01儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)安全隱患：

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池組（堆）、BMS、PCS、空調(diào)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、機(jī)架及輔件構(gòu)成。除了PCS、空調(diào)、 動(dòng)環(huán)監(jiān)控等可能發(fā)生的電氣安全外，電池組（堆）成為了最大的安全隱患點(diǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)中的安全隱患特點(diǎn)如下：

1.在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組（堆）的電池容量往往高達(dá)MWH，且在一個(gè)集裝箱或一個(gè)局部空間內(nèi)， 能量密度極高。在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)，容量高達(dá)數(shù)十到數(shù)百M(fèi)WH。一旦發(fā)生安全問題，往往引起電池燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致局面失控，損失重大。

2.在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組（堆）的電壓一般在700V以上，高壓直流系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)絕緣和保護(hù)提出 了極高的要求。系統(tǒng)布線、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生線纜老化、空氣潮濕、塵埃等都可能造成絕緣下降， 以致漏電、打火，以及線纜接觸電阻變大發(fā)熱等，引起安全事故。

3.在電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，復(fù)雜系統(tǒng)往往產(chǎn)生惡劣的EMC環(huán)境，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警、誤動(dòng)作，產(chǎn)生不可預(yù)期的安全事故。

4.電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、過(guò)溫，以及短路、熱失控等是儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大安全隱患。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀：

儲(chǔ)能系統(tǒng)缺少頂層設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，多為定制設(shè)計(jì)及示范應(yīng)用，缺少長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證。

◆儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)缺少系統(tǒng)的考慮，變成多個(gè)功能部件的堆積，相互間缺少聯(lián)系，多為信息孤島；

◇儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略和保護(hù)機(jī)制不完善，缺少冗余的安全保護(hù)及長(zhǎng)壽命的管理策略；

◆儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理和一致性管理比較粗糙，缺少儲(chǔ)能系統(tǒng)及電池系統(tǒng)綜合分析及診斷，缺少儲(chǔ)能系 統(tǒng)的運(yùn)維支撐；

◆缺少系統(tǒng)安全的解決方案，僅直接借用建筑消防的設(shè)計(jì)思路，不適合儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防處理；

◇系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差，無(wú)論是系統(tǒng)成本、故障率、系統(tǒng)壽命及系統(tǒng)效率均優(yōu)化不夠；

◆只注重建造，示范，缺少運(yùn)維管理及后期維護(hù)的工作安排；

◇儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本高，可靠性低，維護(hù)復(fù)雜或者很難維護(hù)，檢修要求高，對(duì)運(yùn)維管理人員要求高。

儲(chǔ)能安全的核心系統(tǒng)：

遵循“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的原則，儲(chǔ)能安全控制系統(tǒng)應(yīng)融合電池管理系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、基于電池特 性的熱失控探測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、滅火控制系統(tǒng)等，各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和智能判斷，及時(shí)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行安全管控。

1.優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全管控，具備嚴(yán)格的時(shí)序控制和安全冗余設(shè)置，保證 部分系統(tǒng)失效時(shí)仍能執(zhí)行安全管控。

2.具備電池系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制，基于電池的健康狀態(tài)、一致性狀態(tài)（電壓、溫度）、溫度變化狀態(tài) 進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)警，對(duì)“帶病”運(yùn)行的電池系統(tǒng)，給出預(yù)警，便于運(yùn)維。

3.提出電池安全狀態(tài)分析SOS（state of safety）,對(duì)電池安全狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，給出安全風(fēng) 險(xiǎn)等級(jí)數(shù)值。通過(guò)對(duì)SOS的預(yù)警，避免電池工作在高危區(qū)域，預(yù)防安全事故的發(fā)生。

4.基于H2、CO等氣體探測(cè)、電池單體溫度、煙感、溫感、可見光、紅外等綜合消防探測(cè)系統(tǒng)，執(zhí)行電池系統(tǒng)的安全預(yù)警及消防聯(lián)動(dòng)控制。

