儲(chǔ)能電站系統(tǒng)安全管控體系研究

于洪濤，張 蓉，趙越超

(中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司，北京 100053)

0 引言

近年來，國內(nèi)外一些電池儲(chǔ)能電站因火災(zāi)事故造成人員傷亡或財(cái)產(chǎn)等重大損失，引發(fā)業(yè)界對儲(chǔ)能火災(zāi)安全問題的廣泛關(guān)注。因此，對儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池質(zhì)量、電氣拓?fù)湎到y(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等組成部分進(jìn)行研究，分析引發(fā)安全事故的影響因素，并制定事故因素可知、參數(shù)可測、安全可控的措施，探索提升儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性的管控方法。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全因素分析

1.1 儲(chǔ)能電池安全質(zhì)量

鋰離子電池發(fā)生燃燒爆炸的根源在于電池?zé)崾Э兀T發(fā)電池?zé)崾Э氐脑蛴袃深悺?/p>

(1) 電池內(nèi)部原因。比如電池制造過程中引入的電芯內(nèi)缺陷(細(xì)微金屬碎屑)導(dǎo)致內(nèi)短路，或者電池因充放電制度和環(huán)境因素變化發(fā)生老化，使電芯內(nèi)部產(chǎn)生枝晶鋰而觸發(fā)電池內(nèi)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(huì)使電池內(nèi)部出現(xiàn)不可逆的放熱反應(yīng)，若在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成過程中未嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對儲(chǔ)能電池安全性能進(jìn)行核準(zhǔn)導(dǎo)致電池選型不當(dāng)(濫用)，則極易發(fā)生突發(fā)熱失控的情況。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣拓?fù)?/h3>

從電氣拓?fù)渖峡?，常?guī)儲(chǔ)能電站中電池簇通過DC/DC變換系統(tǒng)與大功率直流充電樁、光伏發(fā)電系統(tǒng)共用直流母線，其與交流配電網(wǎng)拓?fù)溆兄^大區(qū)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(huán)流，當(dāng)環(huán)流過大時(shí)會(huì)造成某個(gè)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(fù)載發(fā)生短路，短路電流會(huì)通過母線傳遞給電池簇，瞬間的短路大電流會(huì)加快電池內(nèi)部升溫速率而引發(fā)事故。

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

(4) 直流繼保系統(tǒng)的開關(guān)關(guān)斷過程沒有過零點(diǎn)，相對交流開關(guān)更為復(fù)雜，開關(guān)內(nèi)電弧不易熄滅，關(guān)斷時(shí)間更長，同時(shí)直流開關(guān)成本更高，因此存在個(gè)別工程用交流開關(guān)替代直流開關(guān)的現(xiàn)象。而交流開關(guān)用于直流系統(tǒng)時(shí)，一旦發(fā)生過流故障就有可能出現(xiàn)開關(guān)無法關(guān)斷引發(fā)持續(xù)大電流的安全隱患。

(5) 直流配電網(wǎng)中電力電子設(shè)備的電氣隔離措施不足，若系統(tǒng)接地處理不當(dāng)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電磁環(huán)流易引起漏電流，漏電流在電池機(jī)柜、線纜等處累積的熱量可能導(dǎo)致局部高溫引發(fā)電池火災(zāi)。

1.3 電池管理系統(tǒng)

當(dāng)前，儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)存在采集數(shù)據(jù)周期較長、閾值設(shè)置不合理的現(xiàn)象，不能在電池過充、過放或熱失控階段發(fā)生預(yù)警，也不能及時(shí)關(guān)斷對電池的充放電，從而增加了電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能電站對電池管理系統(tǒng)均衡能力的要求非常高，儲(chǔ)能電池由多串電池串聯(lián)，模組規(guī)模較大，較大的單體電壓差會(huì)導(dǎo)致個(gè)別容量為負(fù)偏差的電池過充、過放或熱失控，從而使事故風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的管控系統(tǒng)，受控參數(shù)(如電壓、溫度、充電狀態(tài)等)需隨電池性能退化而調(diào)整，若控制算法管理不當(dāng)或者電池遭受其他形式的濫用，則可能導(dǎo)致電池故障、熱失控或火災(zāi)。一些儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)采用主動(dòng)降容、降參數(shù)使用的手段防控電池安全風(fēng)險(xiǎn)，卻犧牲了實(shí)際可用容量和用戶權(quán)益，顯著增加了儲(chǔ)能的運(yùn)行成本。

