基于電池儲能電站的開關柜局部放電在線監測系統研究
——評《磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術與工程應用》

舒 戀,舒富根,付理祥,劉舟雯

(1.國網江西省電力有限公司南昌供電分公司,江西 南昌 330000; 2.豫章師范學院,江西 南昌 330000)

將電能大規模儲存起來,進行靈活穩定調用,一直是電力系統努力的方向。近年來,隨著電池儲能技術的高速發展,儲能電站的建設也在穩步開展,如湖南、江蘇、河南等地均有電池儲能電站并網運行。電池儲能作為大規模儲能系統的重要形式之一,具有調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等用途。與常規電源相比,大規模儲能電站不僅能夠適應負荷的快速變化,使電力系統的運行更加安全、穩定,還可以優化電源結構,實現節能降耗和綠色環保,提高總體經濟效益。電站的建成只是開始,如何安全運行、維護電站,實現電站的高效穩定運行是關鍵。基于此,《磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術與工程應用》編委會編寫的《磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術與工程應用》一書,聚焦于電池儲能電站的運行與維護系統的管理技術方案。該書共分8章,主要內容包括:電化學儲能發展概述、鋰離子儲能電池、電池管理系統、電池預制艙、儲能電站防火設計、消防系統施工與驗收、運維檢修與應急處置以及工程應用實踐案例。

1 電池儲能電站介紹

電池儲能電站是用大批蓄電池,把谷期中電網富余的電能儲存起來集中高效運轉,在峰期再重新送回電網,緩解供電緊張局面的設施。電力系統中配置電池儲能電站,不僅可以提高電網的調峰能力,實現深度調峰,而且具有占地面積小、反應時間快等優點,提升了電網的負荷承載,可為電網安全穩定運行提供重要的支撐。

最常見的儲能電站是抽水型儲能站,但該設施對場地要求較高,建設周期較長,因此發展受到了一定的制約。電池儲能技術經過多年的發展,取得了實質性的突破,尤其在成本方面。據行業分析,鋰離子電池成本未來會繼續下降。當前電網側的儲能技術仍處在發展中,標準化、規范化程度低,且構成復雜,雖然發展前景可觀,但道阻且長,尤其是電池儲能電站的現場運行、維護、檢修及在線監測技術,仍需不斷完善,以確保電網安全穩定運行。

2 儲能電池及管理系統

電能儲存的方式主要分為4種:電池型儲能、電感器型儲能、電容器型儲能和其他類型儲能。電池型儲能相較于其他類型,具有容量大、安裝便捷、安全性高等優點,在儲能系統中應用較廣。儲能電池主要用于調峰調頻電力輔助服務、可再生能源并網、微電網等領域。絕大多數儲能裝置無需移動,因此儲能用鋰離子電池對于能量密度并沒有太高的要求。對于電池材料,要注意膨脹率、能量密度、電池材料性能均勻性等,以追求整個儲能設備的長壽命和低成本。

完整的電化學儲能系統主要包含儲能單元和監控與調度管理單元。儲能單元包含儲能電池組(BA)、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)等;監控與調度管理單元由中央控制系統(MGCC)、能量管理系統(EMS)等構成。電池組是儲能系統最主要的構成部分;BMS負責電池的監測、評估、保護以及均衡等;EMS負責數據采集、網絡監控和能量調度等;PCS負責對儲能電池組的充放電過程進行控制及交直流的轉換;監控系統幫助工作人員通過指標分析統計,自動運算分析結果,包括趨勢分析、電池預警分析等。

電池組是通過多只電芯串聯或并聯組成的,多個電池組再通過串聯組成電池簇,每簇電池組均配備一套BMS,以實現對電池組高效使用的目的,同時通過合理調配,處于最佳運行狀態。BMS安裝于儲能電池組內,主要對內部的各項指標進行管理監測,包括電池組的模塊電壓、電池容量、溫度等。對這些性能指標數據進行實時監測,可以及時了解、評估運行狀態,實現對電池的充放電管理,使電池處于最佳狀態,最大限度延長使用壽命。儲能電站的監測系統包括電池、BMS、PCS、空調、消防、安防、氣體監測和其他設備等,每個設備遙信、遙測的數據各有不同,接入工作挑戰較大。很多電站在郊外,只能依靠3G/4G信號,對信息傳輸和時效性有很大的挑戰。當前,數字技術、物聯網、大數據、區塊鏈等高新技術的發展,為儲能電站的監控系統提供了技術支撐。借助數據信息的力量,實時監控電站狀態,并多途徑實時通知,可幫助工作人員快速預警、排除故障,實現少人值守甚至無人值守。