5.針對(duì)電池火災(zāi)特點(diǎn)，提出綜合滅火系統(tǒng)，具備氣體滅火和水系滅火聯(lián)合控制系統(tǒng)。

電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用分布：

儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性永遠(yuǎn)是最重要的。而儲(chǔ)能安全性的最大關(guān)鍵在于電池堆的安全。要從設(shè)計(jì)->使用->管理->預(yù)警->保護(hù)->隔離->滅火各個(gè)環(huán)節(jié)予以考慮，主要從以下三個(gè)方面：

1.電池的本征安全性及電池設(shè)計(jì)的安全性考慮。

2.儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)，如電池模組的安全性設(shè)計(jì)，系統(tǒng)布局、 安全臨界值設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)，電池安全狀態(tài)的評(píng)估及預(yù)警，電池及模組熱管理，熱失控管理，熱隔離，安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮動(dòng)環(huán)、消防、空調(diào)、監(jiān)控等。

3.系統(tǒng)安全保護(hù)設(shè)計(jì)，熱失控狀態(tài)下電芯和模組的隔離及滅火措施 ，系統(tǒng)回路切斷保護(hù)，消防滅火等。

02設(shè)備選型安全分析

電芯選型要點(diǎn)：

◆高安全性

強(qiáng)調(diào)電芯本質(zhì)安全，具備較高安全性， 通過(guò)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證，在任何條件下都不應(yīng)該發(fā)生起火爆炸等惡劣情況。

◇循環(huán)特性

電芯具備較高循環(huán)壽命，且循環(huán)特性 （電壓一致性）穩(wěn)定可靠，內(nèi)阻變化率小。

◆溫升特性

電芯在不同倍率下，持續(xù)充放電， 溫度上升應(yīng)該控制在較小范圍。

◇自放電率

電芯在運(yùn)行或長(zhǎng)期靜止過(guò)程中， 均應(yīng)該保持較小自放電率，否則會(huì)引起系統(tǒng)利用率下降的問題。

◆能量密度

電芯選型過(guò)程中能量密度是一 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)成本有較明顯影響。

電池管理系統(tǒng)BMS：

電池管理系統(tǒng)是專為控制電池充放電運(yùn)行效果、觀察電池所處溫度、濕度環(huán)境狀態(tài)等而設(shè)計(jì)，電池管理系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到電池可能存在的過(guò)充、溫度 過(guò)高等隱患，對(duì)電池當(dāng)前及未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理評(píng)估，一定程度上避免電池故障及安全事故發(fā)生。

當(dāng)前儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)缺少系統(tǒng)管理的功能，多是基于動(dòng)力BMS轉(zhuǎn)化而來(lái) ，缺少大規(guī)模儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的優(yōu)化管理，比如電池簇的投退管理，環(huán)流控制等等。

電池管理系統(tǒng)對(duì)電池安全起決定性作用。

BMS的技術(shù)要求：

1.由于儲(chǔ)能系統(tǒng)深度充放電的特性，在充放電末期電池組的一致性將對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量產(chǎn)生影響，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。為了保證電池組內(nèi)單體電池性能的一致性，要求儲(chǔ)能BMS具有很強(qiáng)的電池均衡管理能力，所以儲(chǔ)能系統(tǒng)一般要求采用主動(dòng)均衡技術(shù)，均衡電流一般為0.5~5A， 以達(dá)到對(duì)一次循環(huán)電池組差異的補(bǔ)償。

2.為了保證電池使用壽命，溫度控制非常重要，必須考慮系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)。尤其對(duì)于調(diào)頻調(diào)峰應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于高倍率的充放電電流將導(dǎo)致電池發(fā)熱嚴(yán)重，且不均衡，導(dǎo)致對(duì)電池使用壽命的影響。熱管理設(shè)計(jì)包括電池模組的熱設(shè)計(jì)，系統(tǒng)散熱風(fēng)道，BMS熱管理控制策略等等。

