电化学储能电站主动安全研究.pdf

第 43 卷 第 8 期2023 年 8 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.8Aug.2023电化学储能电站主动安全研究杨夯1，黄小庆2，于慎仟2，狄北辰2，郭宜果1，薛炳磊1，王志鹏1（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021；2.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）摘要：随着电化学储能电站装机容量的不断提高，其安全防控问题受到重视。为此，提出了基于主动风险源辨识、主动故障预防、主动事故处理的三道安全防线，构建了电化学储能电站的主动安全体系。第一道防线针对电化学储能电站的正常但不安全运行状态，快速、可靠地辨识风险源和安全诱因，不损失电站设备和运行能力；第二道防线针对已发生故障的不安全运行阶段，利用安全自动装置和安全监控系统，辨识并及时排除早期故障，尽量保持系统正常运行；第三道防线针对电化学储能电站的事故状态，进行事故特征分析、风险管控并实施联动预案，防止电化学储能电站崩溃与人员伤亡。基于三道安全防线实现电化学储能电站安全风险和事故的主动防控，可为储能电站的安全设计提供新思路。关键词：电化学储能；储能电站；主动安全；安全防线；状态监测；故障预警；事故防控中图分类号：TM08；TM91 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2022090170 引言储能系统通过对能量的时空转移，能有效地调节电力供需侧的平衡，提高电网对可再生能源的接纳能力，是实现“双碳”目标的重要技术手段。据不完全统计，2011 2021年全球共发生了 41起电化学储能电站起火爆炸事故。2021年4月，北京大红门电化学储能电站发生爆炸事故，直接原因为单个磷酸铁锂电池内发生短路故障，从而引发热失控扩散起火1。韩国电化学储能电站发生了近34起安全事故，事故起因被归纳为电池系统缺陷、应对电气故障的防控体系缺失、运营环境管理不足、储能系统综合管理体系欠缺4个方面2。可见，安全问题成为电化学储能电站大规模应用的首要障碍。电化学储能电站的安全防控贯穿于电池制造、电站设计建设、电站运行维护、事故后消防等环节。电化学储能电站普遍采用定期检修策略，检修周期以及计划固定，难以及时发现安全隐患，且储能元件数量众多、故障类型多样，离线检测防控方法存在耗时长、成本高、运检工作量大、检修效率低等问题。同时，虽然电化学储能电站的消防标准规定了电站发生事故后的消防灭火措施，但事故发展到消防阶段已造成了设备损坏和电站停运损失，且消防的目的在于防止电池单体热失控蔓延造成的严重燃爆事故和人身伤害，并不能从根本上避免电化学储能电站的安全事故。目前，介于电站建设和消防之间的主动安全开始受到重视。电化学储能电站的主动安全是指逐级实现电站风险故障事故的主动辨识、主动预防、主动运维、主动应急处理。主动安全为了从源头避免严重事故的发生，利用站控层、间隔层、设备层各层级装置和系统，采用日前、小时前、分钟前等多时间尺度数据，基于事故状态演化机理分析，辨识引起电化学储能电站安全特征变化的内在诱因，自适应地发现并处理电池本体、运行环境、外部激源、管理环境等风险源，电池老化、热失控等故障，以及火灾爆炸等安全事件。相较于被动安全的事件驱动、故障后管理和人工运维，主动安全具有数据驱动、基于规则管理、自优化、自动作的特点，无需检修即可发现早期的劣化单元，能提前预警预测事故，实现电站安全工作的焦点从严重事故向安全风险因素的转变。美国保险商试验所（Underwriter Laboratories Inc.，UL）开发了 UL9540电池储能系统热失控蔓延评估测试方法标准，规定“500 kW h及以上的锂电池储能电站应配置额外的报警通信系统，对储能电站中潜在的安全问题进行提前报警”3。