产业报告：英国住宅储能系统安全风险分析（四）

充电器/逆变器提供了与电网源的连接点，因此提供了关键的安全性能和功能。

提供的安全功能包括：

•交流电源的过压、浪涌保护。

•电流监控和过流保护。

•短路保护。

•热保护（功率设备或风扇故障等）。

•防孤岛。

“防孤岛”功能可以确保在电网供应中断的情况下，电池储能系统不会尝试将电力反馈到网络上。这具有重要的电能质量和安全影响，可以通过隔离和关闭系统来解决。

提供的性能和功能包括：

•电网欠压或过压检测和保护。

•电网欠频或超频检测。

•电源/防孤岛丢失。

•EMC滤波（可能在逆变器外部）。

提供这些性能功能是为了确保维持电能质量，并且如果电力供应中断，本地的储能系统/发电系统不能在“孤岛”模式下运行。这种防孤岛功能既是一种性能（电能质量），也是一项至关重要的安全功能，因为它确保分布式电源与电网安全断开。

第7节中涵盖的安全标准适用于充电器/逆变器。通常情况下，在这些简单的DC到AC（例如太阳能发电设施）应用中使用的逆变器是“无变压器”的，这意味着该单元的DC-DC侧和AC逆变器侧之间没有物理分离。与其相反，安全隔离是通过隔离交流逆变器的控制（例如IGBT类型设备的栅极信号）以及电压和电流传感器来提供的。与控制器的通信（例如通过CAN或以太网）也可以完全隔离，但为清楚起见，从下面的框图中省略（参见图5）。

电池储能系统中使用的逆变器/充电器可以在具有变压器隔离的全桥模式下运行，从而允许从电池到电网以及从电网到电池的双向传输和转换。

大多数电池储能系统产品旨在用于并网应用，因此提供交流电源输出。一些商业电池储能系统（例如Moixa）可以替代，并提供低压直流电源，为照明目的提供直流电源。

图5典型电源转换子系统的框图

对于作为“仅储能”提供的电池储能系统，逆变器的选择是储能系统设计人员的责任。其安装比使用上个集成电池储能系统解决方案更复杂，因为电池和逆变器之间的直流侧的布线和保护都在两个产品的外部。用于这些应用的逆变器可提供5～10年保修服务。

本报告没有深入讨论逆变器内部的故障机制。然而，鉴于电池单元代表低阻抗源，存在高电流流动和火灾风险的可能性。

电池管理系统(BMS)通过监测充电和放电电流以及潜在短路引起的过电流，提供了限制电源转换子系统(PCS)输入电流的主要机制。许多电源转换子系统(PCS)使用根据IEC/EN62109第1部分和第2部分等标准设计的逆变器。这些标准要求进行测试，以验证条款4.4规定的单一故障或异常条件下的安全运行。“在单一故障条件下进行测试”。这定义了适用于第4.4.4.1条详细说明“组件故障测试”的单个故障条件的详细要求——这是通过电路分析和确定相关组件开路和短路的影响来执行的。

第9条涵盖“防止火灾危险”，并规定了旨在降低着火和火焰传播风险的要求。这包括对“耐火”、“有限电源”和“短路和过载保护”的要求。

IEEE发布的有用参考资料“逆变器故障对太阳能光伏系统投资回报的影响”提供了对典型逆变器/PCS故障的有用现场审查。该报告指出，故障的主要来源（未发现故障除外）是：

•交流接触器(12%)

•风扇(6%)

•IGBT或类似产品(6%)

•PSU(5%)

•交流保险丝(4%)

直流输入保险丝占故障的2%。

8.4、控制子系统

控制器负责电池储能系统的整体操作，以响应来自各种不同来源的输入：

•直接监测流入或流入电网的交流电流（通过最终仪表）。

•为控制和保护功能监测交流电压和频率。

•监测电池的直流电流/电压或充电状态。

•健康状态（例如温度警报等）。

•配置文件或控制器策略（例如存储太阳能发电系统产生的多余能量、通过在非高峰期购买低成本能源并在高峰时间使用存储的能源来转移高峰负荷、电网平衡和交易（电价套利）或备用电力系统。

•通过CAN或以太网（以及随后的无线）进行通信，主要是监控。

•逆变器/充电器的设定点控制（包括利用太阳能光伏系统的最大功率点跟踪，MPPT）。

充电器/逆变器可以提供一些保护监控功能（特别是与电网接口相关的功能）。

控制器构成电池储能系统的核心，在许多情况下将是制造商的主要知识产权。

该控制器通常也被描述为电池管理系统（与可能嵌入电池本身的任何功能不同的单独功能）。控制器执行整体电池监控、如上所述根据刺激的操作控制、能量平衡管理（电网和到家庭负载）、保护和警报以及通信。控制器将根据所选策略和操作模式优化电池的充电状态，以最大限度地延长电池寿命或可用性。例如，针对自耗优化的系统可能允许低至30%的充电状态，其中30%的存储能量被保留用于潜在的输出到电网，而仅允许充电状态为70%的系统因此针对电网可用性进行了优化。

通过电流钳提供电流监控。所有系统都提供一个用于进出电网的电流钳。与预安装的太阳能发电系统集成或集成PV面板DC电源的系统可以配备额外的电流钳以监控太阳能发电系统。

