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干货|基于全生命周期理论的储能电站安全分析

北极星储能网  来源:光储充一体化电站    2019/7/25 8:36:42  我要投稿  

北极星储能网讯:01储能系统设计安全分析

储能系统安全隐患:

电池储能系统由电池组(堆)、BMS、PCS、空调、动环监控、机架及辅件构成。除了PCS、空调、 动环监控等可能发生的电气安全外,电池组(堆)成为了最大的安全隐患点。储能系统中的安全隐患特点如下:

1.在电池储能系统中,电池组(堆)的电池容量往往高达MWH,且在一个集装箱或一个局部空间内, 能量密度极高。在一个局部区域内,容量高达数十到数百MWH。一旦发生安全问题,往往引起电池燃烧的链式反应,导致局面失控,损失重大。

2.在电池储能系统中,电池组(堆)的电压一般在700V以上,高压直流系统对系统绝缘和保护提出 了极高的要求。系统布线、结构复杂,一旦发生线缆老化、空气潮湿、尘埃等都可能造成绝缘下降, 以致漏电、打火,以及线缆接触电阻变大发热等,引起安全事故。

3.在电网侧电池储能系统中,复杂系统往往产生恶劣的EMC环境,导致系统误报警、误动作,产生不可预期的安全事故。

4.电池过充、过放、过流、过温,以及短路、热失控等是储能系统的最大安全隐患。

储能系统的设计现状:

储能系统缺少顶层设计,标准化程度低,多为定制设计及示范应用,缺少长时间运行验证。

◆储能系统的集成设计缺少系统的考虑,变成多个功能部件的堆积,相互间缺少联系,多为信息孤岛;

◇储能系统运行策略和保护机制不完善,缺少冗余的安全保护及长寿命的管理策略;

◆储能系统的热管理和一致性管理比较粗糙,缺少储能系统及电池系统综合分析及诊断,缺少储能系 统的运维支撑;

◆缺少系统安全的解决方案,仅直接借用建筑消防的设计思路,不适合储能系统的消防处理;

◇系统经济性差,无论是系统成本、故障率、系统寿命及系统效率均优化不够;

◆只注重建造,示范,缺少运维管理及后期维护的工作安排;

◇储能系统的成本高,可靠性低,维护复杂或者很难维护,检修要求高,对运维管理人员要求高。

储能安全的核心系统:

遵循“预防为主、防消结合”的原则,储能安全控制系统应融合电池管理系统、预警系统、基于电池特 性的热失控探测系统、火灾探测系统、灭火控制系统等,各系统实现数据融合和智能判断,及时对电池系统进行安全管控。

1.优化系统运行控制策略,实现系统的安全管控,具备严格的时序控制和安全冗余设置,保证 部分系统失效时仍能执行安全管控。

2.具备电池系统预警机制,基于电池的健康状态、一致性状态(电压、温度)、温度变化状态 进行系统预警,对“带病”运行的电池系统,给出预警,便于运维。

3.提出电池安全状态分析SOS(state of safety),对电池安全状态进行准确评估,给出安全风 险等级数值。通过对SOS的预警,避免电池工作在高危区域,预防安全事故的发生。

4.基于H2、CO等气体探测、电池单体温度、烟感、温感、可见光、红外等综合消防探测系统,执行电池系统的安全预警及消防联动控制。

5.针对电池火灾特点,提出综合灭火系统,具备气体灭火和水系灭火联合控制系统。

电化学储能项目应用分布:

储能系统的安全性永远是最重要的。而储能安全性的最大关键在于电池堆的安全。要从设计->使用->管理->预警->保护->隔离->灭火各个环节予以考虑,主要从以下三个方面:

1.电池的本征安全性及电池设计的安全性考虑。

2.储能系统的安全性设计,如电池模组的安全性设计,系统布局、 安全临界值设计,系统控制策略设计,电池安全状态的评估及预警,电池及模组热管理,热失控管理,热隔离,安防系统设计考虑动环、消防、空调、监控等。

3.系统安全保护设计,热失控状态下电芯和模组的隔离及灭火措施 ,系统回路切断保护,消防灭火等。

02设备选型安全分析

电芯选型要点:

◆高安全性

强调电芯本质安全,具备较高安全性, 通过专业检测机构认证,在任何条件下都不应该发生起火爆炸等恶劣情况。

◇循环特性

电芯具备较高循环寿命,且循环特性 (电压一致性)稳定可靠,内阻变化率小。

◆温升特性

电芯在不同倍率下,持续充放电, 温度上升应该控制在较小范围。

◇自放电率

电芯在运行或长期静止过程中, 均应该保持较小自放电率,否则会引起系统利用率下降的问题。

◆能量密度

电芯选型过程中能量密度是一 个关键参数,对于系统成本有较明显影响。

电池管理系统BMS:

电池管理系统是专为控制电池充放电运行效果、观察电池所处温度、湿度环境状态等而设计,电池管理系统可以监测到电池可能存在的过充、温度 过高等隐患,对电池当前及未来运行状态进行合理评估,一定程度上避免电池故障及安全事故发生。

当前储能电池管理系统缺少系统管理的功能,多是基于动力BMS转化而来 ,缺少大规模储能电池系统的优化管理,比如电池簇的投退管理,环流控制等等。

电池管理系统对电池安全起决定性作用。

BMS的技术要求:

1.由于储能系统深度充放电的特性,在充放电末期电池组的一致性将对储能系统可用容量产生影响,降低储能系统的效率。为了保证电池组内单体电池性能的一致性,要求储能BMS具有很强的电池均衡管理能力,所以储能系统一般要求采用主动均衡技术,均衡电流一般为0.5~5A, 以达到对一次循环电池组差异的补偿。

