电化学储能电站储能电池运行安全研究

电化学储能电站储能电池运行安全研究

屈先文

特变电工西安电气科技有限公司  陕西 西安  710100

摘要：随着电化学储能电站装机容量的不断提高，其安全风险及防控问题越来越受到重视。电化学储能通过快速充电消解风光高发的冲击，在新能源低发时进行放电，可有效降低新能源发电对电网的冲击。储能电站普遍采用的定期检修策略，因检修周期较为固定，难以及时发现安全隐患，同时储能元件数量多、故障类型多，且离线检测的防控方法耗时长、成本高、运检工作量大，检修效率低，在推广利用过程中也带来了新的安全风险。基于储能电池特点及电化学储能电站安全风险的分析，提出健全储能电站消防设施、加大储能安全类技术研发、制定完善的标准规范等可行性较高的控制措施和安全风险防范对策，以提升电化学储能电站安全风险管控能力。

关键词：电化学储能电站；储能电池；运行安全

1 电化学储能电站简介

电化学储能电站主要由储能电池组、电池管理系统、储能变流器和能源管理系统组成，当前储能电池常见材料类型为磷酸铁锂、钠硫、铅酸、全钒液电池等。钠硫电池常用于承担削峰填谷任务的电厂，因原材料易燃致使其安全性较低。铅酸电池可实现大容量制造，但其生产原料铅和镉对环境有污染性。全钒液电池因结构特殊，可避免电解液溶液不同活性物质交叉污染，但能量密度低。磷酸铁锂电池近年来累计装机规模最大，其使用寿命和充电效率高，是高性能的储能设备，被称为绿色电池。

2 影响电化学储能电站运行的风险因素

目前，发电企业愈发重视大规模储能项目的投资建设，但安全问题也日益凸显。根据行业公开数据，2011年以来，全球范围内已发生约50起电化学储能电站火灾事故。电化学储能电站在电池安全质量管理、运营维护、退役回收等各环节都存在安全风险，故采用的电池单体及模组应具有防止反接、短路、过充等保护功能，同时加强电池安全性能检测监管，力争将电化学储能电站可能发生的风险概率大幅降低。

2.1 安全生产技术问题

安全技术不成熟。各厂家电池质量良莠不齐，部分储能电池执行电动汽车电池标准，针对规模应用的储能电池单体、模组缺乏系统性安全设计，个别新型高安全储能器件技术尚不成熟。常规烟感、温感探测器难以有效识别电池早期异常状态，预警相对滞后。不同规模和类型的储能电站固定灭火系统配置标准不明确，微型储能电站尚无明确有效地消防设施配置标准，现有七氟丙烷等气体灭火系统可快速扑灭明火，但缺乏降温能力，难以抑制电池火灾复燃。

标准规范不完善。目前已发布电化学储能标准共96 项、在编19 项，其中国标18 项、行标33 项、团标44项、国网企标20项。在设备及试验、规划设计、并网调度、运行维护等方面已具备核心标准，但在施工、调试、验收、消防、检修等方面尚不完善。现有部分标准发布时间较早，无法满足储能行业快速发展的需要。

2.2 设备自身性能缺陷

当储能电站散热风扇存在性能缺陷，电池温升速率大于散热速率时温控系统无法正常工作，同时空气中的湿汽、粉尘、烟雾进入电气系统和储能模块无法被及时排出，引起绝缘老化，继而发生局部短路，同样会出现电池热失控现象。储能电站直流侧保护配置单一，未采取分级保护装置，造成直流侧短路是引起储能电站失火的常见原因。储能系统直流侧短路保护往往在簇出口安置熔断器，意味着保护不会瞬时动作来切除故障部分，当电池温度高于预设临界值时电池管理系统自动将故障电路断开，但故障期间电流过大引发储能系统过热风险仍不可小觑。

2.3 运营环境管理不良

目前储能技术在电力行业的应用更加广泛，但运维管理依旧面临多方挑战，如：设备该如何科学分类管理，员工是否能明确并严格执行国家和行业的安全规定，是否能通过平台采集、分析电站运行数据为优化决策提供辅助等。如果建设储能电站需要专业人员测算、匹配需求，电站的运维管理则是提高了“专业”要求。部分储能电站管理单位没有制订完善的安全管理制度、规范或评价标准，在规划、施工、验收评价、并网测试、应急管理与事故处置等环节皆有不遵守安全工作规程致使人员受伤的事故发生。因此储能电站管理单位要做好出厂前试验工作，优选安全、可靠、环保的产品。