1.4 其他因素

儲(chǔ)能系統(tǒng)的變壓器及相關(guān)繼電保護(hù)設(shè)備、通信設(shè)備等，受設(shè)備質(zhì)量缺陷、安裝調(diào)試過程不規(guī)范、參數(shù)設(shè)置不合理、絕緣不到位等影響，可能會(huì)引發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全問題。此外，儲(chǔ)能電站防火設(shè)計(jì)、線束防火處理、可燃?xì)怏w探測裝置、消防滅火介質(zhì)類型、氣象環(huán)境等也可能導(dǎo)致安全事故。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管控體系要求

2.1 事故因素可知

儲(chǔ)能電站的安全事故一般來自兩個(gè)方面，即儲(chǔ)能系統(tǒng)本身以及儲(chǔ)能系統(tǒng)以外的電氣設(shè)備和附屬設(shè)施。對于儲(chǔ)能系統(tǒng)以外的電氣設(shè)備和附屬設(shè)施，其管理與常規(guī)的電氣系統(tǒng)管理基本相同，已有成熟的安全風(fēng)險(xiǎn)防控經(jīng)驗(yàn)。對于儲(chǔ)能系統(tǒng)本身，其儲(chǔ)能電池在外界電、熱激源刺激下會(huì)發(fā)生熱失控反應(yīng)，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(dá)到一定條件時(shí)就會(huì)引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，其安全風(fēng)險(xiǎn)是伴隨儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的新問題，也是解決儲(chǔ)能電站系統(tǒng)安全管理風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

儲(chǔ)能系統(tǒng)電池發(fā)生安全事故主要受內(nèi)部和外部因素的影響。內(nèi)部因素主要是電池電芯內(nèi)短路，過充過放，環(huán)境溫度、濕度超限等電池濫用情況導(dǎo)致電池溫度和壓力升高；外部因素主要是針刺、擠壓、內(nèi)短路等電池?fù)p壞導(dǎo)致電芯內(nèi)短路。

2.2 控制參數(shù)可測

目前電芯的生產(chǎn)制造工藝決定了電池個(gè)體之間必然存在開路電壓、內(nèi)阻特性、容量等特征參數(shù)差異，特別是隨著電池的老化，各個(gè)電池之間的特征參數(shù)差異會(huì)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(shù)，研究過充導(dǎo)致電芯發(fā)生熱失控過程中每個(gè)單體的電壓、電流、溫度、壓力等特征參數(shù)的變化過程，分析各個(gè)參數(shù)持續(xù)的時(shí)間、參數(shù)躍變、顯著性變化與狀態(tài)變化的關(guān)系等，為制定安全控制策略提供依據(jù)。

2.3 系統(tǒng)安全可控

儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故發(fā)生過程可分為預(yù)防和控制兩個(gè)階段。預(yù)防階段要防止電池濫用、防止產(chǎn)生易燃廢氣、防止發(fā)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?yàn)E用造成電池?fù)p壞，從而導(dǎo)致電池溫度和壓力升高。

(2) 產(chǎn)生易燃?xì)怏w。隨著電池溫度和壓力的升高，易燃?xì)怏w從電池中排出，此時(shí)是采取措施避免熱失控和火災(zāi)的關(guān)鍵點(diǎn)。

(3) 熱失控。熱失控標(biāo)志著防護(hù)區(qū)域的盡頭和遏制區(qū)域的開始，溫度迅速上升幾百度，并產(chǎn)生煙霧。這一節(jié)點(diǎn)意味著災(zāi)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(jī)架的結(jié)構(gòu)按照最大程度地提高電池的密度設(shè)計(jì)，但也因此會(huì)導(dǎo)致火勢迅速蔓延，火勢極易轉(zhuǎn)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(gè)過程可以發(fā)現(xiàn)，早期干預(yù)是防止熱失控的理想階段。在理想情況下，應(yīng)在預(yù)防階段進(jìn)行控制，需要在第1或第2過程給予有效檢測，并及時(shí)斷開發(fā)生故障的電池，方可避免火災(zāi)危險(xiǎn)。

