關于充電站儲能系統(tǒng)安全設計和運行安全措施

張燕子，歐方浩，孫思佳，王建興

(華商三優(yōu)新能源科技有限公司，北京 通州 100100)

在能源、交通全面低碳化的大潮中，面對高比例可再生能源和波動性電力負荷帶來的挑戰(zhàn)，儲能是迫切需要突破的瓶頸。儲能深度影響能源轉型和碳中和的進程，是不可或缺的關鍵要素，應將發(fā)展儲能產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略。加快儲能有效融入電力系統(tǒng)發(fā)、輸、用各環(huán)節(jié)進程，對于保障電力可靠供應與新能源高效利用具有重要意義。

1 儲能系統(tǒng)的分類和安全風險

儲能電站的建立實現(xiàn)了負荷的削峰填谷，增加了電網(wǎng)調(diào)峰能力，同時參與系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。

儲能系統(tǒng)主要分為機械儲能、電化學儲能、熱儲能、電磁儲能、化學儲能等類型。其中應用最廣泛的為機械儲能和電化學儲能。機械儲能主要包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能；電化學儲能主要包括鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池和鈉硫電池；電磁儲能主要包括超導儲能、超級電容儲能；化學儲能主要涉及氫儲能。不同儲能形式所對應的安全風險不同，例如，鋰離子電池儲能、鈉硫電池儲能以及氫儲能需要重點關注其火災安全，液流電池儲能需要重點關注化學安全，飛輪儲能需要重點關注機械安全。

基于鋰離子電池儲能電站在國內(nèi)外的廣泛布局，本文針對磷酸鉄鋰電池、三元鋰電池及鈦酸鋰電池進行性能比較，電池的性能指標分析表如表1所示。

表1 電池的性能指標分析表

從表中數(shù)據(jù)可以看出磷酸鐵鋰電池在安全性、體積能量密度比、循環(huán)壽命、使用成本等方面綜合優(yōu)勢明顯，從目前的應用情況和發(fā)展趨勢看，長壽命高安全性磷酸鐵鋰電池是未來主流方向。因此，本篇論文針對電化學儲能中應用最廣泛的鋰電池儲能進行安全設計。

2 儲能安全發(fā)展的現(xiàn)狀

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力資源日漸緊張，儲能市場逐漸升溫，儲能所帶來的安全性問題也逐漸凸顯。鋰離子電池儲能電站是國內(nèi)外布局數(shù)量最多的儲能電站，自2017年以來，國外陸續(xù)出現(xiàn)30多起火災事故，我國境內(nèi)也曾發(fā)生過數(shù)起電站火災，造成人員傷亡或財產(chǎn)等重大損失，引發(fā)業(yè)界對儲能火災安全問題的關注。2019年，美國亞利桑那州發(fā)生電池儲能項目爆炸，直接導致4 名消防員受傷，其中兩名重傷；2021 年4 月6 日，韓國光伏電站儲能系統(tǒng)起火，燒毀面積達22 m2，共造成約4.4億韓元（約合人民幣258萬元）損失；同年4月16日，北京南四環(huán)鋰電池儲能電站發(fā)生爆炸，直接導致一名消防員受傷，一名電工失聯(lián)。面對接踵而來的儲能安全事故，研究儲能安全成為新能源發(fā)展的一個重大環(huán)節(jié)。

3 公交充電站儲能系統(tǒng)安全設計

3.1 公交儲能系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要針對電動公交車的充電特點，通過在充電站配置本系統(tǒng)以達到提高配電設備利用效率、降低變配電投資的目的，同時在電網(wǎng)檢修或發(fā)生故障時作為備用電源提供一定的應急保障能力，避免因電網(wǎng)或充電設施故障對車輛造成中斷運營等影響，以提高充電服務的可靠性。

