01儲能系統設計安全分析

儲能系統安全隱患：

電池儲能系統由電池組（堆）、BMS、PCS、空調、動環監控、機架及輔件構成。除了PCS、空調、 動環監控等可能發生的電氣安全外，電池組（堆）成為了最大的安全隱患點。儲能系統中的安全隱患特點如下：

1.在電池儲能系統中，電池組（堆）的電池容量往往高達MWH，且在一個集裝箱或一個局部空間內， 能量密度極高。在一個局部區域內，容量高達數十到數百MWH。一旦發生安全問題，往往引起電池燃燒的鏈式反應，導致局面失控，損失重大。

2.在電池儲能系統中，電池組（堆）的電壓一般在700V以上，高壓直流系統對系統絕緣和保護提出 了極高的要求。系統布線、結構復雜，一旦發生線纜老化、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熱等，引起安全事故。

3.在電網側電池儲能系統中，復雜系統往往產生惡劣的EMC環境，導致系統誤報警、誤動作，產生不可預期的安全事故。

4.電池過充、過放、過流、過溫，以及短路、熱失控等是儲能系統的最大安全隱患。

儲能系統的設計現狀：

儲能系統缺少頂層設計，標準化程度低，多為定制設計及示范應用，缺少長時間運行驗證。

◆儲能系統的集成設計缺少系統的考慮，變成多個功能部件的堆積，相互間缺少聯系，多為信息孤島；

◇儲能系統運行策略和保護機制不完善，缺少冗余的安全保護及長壽命的管理策略；

◆儲能系統的熱管理和一致性管理比較粗糙，缺少儲能系統及電池系統綜合分析及診斷，缺少儲能系 統的運維支撐；

◆缺少系統安全的解決方案，僅直接借用建筑消防的設計思路，不適合儲能系統的消防處理；

◇系統經濟性差，無論是系統成本、故障率、系統壽命及系統效率均優化不夠；

◆只注重建造，示范，缺少運維管理及后期維護的工作安排；

◇儲能系統的成本高，可靠性低，維護復雜或者很難維護，檢修要求高，對運維管理人員要求高。

儲能安全的核心系統：

遵循“預防為主、防消結合”的原則，儲能安全控制系統應融合電池管理系統、預警系統、基于電池特 性的熱失控探測系統、火災探測系統、滅火控制系統等，各系統實現數據融合和智能判斷，及時對電池系統進行安全管控。

1.優化系統運行控制策略，實現系統的安全管控，具備嚴格的時序控制和安全冗余設置，保證 部分系統失效時仍能執行安全管控。

2.具備電池系統預警機制，基于電池的健康狀態、一致性狀態（電壓、溫度）、溫度變化狀態 進行系統預警，對“帶病”運行的電池系統，給出預警，便于運維。

3.提出電池安全狀態分析SOS（state of safety）,對電池安全狀態進行準確評估，給出安全風 險等級數值。通過對SOS的預警，避免電池工作在高危區域，預防安全事故的發生。

4.基于H2、CO等氣體探測、電池單體溫度、煙感、溫感、可見光、紅外等綜合消防探測系統，執行電池系統的安全預警及消防聯動控制。

5.針對電池火災特點，提出綜合滅火系統，具備氣體滅火和水系滅火聯合控制系統。

電化學儲能項目應用分布：

儲能系統的安全性永遠是最重要的。而儲能安全性的最大關鍵在于電池堆的安全。要從設計->使用->管理->預警->保護->隔離->滅火各個環節予以考慮，主要從以下三個方面：

1.電池的本征安全性及電池設計的安全性考慮。

2.儲能系統的安全性設計，如電池模組的安全性設計，系統布局、 安全臨界值設計，系統控制策略設計，電池安全狀態的評估及預警，電池及模組熱管理，熱失控管理，熱隔離，安防系統設計考慮動環、消防、空調、監控等。

3.系統安全保護設計，熱失控狀態下電芯和模組的隔離及滅火措施 ，系統回路切斷保護，消防滅火等。

02設備選型安全分析

電芯選型要點：

◆高安全性

強調電芯本質安全，具備較高安全性， 通過專業檢測機構認證，在任何條件下都不應該發生起火爆炸等惡劣情況。

◇循環特性

電芯具備較高循環壽命，且循環特性 （電壓一致性）穩定可靠，內阻變化率小。

◆溫升特性

電芯在不同倍率下，持續充放電， 溫度上升應該控制在較小范圍。

◇自放電率

電芯在運行或長期靜止過程中， 均應該保持較小自放電率，否則會引起系統利用率下降的問題。

◆能量密度

電芯選型過程中能量密度是一 個關鍵參數，對于系統成本有較明顯影響。

電池管理系統BMS：

電池管理系統是專為控制電池充放電運行效果、觀察電池所處溫度、濕度環境狀態等而設計，電池管理系統可以監測到電池可能存在的過充、溫度 過高等隱患，對電池當前及未來運行狀態進行合理評估，一定程度上避免電池故障及安全事故發生。

當前儲能電池管理系統缺少系統管理的功能，多是基于動力BMS轉化而來 ，缺少大規模儲能電池系統的優化管理，比如電池簇的投退管理，環流控制等等。

電池管理系統對電池安全起決定性作用。

BMS的技術要求：

1.由于儲能系統深度充放電的特性，在充放電末期電池組的一致性將對儲能系統可用容量產生影響，降低儲能系統的效率。為了保證電池組內單體電池性能的一致性，要求儲能BMS具有很強的電池均衡管理能力，所以儲能系統一般要求采用主動均衡技術，均衡電流一般為0.5~5A， 以達到對一次循環電池組差異的補償。

