电化学储能电站质量安全研究

电化学储能电站质量安全研究

曹睿

新疆华电苇湖梁新能源有限公司

摘要：储能是构建新型电力系统的重要灵活性资源，其中电化学储能是储能发展的“新星”。电化学储能站在电网侧的应用越来越广泛。在分析储能应用场景的基础上，结合电网侧电化学储能站布局的主要思路，提出电化学储能系统结构分析，同时提出电化学储能电站质量安全存在的问题及优化措施。对电化学储能站质量安全具有指导意义。

关键词：电化学；储能电站；质量安全；措施

引言

随着全球新能源汽车的迅速发展，电化学储能技术得到了前所未有的进步和提高，而且已经占据储能市场大量份额的电化学储能还将进一步保持增长。据国家能源局新闻发布会介绍，2022年，全国风电、光伏发电新增装机突破1.2亿kW，达到1.25亿kW，连续三年突破1亿kW，再创历史新高，而且随着风电、光伏渗透率的提高，各省对于新能源项目配置储能/灵活性调节资源的要求越来越严格。从2022年新增储能装机技术占比来看，锂离子相关电池储能技术占比达94.2%，仍处于绝对主导地位。

1电化学储能系统结构分析

电化学储能系统一般由以下几个部分构成：电池管理系统、储能变流器、电能管理系统，还包括有支撑结构、集电线路、变压器等，电池组是储能系统最基础的组成部分。电池管理系统根据电池组的拓扑结构，采用一定的逻辑电路和程序，对电池实现运行状态进行监控，包括均衡控制、温度管理、故障报警以及保护等；储能变流器的作用是连接储能电池和电网的桥梁，在电能富余时将电能转换为电池组的化学能进行储能，在用电高峰时期，将储能电池组的化学能转换为电能回馈电网。电能管理系统则主要负责对储能电站的信号进行监控，还要配合电网调度，具备调节频率、调节电压、平抑电网波动等功能。其储能系统的基本构造。电池管理系统一般主要由核心部分电池、电池管理两部分构成，占到储能系统总成本约为67%。电池管理系统相当于储能系统的大脑，对储能系统非常关键，其主要是检测电池的状态，并为电池提供通信接口和保护，能够实时测量电池的电和热相关的数据，估算电池的荷电状态，具备内部信息收集和交互功能及故障诊断功能，对充放电进行有效管理，具有电池充放电的累计充放电量的统计功能和掉电保持功能、操作权限管理、事件记录功能、存储功能、故障录波功能等。核心部分电池组的性能决定最终产品的安全性、使用寿命，也最终决定了储能系统的盈利性。储能变流器能实现电池系统和电网之间电能的双向转换，占到储能系统总成本约10%，具有充放电、有功功率控制、无功调节以及并离网切换功能。在并网模式下，负荷低谷期，储能变流器把电网的交流电整流成直流电给电池组充电，在负荷高峰期，储能变流器把电池组中的直流电逆变成交流电反送到电网中；当变流器进入离网工作模式时，需要与主电网断开，给局部电网进行供电。电能管理系统是用于储能项目的系统监控、功率控制及能量管理的监控系统，实现对储能电站BMS和PCS的集中监控，统一操作、维护、检修和管理，实现故障的快速切除，在负荷高峰时缓解电网压力，降低电网运行成本，提高经济效益。

2电化学储能电站质量安全存在的问题

2.1电池设计仿真软件亟待突破

设计仿真软件一直是我国工业发展的重中之重,电化学储能产业也是如此。目前,我国大多数电池企业使用的是国外企业的设计仿真软件。虽然,国内已经涌现出了一批电池设计仿真软件企业,但是产品的市场占有率不高,距离实现国产替代还有很大差距。电池设计仿真软件对整个产业发展的束缚远超核心零部件的“卡脖子”程度。