此外，在部分儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為防止電池組級間熱傳導(dǎo)或者火災(zāi)事故傳導(dǎo)導(dǎo)致事故面擴(kuò)大，需采用加裝隔熱、防火層方式阻斷和抑制事故傳導(dǎo)，但在加裝后又會(huì)產(chǎn)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(shí)實(shí)現(xiàn)良好的隔熱和冷卻功能存在困難。因此，在熱失控?cái)U(kuò)展和抑制方面，要綜合考慮安全保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理兩個(gè)方面并進(jìn)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(huì)造成其他多數(shù)高容量單體電池不能滿容量運(yùn)行而導(dǎo)致較大的容量損失。

3 改進(jìn)措施與建議

3.1 嚴(yán)控電池產(chǎn)品質(zhì)量

儲(chǔ)能電池應(yīng)選擇品牌聲譽(yù)好、實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目多、運(yùn)行驗(yàn)證時(shí)間長的大品牌廠家的產(chǎn)品，還需要深入開展電池設(shè)計(jì)、正負(fù)極材料、電解液和隔膜等新工藝、新材料研發(fā)，以提升儲(chǔ)能電池的本質(zhì)安全水平。

3.2 提升電池管理系統(tǒng)性能

為提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性能，要進(jìn)一步增強(qiáng)電池管理系統(tǒng)功能，不能僅通過壓差、溫差等常規(guī)方法篩查潛在問題，而要對更多的特征參數(shù)進(jìn)行檢測和研究，確保其在受控參數(shù)狀態(tài)范圍內(nèi)工作，并確保這些特征參數(shù)會(huì)隨著電池的性能退化而調(diào)整，預(yù)先防控可能導(dǎo)致電池故障、熱失控、火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

電池管理系統(tǒng)需在深入分析特征參數(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多層次、全方位的電池核心參數(shù)分析和預(yù)測，通過比較分析時(shí)間維度的縱向數(shù)據(jù)及自身特征參數(shù)的橫向數(shù)據(jù)，對不同場景下可能發(fā)生的安全隱患予以提前預(yù)警，如過充保護(hù)、漏電保護(hù)、多環(huán)節(jié)電氣隔離、可燃?xì)怏w檢測預(yù)警、電站環(huán)境控制等。

電池管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對每個(gè)電芯都設(shè)置一套控制系統(tǒng)，意味著增加投資、建設(shè)和運(yùn)營成本，因此，需要從通信、核心參數(shù)選定、控制策略、控制算法等方面開展研發(fā)和創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)延長儲(chǔ)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(yōu)容量下的運(yùn)行能力、提高系統(tǒng)性價(jià)比、降低項(xiàng)目全生命周期費(fèi)用、提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

3.3 強(qiáng)化儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱管理

常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)大多采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，但這類系統(tǒng)存在功耗高、壽命短、溫差大等問題，應(yīng)考慮開展將液冷等新技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究。

3.4 完善儲(chǔ)能系統(tǒng)消防管理

消防系統(tǒng)是儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的最后一道“防線”。要加強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全防護(hù)，阻止或減輕外部刺激源對電池本體的沖擊，主動(dòng)抑制隱患的放大，阻止局部事故的蔓延，防止儲(chǔ)能系統(tǒng)由局部故障演變?yōu)槿中曰馂?zāi)；要加強(qiáng)儲(chǔ)能電站的檢測預(yù)警能力，提高檢測的靈敏度；要強(qiáng)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體熱管理、消防安全和設(shè)備聯(lián)動(dòng)安全的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)早期探測、精準(zhǔn)噴灑、快速滅火、持久抑制的多重保護(hù)。

4 結(jié)束語

隨著電池儲(chǔ)能電站設(shè)施的建設(shè)加快，儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步突破，以及電站管理制度的不斷完善，儲(chǔ)能電站的安全性必將取得進(jìn)一步提升。