电化学储能电站安全管理问题研究

电化学储能电站安全管理问题研究

张国华

宁夏回族自治区电力设计院有限公司 宁夏银川市750011

摘要：随着“双碳目标”的加速推进，电力系统具有“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”等特征，系统随机性和不确定增大但惯量降低，电力系统频率稳定面临着巨大的挑战。本文主要对电化学储能电站安全管理问题进行研究，详情如下。

关键词：电化学；储能电站；安全管理

引言

随着低碳政策的广泛施行，储能电站建设数量不断攀升，储能电站的安全管理问题逐渐成为行业热点。由于受电池连接和集成技术限制，电池成组后的技术指标包括比功率、比能量、能量转化效率、安全性等都远低于单体电池。同时随着电池组容量衰减，易出现过充、过放、过电流和超温等破坏电池内特性的现象，使其寿命比单体电池缩短数倍甚至数十倍。同时，也导致储能电站多个电池舱出力小于单一电池舱出力的现象频发，为了提升电池储能电站的整体安全和效率，需要构建计及储能电站安全性的功率分配策略，以保证电站安全稳定运行。

1电化学储能电站安全管理问题

1.1火灾

电化学储能电站火灾事故风险性最高的场所是其储能单元，即电池簇。电池簇中的电芯内部发生热失控是火灾爆炸的直接原因，导致火灾的主要因素包括电池保护系统控制问题、运营环境管理不良、工程安装疏忽、储能系统集成存在缺陷等。

1.2灼烫危险性

灼烫危险性来自于具有腐蚀性的电池电解液。如果管道、电池外壳耐腐蚀性能不达标，设备渐渐腐蚀将造成电解液泄漏。例如钠硫电池，由于正极多硫化钠具有腐蚀性，电池外壳易发生泄漏。人员若不穿戴防护措施就进行工作，就很可能造成人员灼烫受伤。

2电化学储能电站安全管理

2.1一级SOH功率分配策略

不同于刚出厂的电池，长时间使用后的锂电池内部活性物质减少、杂质增多、晶体结构变化等因素造成电池性能下降，其中最直接的表现是实际容量显著下降和电池内阻增大，其真实的状态与出厂标定存在较大的差异，且差异程度难以估计。而从电池循环寿命指标考虑，随着电池使用，其剩余的循环次数将不断地降低，也可以用于表征电池应用过程中的健康状态变化。策略第一层为一级SOH功率分配策略，在典型锂电池模型基础上，建立电池舱模型，利用雨流计数法（Rain-flow Counting Algorithm, RCA）和BP神经网络（Back Propagation Neural Network, BPNN）实现电池老化过程的等效模拟，基于NASA电池测试数据，采用BPNN工具箱训练循环次数与SOH映射关系模型，由此得出电池舱SOH。依据相关标准，定义电池舱SOH∈[0.1,0.9]为正常运行状态。

2.2基于BMS获取电池外部参数

电池的外部参数随着外部施加条件的不同而产生的数值不同，例如电池的充、放电电流、电压、外部温度等。自电化学储能电站开发以来，研究团队对BMS的研究也从未间断。对新能电动汽车锂电池管理系统进行研究，通过对电池外部参数如电压、电流等参数进行实时记录，引入模糊诊断专家系统，研制出具有分布式结构的燃料电池大客车锂电池管理系统。对电网储能用电池管理系统的硬件和软件进行了设计，通过对多种主模块的设计，实现了电网储能电池检测、评估、通信等多方位的功能。利用改进PNGV模型，对电池健康度进行建模，通过分析得出模型中各个参数辨识方法，在此基础上，结合试验数据，建立了参数可变的电池模型，并证明了其实用性。动态调节储能系统可用容量的电池管理系统，与传统电池管理系统相比，电池管理系统可以根据控制策略动态调整电池组，延长充放电时间，提高储能系统可用容量和降低系统故障率的目的。