3.當(dāng)多組電池組并聯(lián)使用時(shí)（或電池堆維護(hù)時(shí)），必須考慮電池組的并聯(lián)控制策略，防止電池組間由于電池組組端電壓差導(dǎo)致環(huán)流的發(fā)生。同時(shí)也要考慮不同電池簇間的均衡維護(hù)。

4.對(duì)于大型儲(chǔ)能BMS還有其特殊性，具有特別的要求：由于一般大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池組儲(chǔ)能容量為MWh至數(shù)百M(fèi)Wh級(jí)，變換功率為數(shù)百KW至幾十MW，往往由大量電池串并聯(lián)，且多組電池組并聯(lián)成堆組成，系統(tǒng)拓?fù)鋸?fù)雜，涉及多個(gè)控制單元的協(xié)調(diào)，系統(tǒng)布線復(fù)雜。使得大型儲(chǔ)能系統(tǒng)具有直流側(cè)電壓高（甚至高達(dá)1000V以上）、功率大（數(shù)百千瓦或兆瓦）、電池?cái)?shù)量多、 環(huán)境惡劣干擾嚴(yán)重、數(shù)據(jù)龐大、控制復(fù)雜的特點(diǎn)。對(duì)BMS系統(tǒng)布局布線設(shè)計(jì)，抗干擾設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理能力，響應(yīng)速度等等提出了極高的要求。

5.由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，多種數(shù)據(jù)接口和大量數(shù)據(jù)接入，要求BMS控制單元具有復(fù)雜協(xié)議的處理能力和響應(yīng)速度，對(duì)處理器、軟件架構(gòu)、代碼質(zhì)量提出較高的要求。如IEC61850接入?yún)f(xié)議，數(shù)據(jù)保存和故障追溯，系統(tǒng)冗余等。

6.電池安全狀態(tài)分析和預(yù)警是BMS的一項(xiàng)極為重要的要求。

7.由于儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)安全性、可靠性的要求極高，所以，對(duì)BMS也要求有較高的可靠性、系統(tǒng)容錯(cuò)和保護(hù)能力。

PCS選型要點(diǎn)：

◆PCS作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)該具有非常高的穩(wěn)定性；

◇PCS是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的吞吐設(shè)備， PCS的效率直接影響了儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，PCS應(yīng)該具備很高的效率；

◆PCS是功率輸出設(shè)備，相應(yīng)速率影響系統(tǒng)方案；

◇PCS連接電網(wǎng)側(cè)，平抑發(fā)電功率波動(dòng)、改善電能質(zhì)量、支撐電網(wǎng)電壓和頻率，性能影響質(zhì)量。

PCS安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1.PCS內(nèi)部線纜和線槽采用阻燃材料，防止高溫著火。

2.PCS接入煙霧傳感器，檢測(cè)到溫度或煙霧濃度達(dá)到一定數(shù)值，立刻保護(hù)停機(jī)，上送故障信息。

3.PCS交流主接觸器供電線圈串聯(lián)溫度開關(guān)，環(huán)境溫度過(guò)高、切斷一次主回路，上傳故障信息。

4.PCS板件配置環(huán)境溫度測(cè)量芯片，環(huán)境溫度高度，PCS保護(hù)停機(jī)，上傳故障信息。

5.PCS功率模塊配置測(cè)溫電路，溫度過(guò)高PCS保護(hù)停機(jī)，上傳故障信息。

6.PCS檢測(cè)直流拉弧，防止直流拉弧，引起高溫著火。

7.PCS可以通過(guò)與BMS通信、儲(chǔ)能控制器、監(jiān)控后臺(tái)通信，接收消防保護(hù)指令進(jìn)行停機(jī)。

03電站消防安全分析

當(dāng)前儲(chǔ)能電站滅火方案：

目前儲(chǔ)能電站通常采用的消防滅火方案無(wú)論是“七氟丙烷+抑制劑”滅火系統(tǒng)還是細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，均是在保護(hù)區(qū)發(fā)生火災(zāi)蔓延，電池艙內(nèi)已有大量的煙和較高的溫度后，由感煙、感溫及H2和CO等可燃?xì)怏w火災(zāi)探測(cè)器接收到兩個(gè)獨(dú)立的火災(zāi)信號(hào)后啟動(dòng)滅火系統(tǒng)，對(duì)被保護(hù)對(duì)象所在 的區(qū)域進(jìn)行滅火。而這時(shí)往往火勢(shì)已經(jīng)很大，電池艙內(nèi)大部分的電池和設(shè)備已經(jīng)遭受到了很大的火災(zāi)損壞。