2.為了保證電池使用壽命，溫度控制非常重要，必須考慮系統的熱管理設計。尤其對于調頻調峰應用的儲能系統，由于高倍率的充放電電流將導致電池發熱嚴重，且不均衡，導致對電池使用壽命的影響。熱管理設計包括電池模組的熱設計，系統散熱風道，BMS熱管理控制策略等等。

3.當多組電池組并聯使用時（或電池堆維護時），必須考慮電池組的并聯控制策略，防止電池組間由于電池組組端電壓差導致環流的發生。同時也要考慮不同電池簇間的均衡維護。

4.對于大型儲能BMS還有其特殊性，具有特別的要求：由于一般大型儲能系統的電池組儲能容量為MWh至數百MWh級，變換功率為數百KW至幾十MW，往往由大量電池串并聯，且多組電池組并聯成堆組成，系統拓撲復雜，涉及多個控制單元的協調，系統布線復雜。使得大型儲能系統具有直流側電壓高（甚至高達1000V以上）、功率大（數百千瓦或兆瓦）、電池數量多、 環境惡劣干擾嚴重、數據龐大、控制復雜的特點。對BMS系統布局布線設計，抗干擾設計，數據處理能力，響應速度等等提出了極高的要求。

5.由于系統的復雜性，多種數據接口和大量數據接入，要求BMS控制單元具有復雜協議的處理能力和響應速度，對處理器、軟件架構、代碼質量提出較高的要求。如IEC61850接入協議，數據保存和故障追溯，系統冗余等。

6.電池安全狀態分析和預警是BMS的一項極為重要的要求。

7.由于儲能系統對安全性、可靠性的要求極高，所以，對BMS也要求有較高的可靠性、系統容錯和保護能力。

PCS選型要點：

◆PCS作為儲能系統的核心部件，應該具有非常高的穩定性；

◇PCS是電池儲能系統的吞吐設備， PCS的效率直接影響了儲能系統的效率，PCS應該具備很高的效率；

◆PCS是功率輸出設備，相應速率影響系統方案；

◇PCS連接電網側，平抑發電功率波動、改善電能質量、支撐電網電壓和頻率，性能影響質量。

PCS安全設計要點：

1.PCS內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，檢測到溫度或煙霧濃度達到一定數值，立刻保護停機，上送故障信息。

3.PCS交流主接觸器供電線圈串聯溫度開關，環境溫度過高、切斷一次主回路，上傳故障信息。

4.PCS板件配置環境溫度測量芯片，環境溫度高度，PCS保護停機，上傳故障信息。

5.PCS功率模塊配置測溫電路，溫度過高PCS保護停機，上傳故障信息。

6.PCS檢測直流拉弧，防止直流拉弧，引起高溫著火。

7.PCS可以通過與BMS通信、儲能控制器、監控后臺通信，接收消防保護指令進行停機。

03電站消防安全分析

當前儲能電站滅火方案：

目前儲能電站通常采用的消防滅火方案無論是“七氟丙烷+抑制劑”滅火系統還是細水霧滅火系統，均是在保護區發生火災蔓延，電池艙內已有大量的煙和較高的溫度后，由感煙、感溫及H2和CO等可燃氣體火災探測器接收到兩個獨立的火災信號后啟動滅火系統，對被保護對象所在 的區域進行滅火。而這時往往火勢已經很大，電池艙內大部分的電池和設備已經遭受到了很大的火災損壞。

上述方案均不能滿足儲能電站“預防為主、防消結合”的原則，更達不到防止火勢蔓延、防 腐、防爆、防水、防潮的要求。

預警機制：

基于電池的大數據分析和全生命周期的管理，對電池狀態進行預警分析；對于“帶病”運行的儲能系統，提前給出預警判斷，實現智能運維管理，減低運維成本，提高系統安全性。

電池系統的預警功能，應能根據電池的健康狀態、一致性等信息進行電池狀態預警，便于電池 維護管理，提高系統安全性。預警和保護策略不同，保護是根據電池運行狀態實時進行告警保護， 如果保護不執行，會立即對電池系統的安全造成嚴重影響。預警是對具有安全隱患的電池提示預警 ，電池還可以繼續運行，但長期運行對電池壽命、安全都有較大的影響，應該盡快在合適的時機進行維護，恢復電池運行在更合適的狀態。

預警策略分兩級執行，一級是預警告警，二級是預警保護。一級預警建議盡快維護，但系統還可以繼續運行，二級預警狀態就會停止系統運行，必須立即維護。

電池預警機制：

◆基于電池的健康狀態的預警

a、電池系統的健康狀態

b、電池單體的健康狀態

◇基于電池堆系統的溫差的預警

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

◆基于電池系統的溫度變化量ΔT的預警

電池運行過程的溫度變化可以反應電池的內阻、電池的熱失控狀態，影響系統的安全。在一定的時間段內，針對電池的溫度變化給出預警。

a、電池單體壓差的預警

b、電池簇間壓差的預警

◆基于電池簇間電流差的預警


SOC/SOH/SOP/SOE等SOX狀態分析；當前電池一致性情況及趨勢預測，可及時進行替換；適應后續梯級利用的健康趨勢、 殘值評估、針對不同應用場景分析后對電池的分類與再重組等

電池狀態分析：

◆電池管理系統是專為控制電池充放電運行效果、觀察電池所處溫度濕度環境狀態等而設計，這樣的系統可以監測到電池可能存在的過充、溫度過高等隱患，一定程度上避免電池故障引發。

◇通過紅外及可見光監測平臺、特征煙氣探測器，以及智能就地及遠程決策控制系統，實現對電池火災的早期識別和管控，大幅提升電池儲能電站安全運行水平。