北京市地方标准 DB11T 1893 2021 电力储能系统建设运行规范 中规定“大、中型储能电站应建立状态运行及预警预测平台，宜在站端配置主动安全系统。小型储能电站、分散式储能装置宜建立状态运行及预警预测平台”。在我国已投运的储能电站中：南京江北 110 MW194 MW h 储能电站配备了智能辅助、电池巡检等设备，全站设计采用三级隔离措施；秦皇岛储能电站提供设备状态评估、设备故障预警、故障专家诊断、检修辅助决策等服务；北京怀柔区北收稿日期：20220414；修回日期：20220716在线出版日期：20220930基金项目：国网山东省电力公司经济技术研究院群众性创新项目（52062522000M）Project supported by the Mass Innovation Project of Economic&Technology Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company（52062522000M）第 8 期杨夯，等：电化学储能电站主动安全研究房储能电站采用电芯级监测，实时获取电池、变流器等设备的运行数据，评估设备的健康状态（state of health，SOH），及时反馈预防性运维通知和运维建议。学界认为，在电站的安全状态监测方面，在终端级、本地级、设备级建立多智能体系统，可实现对数百兆瓦级蓄电池储能电站的实时监控和运行控制4。数字孪生技术可实现系统设备的SOH评估、故障智能诊断、智能巡检等功能。基于在线数据的锂离子电池综合安全风险评估方法，可以为主动安全防控提供有效的决策信息5。在安全预警方面，储能电站预警平台收集数据，进行安全风险辨识与评估，能实现快速、智能、可视化的预警6。含潜伏期、早期警报期、警报期、火焰期4级警报的层次化热失控报警系统被应用于储能用磷酸铁锂电池。在事故处理方面：文献 7 基于热失控机理模型，研究了锂离子电池发生热失控后系统降温、灭火、隔离、引导排出火焰气体等过程；针对锂离子电池系统发生火灾的特殊机理，文献 8 深入研究了水基灭火剂、气溶胶灭火剂等高效的储能电站灭火剂及协同灭火技术。此外，针对数据不可靠的风险问题，文献9 提出了基于深度学习的电池储能系统假传感器数据检测方法。综上所述，本文构建了主动风险源辨识、主动故障预防、主动事故处理三道安全防线，支持按需检修、故障在线实时监测、事故联动预防与管控，能实现电化学储能电站的主动安全，为电化学储能电站的安全研究提供了一种新思路。特别地，锂电池凭借自身具备的能量密度高、功率密度高、放电电压稳定、寿命长等优势，在我国储能中的装机容量占比最大，增长速度也最快。现有电化学储能电站主要应用磷酸铁锂电池，如百兆瓦级电化学储能电站江苏昆山储能电站、青海海西州百兆瓦级示范工程等。本文分析主要针对锂离子电池，但所构建的三道安全防线体系思路适用于所有电池类型的电化学储能电站。1 电化学储能电站的安全事故、故障、风险源电化学储能电站的安全问题是系统性问题，事故往往由多种因素交互作用导致。电化学储能电站的主要构成如图1所示。电化学储能电站中的设备和系统存在多种风险源，各风险源相互影响，容易引发故障，若不能及时解决故障，则会演化为安全事故。电化学储能电站的安全事故、故障、风险源构成的事故树结构如图2所示。安全事故主要包括火灾、爆炸、化学风险、电气风险4类10。电池和电气设备以及蓄电池充放电过程中遇明火、过充、过放等因素都可能造成火灾。当电池热失控，管道通风不畅时，汽化的有机物电解质累积，遇明火、雷电、短路等意外会引发爆炸11。当电池燃烧时，电解液溶析会产生剧毒晶体，燃烧产物包括氟化氢、氯化氢等有毒气体，化学风险和危害极大。电化学储能电站还存在高直流、高交流电压，可能导致触电、接地故障、短路等电气风险4。