2.3锂离子电池储能

锂离子电池储能主要根据锂离子浓度差实现充放电过程。根据正极、负极材料的不同，锂离子电池可以分为多种类型，典型商用的正极材料有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等，负极材料有石墨类、钛酸锂等。磷酸铁锂电池、钛酸锂电池的热安全性较为明显，由于钛酸锂电池的成本相对较高，现阶段商业化应用的锂离子电池储能技术主要为磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池能量转换效率可达95%，具备数小时放电能力，循环次数可达5000次以上，响应时间为秒级。锂离子电池的容量与循环次数呈负相关关系，并且储能电池容量难以直接测量，模型法和数据驱动法是判断储能电池健康状态的典型方法。实际应用中存在安全隐患，可能会因充电导致发热、燃烧等安全问题。随着锂离子电池的产业化应用，废旧电池回收问题是业界关注的焦点，目前虽已从废旧电池中提取分离出了多种金属组分，但需兼顾成本低廉、环境友好等特点，技术成熟度仍有待提升。锂离子电池储能系统在电力系统中主要承担调峰调频辅助服务、电网安全支撑、提升新能源消纳、延缓设备扩容等多种功能。以华电大同第一热电厂的300MW/600MWh储能项目为例，该项目接受电网调度，参与电网调峰、调频辅助服务。

2.4隔热材料在储能电站中的应用

隔热棉毡主要采用气凝胶或其他隔热材料，外用防火布包覆。分级消防设计分为：常规模式、预警模式、应急模式和消防模式等四个层级。此方案可以通过实验来确定各个模式的大致时间，从预警模式到消防模式可以超过电动汽车的人员逃生时间5min。常规模式，隔热棉毡置于电池簇上方处于备用状态，这样有利于电池簇散热。预警模式，当电池管理系统（BMS）根据电池模组的故障数据，判定为热失控，首先释放出隔热棉毡，隔热棉毡将对电池模组进行保护，并启动预警装置，观察隔热棉毡表面温度变化，便于检查事故状况，同时，启动细水雾灭火系统处于待发状态。应急模式，当失控电池簇的隔热棉表面温度逐步上升，超过100℃，处于应急状态，释放其他电池簇的隔热棉毡，开启该失控电池簇的细水雾灭火系统喷洒细水雾，使得失控电池簇隔热面表面温度不高于100℃。消防模式，如果失控电池簇的隔热棉毡受到破坏，为防止燃烧蔓延到其他电池模组，开启消防模式，全面喷射细水雾，使得仓内温度不高于100℃，这样即使出了消防事故其他电池模组也不会损坏，也可以保障储能电站的预警时间。

结语

总体来看，储能产业仍处于商业化应用初期阶段，在对储能市场主体地位认可的基础上，需尽快研究确定其市场服务类型及价格机制，在电源侧、电网侧及用户侧发挥有力调节作用，探索出支撑我国“双碳”目标的储能发展之路，同时，要对电化学储能电站的安全进行管理，对锂离子储能电池的失效以及爆燃进行深层次机理研究，从微观化学反应发生的条件入手，做到及时预警。

参考文献

[1]王忠,李国华,刘苑.储能电站消防安全现状及火灾防控对策探析[J].中国消防,2021,42(5):62-65.

[2]程凌,华洁,周晓柱.基于层次分析-模糊综合评判的化工园区安全评价研究[J].中国安全科学学报,2008,18(8):126-130.

[3]任贵红,张苗,谢飞,等.基于模糊数学和灰色关联分析的化工储罐区火灾风险评估研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(2):105-111.

[4]石济开,邵超峰,鞠美庭.石油化工企业环境风险分级评价指标体系研究[J].安全与环境学报,2015,15(2):324-330.

[5]T.L.萨蒂[美].层次分析法—在资源分配、管理和冲突分析中的应用[M].许树柏等译.北京:煤炭工业出版社,1988.

[6]李建林, 牛萌, 王上行, 等. 江苏电网侧百兆瓦级电池储能电站运行与控制分析[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(2): 28-35.