2.为了保证电池使用寿命,温度控制非常重要,必须考虑系统的热管理设计。尤其对于调频调峰应用的储能系统,由于高倍率的充放电电流将导致电池发热严重,且不均衡,导致对电池使用寿命的影响。热管理设计包括电池模组的热设计,系统散热风道,BMS热管理控制策略等等。

3.当多组电池组并联使用时(或电池堆维护时),必须考虑电池组的并联控制策略,防止电池组间由于电池组组端电压差导致环流的发生。同时也要考虑不同电池簇间的均衡维护。

4.对于大型储能BMS还有其特殊性,具有特别的要求:由于一般大型储能系统的电池组储能容量为MWh至数百MWh级,变换功率为数百KW至几十MW,往往由大量电池串并联,且多组电池组并联成堆组成,系统拓扑复杂,涉及多个控制单元的协调,系统布线复杂。使得大型储能系统具有直流侧电压高(甚至高达1000V以上)、功率大(数百千瓦或兆瓦)、电池数量多、 环境恶劣干扰严重、数据庞大、控制复杂的特点。对BMS系统布局布线设计,抗干扰设计,数据处理能力,响应速度等等提出了极高的要求。

5.由于系统的复杂性,多种数据接口和大量数据接入,要求BMS控制单元具有复杂协议的处理能力和响应速度,对处理器、软件架构、代码质量提出较高的要求。如IEC61850接入协议,数据保存和故障追溯,系统冗余等。

6.电池安全状态分析和预警是BMS的一项极为重要的要求。

7.由于储能系统对安全性、可靠性的要求极高,所以,对BMS也要求有较高的可靠性、系统容错和保护能力。

PCS选型要点:

◆PCS作为储能系统的核心部件,应该具有非常高的稳定性;

◇PCS是电池储能系统的吞吐设备, PCS的效率直接影响了储能系统的效率,PCS应该具备很高的效率;

◆PCS是功率输出设备,相应速率影响系统方案;

◇PCS连接电网侧,平抑发电功率波动、改善电能质量、支撑电网电压和频率,性能影响质量。

PCS安全设计要点:

1.PCS内部线缆和线槽采用阻燃材料,防止高温着火。

2.PCS接入烟雾传感器,检测到温度或烟雾浓度达到一定数值,立刻保护停机,上送故障信息。

3.PCS交流主接触器供电线圈串联温度开关,环境温度过高、切断一次主回路,上传故障信息。

4.PCS板件配置环境温度测量芯片,环境温度高度,PCS保护停机,上传故障信息。

5.PCS功率模块配置测温电路,温度过高PCS保护停机,上传故障信息。

6.PCS检测直流拉弧,防止直流拉弧,引起高温着火。

7.PCS可以通过与BMS通信、储能控制器、监控后台通信,接收消防保护指令进行停机。

03电站消防安全分析

当前储能电站灭火方案:

目前储能电站通常采用的消防灭火方案无论是“七氟丙烷+抑制剂”灭火系统还是细水雾灭火系统,均是在保护区发生火灾蔓延,电池舱内已有大量的烟和较高的温度后,由感烟、感温及H2和CO等可燃气体火灾探测器接收到两个独立的火灾信号后启动灭火系统,对被保护对象所在 的区域进行灭火。而这时往往火势已经很大,电池舱内大部分的电池和设备已经遭受到了很大的火灾损坏。

上述方案均不能满足储能电站“预防为主、防消结合”的原则,更达不到防止火势蔓延、防 腐、防爆、防水、防潮的要求。

预警机制:

基于电池的大数据分析和全生命周期的管理,对电池状态进行预警分析;对于“带病”运行的储能系统,提前给出预警判断,实现智能运维管理,减低运维成本,提高系统安全性。

电池系统的预警功能,应能根据电池的健康状态、一致性等信息进行电池状态预警,便于电池 维护管理,提高系统安全性。预警和保护策略不同,保护是根据电池运行状态实时进行告警保护, 如果保护不执行,会立即对电池系统的安全造成严重影响。预警是对具有安全隐患的电池提示预警 ,电池还可以继续运行,但长期运行对电池寿命、安全都有较大的影响,应该尽快在合适的时机进行维护,恢复电池运行在更合适的状态。

预警策略分两级执行,一级是预警告警,二级是预警保护。一级预警建议尽快维护,但系统还可以继续运行,二级预警状态就会停止系统运行,必须立即维护。

电池预警机制:

◆基于电池的健康状态的预警

a、电池系统的健康状态

b、电池单体的健康状态

◇基于电池堆系统的温差的预警

电池的热管理极大的影响了电池系统的寿命和安全性,合理控制电池的温差,可以有效提升电池系统的使用寿命。

◆基于电池系统的温度变化量ΔT的预警

电池运行过程的温度变化可以反应电池的内阻、电池的热失控状态,影响系统的安全。在一定的时间段内,针对电池的温度变化给出预警。

◇基于电池压差的预警

a、电池单体压差的预警

b、电池簇间压差的预警

◆基于电池簇间电流差的预警

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SOC/SOH/SOP/SOE等SOX状态分析;当前电池一致性情况及趋势预测,可及时进行替换;适应后续梯级利用的健康趋势、 残值评估、针对不同应用场景分析后对电池的分类与再重组等

电池状态分析:

◆电池管理系统是专为控制电池充放电运行效果、观察电池所处温度湿度环境状态等而设计,这样的系统可以监测到电池可能存在的过充、温度过高等隐患,一定程度上避免电池故障引发。

◇通过红外及可见光监测平台、特征烟气探测器,以及智能就地及远程决策控制系统,实现对电池火灾的早期识别和管控,大幅提升电池储能电站安全运行水平。

原标题:干货|基于全生命周期理论的储能电站安全分析

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