3.2 公交儲能系統(tǒng)結構

公交儲能系統(tǒng)接入到變壓器低壓側，最大提供500 kW的輸出功率，最大存儲電量650 kWh。在常規(guī)工作狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)可由上級監(jiān)控系統(tǒng)配置為峰谷運行，降低用電成本，實現(xiàn)充電站的經(jīng)濟運行；在電網(wǎng)檢修或發(fā)生故障時，儲能系統(tǒng)可作為后備電源，在離網(wǎng)狀態(tài)下可支持充電站滿功率運行，確保持續(xù)為車輛提供服務，如圖1 所示。本系統(tǒng)配置有交流側主電路切換開關，可以實現(xiàn)一套儲能系統(tǒng)支持兩臺變壓器。

圖1 公交儲能系統(tǒng)電氣原理框圖

站內(nèi)配備消防預警系統(tǒng)（柜式七氟丙烷），系統(tǒng)具有自動和手動工作模式，可通過客戶開關和報警顯示器進行切換；能夠進行分級預警，手動/自動啟動滅火裝置。

3.3 公交儲能系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由鋰電池系統(tǒng)、并網(wǎng)變流器、交流側切換開關組成。

3.3.1 電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)主要由電池組和電池管理系統(tǒng)構成。電池組采用高安全可靠的磷酸鐵鋰電池，采用模塊化結構，通過串并聯(lián)形成130 kWh/箱體的電池柜，5個電池柜并聯(lián)使得電池組總容量達到650 kWh。電池柜內(nèi)部配置電池管理系統(tǒng)，可以實時的監(jiān)控電池的總電壓、總電流、單體電壓、采樣點溫度、絕緣、SOC等狀態(tài)，并具備三級故障機制，根據(jù)不同的故障情況，進行告警、限功率、切斷主回路等控制，確保電池組始終處于安全工作區(qū)間。電池柜具備溫度管理功能，在低溫情況下，根據(jù)電池管理系統(tǒng)指令進行電池組加熱；在高溫情況下，根據(jù)電池管理系統(tǒng)指令進行風冷散熱，確保電池工作在合理工作溫度區(qū)間，提高電池使用安全性和延長電池使用壽命。

3.3.2 并網(wǎng)變流器PCS

并網(wǎng)變流器（PCS）帶有隔離變壓器、斷路器和人機交互系統(tǒng)，具備交直流過壓、過流保護、極性反接保護、短路保護、交流過欠頻保護、反相序保護、反孤島保護、防浪涌功能，PCS 通過RS485與站級監(jiān)控進行通信實現(xiàn)以下功能。

能量雙向流動功能：PCS 可以實現(xiàn)雙向充放電功能，既可以工作在有源逆變模式，實現(xiàn)直流到交流的變換，向電網(wǎng)輸送電能；也可以工作在有源整流模式，實現(xiàn)交流到直流的變換，從電網(wǎng)吸收電能儲存在電池中。

并網(wǎng)/離網(wǎng)運行功能：PCS 具有P/Q運行和V/f運行模式和模式切換功能，支持微網(wǎng)并網(wǎng)運行、離網(wǎng)運行和并離網(wǎng)切換。

通信接口與監(jiān)控功能：PCS可通過CAN與BMS（電池管理系統(tǒng)）通信，通過RS485與后臺管理系統(tǒng)通信。

3.3.3 主電路切換開關

通過兩個帶有互鎖機構的斷路器實現(xiàn)對交流側主電路的切換控制。斷路器帶有旋轉手柄的聯(lián)鎖裝置，如圖2所示。兩臺帶旋轉手柄的斷路器可以通過鎖定機構進行聯(lián)鎖，在聯(lián)鎖時，旋轉手柄可以加裝掛鎖。允許一臺斷路器閉合，另外一臺斷路器打開。

圖2 兩個帶有互鎖機構的斷路器

斷路器安裝有指示觸點，可以準確的指示斷路器觸頭的位置，指示觸點通過DI模塊將信號傳送到后臺監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)反饋信號判斷儲能系統(tǒng)接入的變壓器，采集相應支路的負荷信號，控制儲能系統(tǒng)協(xié)同工作。

