乏成熟處置經(jīng)驗，不具備有效處置初期火災(zāi)、電池復(fù)燃等能力。運維單位與屬地消防救援機構(gòu)的聯(lián)動不緊密，存在前期未及時全面向?qū)俚叵谰仍畽C構(gòu)報備儲能電站的消防安全狀況，未主動與屬地消防救援機構(gòu)建立良好的應(yīng)急聯(lián)動機制等問題。

4 解決思路

4.1 制定工作標準

一是從管理方面，依據(jù)國家、行業(yè)和國網(wǎng)公司有關(guān)規(guī)定，組織編制儲能電站運維檢修管理規(guī)定以及儲能電站驗收、運維、檢測、評價、檢修、技術(shù)監(jiān)督規(guī)程，明確各部門、支撐單位、運維單位職責和生產(chǎn)工作要求，指導(dǎo)儲能電站相關(guān)生產(chǎn)工作的開展。二是從技術(shù)方面，積極牽頭、參與相關(guān)標準編制，完善現(xiàn)有設(shè)計、消防標準，申報設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督、驗收、檢修等標準。

4.2 提升消防配置

嚴格按照《國網(wǎng)安委辦轉(zhuǎn)發(fā)國務(wù)院安委會辦公室關(guān)于印發(fā)〈電化學儲能電站安全風險隱患專項整治工作方案〉的通知》 (國網(wǎng)安委辦〔2021〕52號)對儲能站開展安全風險隱患排查，立查立改。密切跟蹤國內(nèi)外電化學儲能系統(tǒng)消防滅火技術(shù)及工程應(yīng)用進展，以及相關(guān)國標、行標、企標的發(fā)布情況。研究儲能電站在設(shè)計、驗收、運維等環(huán)節(jié)中的消防安全技術(shù)，提出消防設(shè)施配置需求，提出儲能電站過充過放及直流短路防控措施。

4.3 加強監(jiān)控手段

一是在省級智慧能源平臺建設(shè)儲能管控模塊，實現(xiàn)儲能站遠程智能在線運維及監(jiān)控。二是開發(fā)儲能電站站端智能運維系統(tǒng)，提出儲能設(shè)備自動巡檢及故障預(yù)警方法，開展在線巡檢及故障預(yù)判，將結(jié)果上傳至儲能管控模塊，輔助運維人員決策，減少人員現(xiàn)場運維安全風險，提前消除故障隱患。

4.4 提升檢測能力

一是加快儲能系統(tǒng)核心部件檢測能力建設(shè)，對照國網(wǎng)公司儲能系統(tǒng)核心部件到貨抽檢項目要求，結(jié)合湖南已投運工程實際運行經(jīng)驗，制定檢測能力提升方案，明確檢測項目及檢測方式，完成試驗儀器配置和人員培訓，逐步開展相關(guān)部件到貨抽檢工作。二是結(jié)合實際工程應(yīng)用情況，提出湖南公司3S系統(tǒng)控制邏輯標準，搭建測試平臺，開展BMS、PCS、EMS系統(tǒng)功能邏輯驗證，提升儲能站控制系統(tǒng)的質(zhì)量水平。

4.5 強化應(yīng)急處置

組織運維單位制定儲能站消防安全事故應(yīng)急預(yù)案，明確電池火災(zāi)應(yīng)急處置原則；與地方政府及消防部門建立應(yīng)急聯(lián)動機制，定期開展應(yīng)急演練；針對儲能電站所使用的電化學物質(zhì)進行消防報備，各儲能電站納入消防部門監(jiān)管；組織儲能電站運維人員開展儲能電站消防事故處置培訓和事故逃生演練。

5 結(jié)語

儲能是“雙碳目標”下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的基石和標志，湖南電網(wǎng)大力發(fā)展電化學儲能，符合湖南產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的總體要求，起到了示范引導(dǎo)作用。本文通過調(diào)研總結(jié)國內(nèi)儲能電站的建設(shè)及運維檢修現(xiàn)狀，從標準規(guī)范、設(shè)備本體安全、消防安全、質(zhì)量管控、應(yīng)急處置等方面分析存在問題，并提出應(yīng)對措施，指出了儲能電站運檢管控的重點工作方向。隨著儲能項目集中建設(shè)，形成大規(guī)模效應(yīng)后，相關(guān)管理部門應(yīng)從管理和技術(shù)上，切實解決所面臨的問題，從而保障儲能電站安全穩(wěn)定運行，促進電化學儲能行業(yè)健康發(fā)展。