2.2储能电站数字化、智能化安全管理应用不足

电化学储能电站安全在线感知及研判技术，高效电-热管理技术，电池状态安全预警技术等数字化、智能化应用不足。在电池组本体发生热失控阶段，缺少预警和早期探测预警技术；热失控蔓延阶段，缺少灭火抑爆介质参数选型研究；在消防人员处理阶段，缺少专业的消防培训和应急预案，相关人员事故处理能力有待提高；在火灾发生后的调查阶段，缺少对相关调查数据的建档、保存、总结机制。

2.3锂电池热失控机理

锂离子电池热失控的原因主要分为3类：一是由挤压、针刺造成的机械激源;二是由内短、过充、过放造成的电激源;三是由过热造成热激源。其共同环节为内短路,造成电池内部温度上升,随着温度升高,锂离子电池经历SEI膜分解、负极嵌入锂与电解液反应、正极与电解液反应、电解液分解、负极与黏结剂反应的化学转变。在化学转变的过程中产生的气体如遇火源时会发生火燃烧现象,电池在安全阀打开后会出现爆燃。在电池模组中,电池单体发生热失控后,触发与临近的电池单体发生热失控从而形成热失控扩散。热失控扩散可通过能量传导,加速热失控扩散。热量进一步积累,便可导致火灾、气体释放和爆炸。

3电化学储能电站质量安全的措施

3.1积极推动电池设计仿真软件突围

目前,电池设计对能量密度、功率密度、寿命及安全性的要求越来越高。我国应该充分利用掌握电化学储能全产业链庞大制造规模和海量数据资源的优势,出台鼓励设计仿真软件发展的政策,通过适当的方式向相关企业开放国家电化学储能平台数据,加大研发资金投入配套、鼓励产学研结合,更好地促进设计仿真与制造工艺协同。加快电池设计仿真软件突围,推动我国电化学储能产业从依靠制造优势向依靠技术创新优势转型。

3.2在电化学储能电站的运营管理上，要实现数字化和智能化运维

建立专业化的能源管控化平台，提高储能电站数字化、智能化建设标准，提升储能电站的主动管理能力。重视对锂离子电池储能电站的异常状态感知、热失控干预控制、火灾蔓延隔离、防爆抑爆、高效灭火等技术研发，通过对储能电站的电池组温度、电气参数、荷电状态等信息采集，对电池组本体的健康状态进行感知，触发主动的电池热管理模块，提升状态监测及预警能力；降低热失控的风险，开展电化学储能电站的数字化全寿命周期管理。

3.3替换成本

替换成本是指电化学储能电站中的核心部件电池，因寿命原因，需要安装指定的间隔或指定的循环次数达到时进行更换，其在替换电池时所产生的购买电池、拆除电池、安装电池等全部成本。在电化学储能中，由于电池的性能特性造成在使用过程中会逐步衰减，当衰减至一定程度时需要进行更换。衡量电池的寿命通常有两个指标，即年限和循环次数。达到一定年限或容量衰减至一定比例时，电池所提供的能量和转换效率将下降或无法使用，为保障电化学储能电站安全稳定高效运行，通常需要进行替换。循环次数为电化学储能特有的技术指标，即充满电和放空电一次为循环一次。虽然电化学储能工作时不是每次为满充满放，但可以根据工作程度进行类似折算。当循环次数达到寿命极限时，正负极材料则使用殆尽，无法继续使用。容量衰减至一定比例时的循环次数，即为电化学储能电站的电池总循环次数，该比例在不同技术路线间不同。年限和循环次数共同决定电化学储能电站中电芯替换的具体时间，但年限通常比循环次数所计算的年数长很多，故选用循环次数指标进行代表。替换电池时即为全部重新购买电池进行安装。

结束语

本文阐述了电化学储能的工作原理及电化学储能电站结构组成和运行特点，对目前电化学储能电站质量安全存在的问题进行分析，并根据引发事故的各类因素，提出了相应的解决方法和安全保障措施。

参考文献

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[2]丁宁翔，黄旭清．电化学储能电站质量安全研究[J]．金融科技时代，2018(10):82-85．

[3]张文亮，丘明，来小康．电化学储能电站质量安全研究[J]．电网技术，2008(07):1-9．