干货|基于全生命周期理论的储能电站安全分析

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

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。