引起电化学储能电站事故的常见故障包括如下几方面：电力电子设备故障（用x1表示），其为电能变换和控制阶段出现的故障；电池老化（用x2表示），其表现为电极活性材料随时间逐渐损失，电荷传递阻抗增大，电池性能衰退；热失控（用x3表示），电池内短路或外短路导致瞬间产生大量的热量，引发正负极活性物质和电解液反应分解，导致电池起火甚至爆炸；冷却系统故障（用x4表示），电站图1电化学储能电站的构成Fig.1Composition of electrochemicalenergy storage station图2电化学储能电站的事故树结构Fig.2Accident tree structure of electrochemicalenergy storage station电 力 自 动 化 设 备第 43 卷设备因自身或外界干扰无法运行在适当的工作温度；传感器故障（用x5表示），电压、电流、温度传感器等发生故障，可能导致电池等超出安全范围运行，使热管理失效，甚至引发事故；过负荷故障（用x6表示），变压器、变流器等设备处于超负荷运行状态，使温度升高，加快绝缘老化，导致发生大面积故障；直流母线缺陷（用x7表示），连接电网与储能电源的公共母线因拓扑结构、线路老化等因素导致的故障；接地故障（用x8表示），设备绝缘劣化出现的过电压、过电流状态；消防系统故障（用x9表示），火灾探测器无法探测到火灾信号或启动灭火造成温升过高和设备寿命损害；能源管理系统故障（用x10表示），泛指电池管理系统（battery management system，BMS）、储能变流器（power conversion system，PCS）、能量管理系统（energy management system，EMS）故障造成的整站监控、分析、优化缺陷。继续溯源可知，导致事故与故障的风险源包括电池本体（用x11表示）、运行环境（用x12表示）、外部激源（用x13表示）、管理系统（用x14表示）4类。电池本体风险包括电池制造瑕疵与电池安全性退化两方面。在运行环境方面，低温导致电池内化学反应慢，从而使容量损失严重，甚至造成电池内短路；高温会触发各种材料滥用反应，甚至演化为热失控。外部激源包括绝缘失效造成的电流冲击、外部短路、温度过冷过热及高温热冲击引起的热失控蔓延过程。其中：电流冲击可能造成直流接触器等电池保护装置损坏，甚至引发火灾爆炸事故；高温热冲击造成电池温度过高，很有可能演化为热失控。管理系统风险来自 BMSPCSEMS 及对应联动管控逻辑、规章制度、人为管理等因素2。2 电化学储能电站主动安全的概念及系架构电化学储能电站的运行状态包括正常安全运行状态、正常不安全运行状态、不正常不安全状态以及严重事故状态。当处于正常安全运行状态时，各层级设备均运行在规定的参数范围内，不存在严重的风险因素；当存在一系列风险源并交互作用后，电化学储能电站的安全水平逐渐降低，电站进入正常不安全运行状态，此时虽然电站还处于正常运行状态，但个别设备或运行环境参数已临近故障边缘；若未及时对风险源采取有效的预防性措施，则电化学储能电站会进入不正常不安全运行状态，此时电站的设备超过安全运行限值而发生故障，应及时采取隔离故障设备等措施，以避免事故发生；当电化学储能电站进入严重事故状态阶段时，会威胁人员财产安全，应尽可能抑制事故蔓延，使电站恢复到正常运行状态。基于第1节的分析，当电化学储能电站处于正常不安全运行状态时，结合灾变机理与管控系统，快速、可靠地辨识风险源和安全诱因，确保电化学储能电站正常且安全运行；当电化学储能电站处于不正常不安全运行状态时，应采用安全自动装置和安全预警系统，辨识并及时排除早期故障，尽量保持系统正常运行；当电化学储能电站处于严重事故状态时，应联合站内多个装置及系统，快速确定事故原因以及阻断方式，防止电化学储能电站崩溃，避免人员伤亡，以实现电化学储能电站的主动安全。为此，本文提出电化学储能电站的主动安全体系架构，如图3所示。1）第一道防线：主动风险源辨识。第一道防线主要监测电站的安全诱因和风险源状态，快速准确地隔离存在风险的设备、解除安全诱因和风险源，不损失电站设备和运行能力。以电池本体为例，电池热失控经历缓慢的演化过程。目前，主要依靠BMS评估电池状态，评估较粗糙，且缺乏对电池安全阈值自适应调整的能力，加之BMS自身