3.4 公交儲能系統(tǒng)運行安全措施

儲能系統(tǒng)的組成如圖3所示。

圖3 儲能系統(tǒng)的組成圖

3.4.1 運行保護監(jiān)控措施

BMS系統(tǒng)有單體過壓和過流、溫度保護。

PCS有單體過壓和過流保護。

所有電池系統(tǒng)站級監(jiān)控都可以監(jiān)測到單體電芯電壓和溫度，有PCS和BMS故障停機保護。

配電低壓柜有儲能系統(tǒng)反送電保護措施。

3.4.2 運行安全維護措施-

專業(yè)人員對儲能設備進行周期性外觀及環(huán)境檢查。

每月須對消防設備外觀、工作狀態(tài)、線路儀表指示、標示標牌等檢查。

每三個月須對滅火劑儲瓶壓力進行檢查，如看表針是否在綠區(qū)，如低于綠區(qū)應補充氮氣至4.2 Mpa。

每年須對滅火劑重量檢查、模擬演練滅火啟動，進行一次氮氣吹洗以清除污物灰塵。

通過站級監(jiān)控平臺對儲能設備各項數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

3.5 消防預警系統(tǒng)布置方案（柜式七氟丙烷）

本文主要針對650 kW集裝箱儲能系統(tǒng)的消防系統(tǒng)方案，在靠近電池組位置安裝探測控制器，如選擇電池柜上頂部空間進行安裝，如圖4所示。

圖4 鋰電儲能集裝箱消防預警系統(tǒng)方案圖

3.5.1 柜式七氟丙烷滅火器用量計算

滅火劑過熱蒸氣在101 kPa大氣壓和防護區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積，應按下式計算：

該集裝箱電池室使用七氟丙烷的設計用量：電池室的容積設為89 m3，海拔高度修正系數(shù)為1.0，滅火設計濃度為8，防護區(qū)最低環(huán)境溫度設置為20 ℃，則計算出的用量約為60 kg。

3.5.2 鋰電儲能集裝箱消防預警系統(tǒng)方案

3.6 消防系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)具有自動和手動工作模式，可通過客戶開關和報警顯示器進行切換；能夠進行分級預警，手動/自動啟動滅火裝置；數(shù)據(jù)備份（黑匣）等功能，如圖5所示。

圖5 消防系統(tǒng)工作流程

3.7 消防系統(tǒng)報警觸發(fā)機制

電芯溫度過高觸發(fā)報警裝置BMS 檢測到電芯溫度達到火警預警值后，且其他傳感器都沒有報警。消防系統(tǒng)發(fā)出聲光警報。發(fā)出關聯(lián)指令：向站級監(jiān)控發(fā)出一級火警警報；EMU 管理單元及站級平臺發(fā)出停機指令，使PCS 停機（通過PCS 內(nèi)部接觸器切斷與外部電源的連接）。（電池柜是否具備切斷與外部的連接，需要與電池廠家協(xié)商），如圖6所示。

圖6 消防報警觸發(fā)機制消防系統(tǒng)原理框圖

電池柜里消防溫度傳感器（6個）、煙霧傳感器（2 個）、電池BMS 電芯溫度超過火警預設值報警，只要觸發(fā)一個溫度報警及一個煙感報警以上的混合報警，消防系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，進入噴射準備狀態(tài)。發(fā)出關聯(lián)指令：向站級監(jiān)控發(fā)出三級火警警報；EMU管理單元及站級平臺發(fā)出停機指令，使PCS停機（通過PCS內(nèi)部接觸器切斷與外部電源的連接）。（電池柜是否具備切斷與外部的連接，需要與電池廠家協(xié)商）。經(jīng)過約30 s延時時間（此時防區(qū)內(nèi)人員必須全部撤離），發(fā)出滅火指令，電磁鐵動作打開驅(qū)動瓶閥門，釋放滅火藥劑進行滅火。放氣牌指示燈點亮。場站人員斷開儲能室的上級開關斷電。