綜上所述,BMS與變流器和儲能電站調度系統有信息交互關系,BMS給PCS發送重要的狀態和監測信息,確定電力交互情況。BMS只有通過前期的準確監測和評估,才能實現高效管理及系統的高性能、長壽命和安全運行。準確監測和評估是實現電池系統高效管理的前提。準確監測要基于靈敏的感知能力,因此BMS內每個區域都設置了傳感器,此外,還對監測結果進行實時診斷和校驗,一旦出現異常,會啟動故障報警,以確保BMS的感知能力始終處于靈敏狀態。

3 電池預制艙及其防火設計

磷酸鐵鋰鋰離子電池預制艙當前在國內外應用十分廣泛,具有安裝便捷、可靈活移動、占地面積小、建設周期短的優點。預制艙式磷酸鐵鋰鋰離子電池儲能電站以電池預制艙和磷酸鐵鋰鋰離子電池作為基本儲能單元的電化學儲能電站,主要由磷酸鐵鋰鋰離子電池模塊、艙體、支架和空調、通風、消防等輔助設施組成,一般采用集裝箱作為外圍護結構,在工廠內預制成一體,并進行現場安裝。近年來,儲能電站的消防安全引起了全社會的關注,保障儲能電站的消防安全成為儲能行業發展中亟待解決的課題。電池預制艙最大的防火隱患是艙內電池模塊的過充,因此電池預制艙進行防火設計時,要全方位、多角度并在大量的試驗基礎上進行。電池模塊要包括管理和保護裝置等部件;電池殼體應采用阻燃材料,且電池模塊的外殼設計應匹配固定自動滅火系統的相關技術指標;電池模塊成組前要確保電壓、電流等重要參數的一致性;電池簇結構設計時應考慮在觸電、短路或緊急情況下迅速斷開回路,進行事故隔離等。

對于電池預制艙火災防控來講,早期預警可以最大限度降低危害后果,因此,磷酸鐵鋰鋰離子電池預制艙火災探測報警聯動實行三級分級機制,即火災預警、感煙火災探測器預警和火災報警。對于預制艙式磷酸鐵鋰鋰離子電池儲能電站的防火設計,則要重點關注儲能電站中構筑物的耐火極限及電池預制艙之間的防火間距。

當前,隨著儲能電站規模的不斷擴大,為提高電站運營的經濟性,同時考慮土地資源節約問題,預制艙的成組布置應運而生。由于電池預制艙屬于帶電設備,火災發生后儲能電池在艙內燃燒,現階段消防救援采取的策略為“先斷電后滅火”,因此電池預制艙在成組布置時,不僅要考慮最大限度避免預制艙之間的火災蔓延,還要保留足夠的消防救援空間。

4 電池儲能電站的管理及開關柜的在線監測

電池儲能電站的整體運行管理是一個系統工程,需要不斷積累運行數據,不僅是對核心組件的監測管理,還包括儲能電站內其他相關設備的安全巡檢,如突發事故及火災處理,高壓斷路器、電流互感器、電力電纜、開關柜等設備的安全監測及維護。這些非核心組件的安全運行管理,對電池儲能電站的整體運行同樣具有不可忽視的作用。實際工作中,傳統的依靠人工進行巡檢及運維的方式很難提高工作效率,因此,智能化的線上運維和實時監測系統不斷被普及運用。

開關柜,又稱成套配電裝置,主要用于在電力系統中接受和分配電能。開關柜在運行過程中出現故障,會直接影響電站的正常運行。開關柜故障中較常見的是局部放電,會導致電氣設備的某些絕緣體被破壞,從而導致開關柜發生異常。實時監測開關柜在運行過程中的局部放電情況,可發現開關柜內部潛在的絕緣缺陷。開關柜局部放電在線監測系統采用模塊化處理,便于安裝和拆卸,整個系統由監測前端、智能監測終端、便攜式診斷中心等部分組成。智能監測終端可適配多種傳感器,傳感器接收到的局部放電脈沖信號直接以最短的距離進入檢波模塊,完成對數檢波后,進入采集卡就地數字化,通過無線或有線通訊網絡組合成整站監測網絡,構成分布式監測系統。

總之,電池儲能電站整體運營管理的智能化手段還有待提高,數字化運維系統也在不斷開發和進步。合理的運維管理方式不僅能規避安全風險,還可以延長電站的壽命,助力儲能電站的整體運行管理,推動儲能電站管理規范化、高效化、便捷化發展。

5 結語

《磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術與工程應用》一書在大量試驗的基礎上,提出了磷酸鐵鋰鋰離子電池儲能電站防火和滅火技術方案,并進行了工程應用。該書適合磷酸鐵鋰鋰離子電池儲能電站規劃設計、施工驗收、運行檢修、應急救援領域的工程技術人員和儲能電站消防上下游企業、科研單位研發人員,以及高等院校從事電化學儲能與應用的師生閱讀。

書名:磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術與工程應用

作者:《磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術與工程應用》編委會編

ISBN:9787519851026

出版社:中國電力出版社

出版時間:2020-12-11

定價:￥45.00元