上述方案均不能滿足儲(chǔ)能電站“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的原則，更達(dá)不到防止火勢(shì)蔓延、防 腐、防爆、防水、防潮的要求。

預(yù)警機(jī)制：

基于電池的大數(shù)據(jù)分析和全生命周期的管理，對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警分析；對(duì)于“帶病”運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)，提前給出預(yù)警判斷，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維管理，減低運(yùn)維成本，提高系統(tǒng)安全性。

電池系統(tǒng)的預(yù)警功能，應(yīng)能根據(jù)電池的健康狀態(tài)、一致性等信息進(jìn)行電池狀態(tài)預(yù)警，便于電池 維護(hù)管理，提高系統(tǒng)安全性。預(yù)警和保護(hù)策略不同，保護(hù)是根據(jù)電池運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行告警保護(hù)， 如果保護(hù)不執(zhí)行，會(huì)立即對(duì)電池系統(tǒng)的安全造成嚴(yán)重影響。預(yù)警是對(duì)具有安全隱患的電池提示預(yù)警 ，電池還可以繼續(xù)運(yùn)行，但長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)電池壽命、安全都有較大的影響，應(yīng)該盡快在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，恢復(fù)電池運(yùn)行在更合適的狀態(tài)。

預(yù)警策略分兩級(jí)執(zhí)行，一級(jí)是預(yù)警告警，二級(jí)是預(yù)警保護(hù)。一級(jí)預(yù)警建議盡快維護(hù)，但系統(tǒng)還可以繼續(xù)運(yùn)行，二級(jí)預(yù)警狀態(tài)就會(huì)停止系統(tǒng)運(yùn)行，必須立即維護(hù)。

電池預(yù)警機(jī)制：

◆基于電池的健康狀態(tài)的預(yù)警

a、電池系統(tǒng)的健康狀態(tài)

b、電池單體的健康狀態(tài)

◇基于電池堆系統(tǒng)的溫差的預(yù)警

電池的熱管理極大的影響了電池系統(tǒng)的壽命和安全性，合理控制電池的溫差，可以有效提升電池系統(tǒng)的使用壽命。

◆基于電池系統(tǒng)的溫度變化量ΔT的預(yù)警

電池運(yùn)行過(guò)程的溫度變化可以反應(yīng)電池的內(nèi)阻、電池的熱失控狀態(tài)，影響系統(tǒng)的安全。在一定的時(shí)間段內(nèi)，針對(duì)電池的溫度變化給出預(yù)警。

a、電池單體壓差的預(yù)警

b、電池簇間壓差的預(yù)警

◆基于電池簇間電流差的預(yù)警


SOC/SOH/SOP/SOE等SOX狀態(tài)分析；當(dāng)前電池一致性情況及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，可及時(shí)進(jìn)行替換；適應(yīng)后續(xù)梯級(jí)利用的健康趨勢(shì)、 殘值評(píng)估、針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景分析后對(duì)電池的分類與再重組等

電池狀態(tài)分析：

◆電池管理系統(tǒng)是專為控制電池充放電運(yùn)行效果、觀察電池所處溫度濕度環(huán)境狀態(tài)等而設(shè)計(jì)，這樣的系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到電池可能存在的過(guò)充、溫度過(guò)高等隱患，一定程度上避免電池故障引發(fā)。

◇通過(guò)紅外及可見光監(jiān)測(cè)平臺(tái)、特征煙氣探測(cè)器，以及智能就地及遠(yuǎn)程決策控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池火災(zāi)的早期識(shí)別和管控，大幅提升電池儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行水平。