當只觸發(fā)電池倉頂部消防溫度傳感器（1 個），煙霧傳感器（2 個）的報警或者混合報警時，消防系統(tǒng)發(fā)出聲光警報。發(fā)出關聯(lián)指令：向站級監(jiān)控平臺發(fā)出二級火警警報；EMU 管理單元及站級平臺發(fā)出停機指令，使PCS停機（通過PCS內(nèi)部接觸器切斷與外部電源的連接）。（電池廠家確定電池柜是否具備切斷與電池的連接的功能）。場站人員現(xiàn)場判斷是否有火情：無火情，則消防系統(tǒng)下電重啟，重啟后仍報故障，通知廠家人員維修。有火情，用儲能室中的二氧化碳滅火器進行滅火，如果火情依舊沒法消除，打開電池柜門，人員撤離儲能室后，手動啟動強制滅火按鈕，（此時防區(qū)內(nèi)人員必須全部撤離），發(fā)出滅火指令，電磁鐵動作打開驅(qū)動瓶閥門，釋放滅火藥劑機進行滅火，放氣牌指示燈點亮。場站人員斷開儲能室的上級開關斷電。

當功率倉頂部消防溫度傳感器（1個）、煙霧傳感器（2 個）有報警或者混合報警，觸發(fā)警報裝置。消防系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，同時發(fā)出關聯(lián)指令。向站級監(jiān)控報功率倉火警。同時EMU管理單元及站級平臺發(fā)出停機指令，使PCS停機，通過PCS內(nèi)部接觸器切斷與外部電源的連接（電池廠家確定電池柜是否具備切斷與電池的連接的功能）。場站人員現(xiàn)場判斷是否有火情：無火情，則消防系統(tǒng)下電重啟，重啟后仍報故障，通知廠家人員維修。有火情，用儲能室中的二氧化碳滅火器進行滅火，如果火情依舊沒法消除，打開電池柜門，打開電池倉與功率倉中間的通道門，人員撤離儲能室后，手動啟動強制滅火按鈕，（此時防區(qū)內(nèi)人員必須全部撤離），發(fā)出滅火指令，電磁鐵動作打開驅(qū)動瓶閥門，釋放滅火藥劑機進行滅火。放氣牌指示燈點亮，場站人員斷開儲能室的上級開關斷電。

手動操作模式：當發(fā)生火情時，可按下箱體外手動控制器上的手動啟動/強制啟動按鈕即可。

緊急停止：自動或手動模式下，當發(fā)生火情報警后，在延時時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)不需要啟動滅火設備進行滅火時，按下手動控制盒上的緊急停止按鈕，即可阻止滅火指令發(fā)出，停止設備滅火程序。

優(yōu)先級：強制啟動/緊急停止-手動控制-自動控制。無論消防系統(tǒng)處于何種工作模式下，按下強制啟動按鈕均可啟動滅火程序?qū)嵤缁稹?/p>

噴放七氟丙烷氣體滅火后，應保持必需的滅火浸沒時間，時間不少于30 min。當火災消除后，應給集裝箱通風換氣，通風換氣時間不少于1 h，未完成通風換氣前，現(xiàn)場人員不得進入。

設備滅火使用后，聯(lián)系廠家加入滅火藥劑，調(diào)試正常后方可繼續(xù)使用。

4 結束語

儲能電站火災過程是一個從局部隱患演變故障事件的過程，而安全風險隱患及演變存在于儲能電站的設備選型、系統(tǒng)集成、安裝調(diào)試、運行維護、設施報廢等全壽命周期過程任何一個環(huán)節(jié)。本文針對公交充電站研發(fā)了一種新的儲能系統(tǒng)安全設計方案，從儲能系統(tǒng)的接線、組成、運行安全管理措施及消防觸發(fā)機制等方面進行細化，目前該設計方案已投入使用，運行狀況優(yōu)異，滿足了北京地區(qū)儲能公交站的發(fā)展需求，合理規(guī)劃了現(xiàn)有充電站服務方向，對未來北京市新能源業(yè)務整體規(guī)劃與發(fā)展具有一定的現(xiàn)實指導意義。