2.4 员工专业能力不足

储能电站控制室、电池室等重点部位的工作人员业务技能不达标也是值得关注的安全风险点之一。依据当前典型事故分析，员工在进行巡查或检修维护过程中造成的机械冲击、振动等机械滥用，而电池受外力影响致使局部机械变形，如发生穿刺则会使隔膜破裂引发正负极直接短路。多数储能电站突发安全事故，运维员工的专业应急处置技能不足，没有掌握消防设施及器材操作方法，不了解应急处置流程，未能在第一时间报送隐患和事件，进而使突发事件升级，造成人员伤亡及设备损坏的后果。电站应加强处置演练，进一步提升储能设备事故应急救援处置工作水平，从客观因素方面避免电池热失控问题。

3 安全运行保障对策

3.1 健全储能电站消防设施

在电池充放电的循环过程中，如出现过渡消耗电解液释放气体属于异常情况，因气体会造成电池内部压力过大而变形、撑破封装铝膜、内部电芯接触问题等。针对磷酸铁锂电池气体逸出问题，可配备热释离子探测器、可燃气体探测报警系统，选用可持续灭火降温主流灭火技术，例如细水雾灭火系统，该系统可在电池故障释放电解液的蒸气或分解产物等白色烟雾初期，自动、迅速、高效地控制火灾。电站定期开展主要设备设施及系统的检查，做好电池管理系统健康状态的评估和检查，合理进行防火设计，明确电池室等部位的最大容量、防火分隔、防爆泄压、防火封堵等要求；同时配备固定消防设施灭火剂，如F500、FM200和气溶胶等。

3.2 加强储能安全技术研究

从事故预防角度考虑，储能电站应重点研究储能设备在运营生命周期内的安全技术，例如基于电池转态准确感知的数据人工智能预警及诊断技术，复合电热管理技术，基于阻抗响应的电池安全监测技术等。从限制事故范围扩大的角度，应研究储能设备的火灾演变机制及抑制热蔓延阻隔防护技术、储能用电池冷却技术、集成液冷技术优化等来完善现有储能电池灭火技术。为提升储能电池整体安全性，可在电解液中添加强力阻燃剂来降低其可燃性，选择耐热性高的正负极材料；在结构创新方面，设计散热面积大的结构，如蜂巢型、方型、蛇形来提升散热能力。此外，电池短路防护、过流保护等功能对储能电站安全同样重要。

3.3 制定完善标准规范

储能电站投运初期若未制定合理高效的安全规范及有效标准，在日常运维管理中易出现各类问题，对储能系统的良性运行造成一定的阻碍。可结合智能算法，自主检测电池簇出现的荷电状态偏差问题等，监管电池组中每个单元的模组电池的启用状态，来规范电池数据的采集、记录，提升储能电站的数字化运营生命周期管理能力。同时考虑到管理人员水平受限，可参考现有《电化学储能电站安全规程》和《电化学储能电站生产安全应急预案编制导则》等行业标准，编制适用于电站自身的安全标准，逐级实现储能电站风险、故障和事故的主动监测、预防、运维及应急处理，达成“自动＋主动”复合型管理方案。

结束语

电池安全质量管理是电化学储能电站的基础工作，结合故障诊断等技术对储能电池的温升特性进行风险识别与热量失控预防，可保障电池管理系统的稳定运行，延长储能电站使用寿命，从而为储能安全发展保驾护航。

参考文献

[1]宁娜, 岳芬. 2021国际储能市场回顾: 后疫情时代的机遇与挑战[J].储能科学与技术,2022,11(1):405-407.

[2]周正，徐仕先，丁卫华，等．电化学储能安全性分析及预警技术进展[J]．工业安全与环保，2023，49(2)：54-56.

[3]王兴春，吴 菲，郁颖蕾．电化学储能电站风险评估指标体系设计[J]．化工安全与环境，2022，35(47)：18-23.