8.4.1、外部接口和通信

数据通信是电池储能系统的关键部分。提供了安装人员和配置的访问权限、OEM的远程监控和值班，以及最终用户通过移动设备或其他客户端进行的远程跟踪。

骨干通信可以通过有线以太网连接到路由器以提供互联网访问，或者无线通信可以由外部接入点提供，也可以通过专用的Wi-Fi模块在内部提供。后者引入了一定程度的合规复杂性，因为完整的电池储能系统随后成为“无线电设备”，安全、频谱和EMC都将根据欧盟无线电设备指令(RED)进行评估。

鉴于已经为汽车市场开发了许多技术，控制器局域网(CANBus)可用于内部通信和协调。该接口也常用于工业规模的电池储能系统，但不太可能用作住宅系统的外部接口。

一些电池储能系统中包含蜂窝通信模块(2G/3G)。

8.4.2、显示和人机界面

一般来说，住宅电池储能系统产品以安装在各种位置，包括外部或车库位置，从而最大限度地减少对本地显示或操作的需求。

所有产品都包括一个通信接口，该接口可以是有线的或包含本地无线接入点。对产品配置和应用程序选择（用于系统集成商）的访问可以通过基于Web的应用程序或托管在基于IOS或Android的设备上的移动应用程序进行。安装后的制造商提供对安装基础的远程监控，包括使用模式。虽然超出了本报告的范围，但交换了大量的用户数据和行为模式，并且对网络安全和漏洞的考虑必须成为主要关注点。

一些产品包括用于本地/远程选择和电源的面板安装开关。大多数产品都包含某种形式的简单状态指示，涵盖通信活动等内容。

8.5、辅助子系统

8.5.1、通风和冷却

按照制造商的建议安装电池储能系统对于确保可靠运行非常重要。这将包括有关选址和位置的指导（例如内部/外部、墙壁或地板安装和环境条件）以及设备周围所需的间隙，以确保足够的通风。所有被调查的单元都在外壳内包括某种形式的开放式通风。

冷却可以通过风扇辅助空气冷却提供，其结构和布局针对自然烟囱效应进行了优化，并确保空气在电池和充电器/逆变器上的最佳流动。一些受访的制造商进行了热调查并对其产品内的热流进行了建模。

包括Tesla Powerwall在内的大型住宅电池储能系统采用内部液体冷却系统和热交换机制。

此外还有一些维护注意事项，包括清洁通风口/风扇或检查密封系统，必须作为制造商安装和操作手册的一部分记录在案。

8.6、电池储能系统的安装

电池储能系统制造商还可以通过只允许合格的安装人员并就以下方面提出建议来降低可能发生的危险事件的风险：

•安装位置。

•建议将单元之间和系统之间与可燃材料分开。

•火灾探测要求/灭火要求。

•通风要求。

伦敦消防队也表达了他们希望看到电池储能系统安装登记、住宅电池储能系统位置标准化以及随时可用且可见的电池储能系统关闭开关的愿望。

8.6.1、保护

英国应用的电池储能系统必须按照英国接线规定（BS7671:2018或IET接线规定）安装。虽然法规在2017年进行了更新，但它们不包括电池储能系统安装特定章节。

在没有电池储能系统特定覆盖范围的情况下，BS7671:2018第712节涵盖了太阳能发电系统，这个是一个有用的参考。此外，IET储能系统操作规范提供了更具体的信息。

集成电池储能系统环境中的保护包括内部保护功能，例如电网保护和隔离以及外部保护——例如安装组件。

如果安装了单独的电池和电源转换系统，或者太阳能发电系统将与电池储能系统集成，则所有用于直流的保护和开关设备必须具有适当的额定值，并且能够处理双向电流（在充电和释放）。

第8.4节中描述的系统控制器在电池母线级别提供电池监控和管理。虽然单个电池模块将在电池/组级别包含电池管理系统(BMS)，但完整的储能系统将包括多个电池模块或可扩展，允许随着负载需求的增加添加额外的电池。

对于包含多个电池模块的BESS，连接方式（硬接线母线或电缆分配）和互连方式（插头和插座、预编码电缆或接线端子）需要仔细考虑。在任何情况下，安装说明都必须提供有关如何安装和互连电池的明确说明。

双极电池隔离器可以作为BESS控制面板的一部分或单元内部。这通常位于靠近电池（或多个电池）的物理和电气位置，并将直流电源隔离到逆变器输入。对于直流母线电压为48V或更低的系统，可以省略隔离器，但对于任何在120VDC以上运行的系统（根据IET接线规定）都是必不可少的。

除了充电器/逆变器提供的任何电子过流保护外，还应提供直流保险丝（或其他合适的保护装置，例如MCB或MCCB）形式的电池保护。

住宅电池储能系统可用作独立系统或与太阳能发电设施配套使用。而配套使用需要对安装进行额外考虑。

•对于先前安装的太阳能发电系统，所有必需的直流隔离和交流隔离以及与电网（用户侧）的连接都已经到位。

•对于由专用太阳能发电系统补充的电池储能系统，电池储能系统可以作为公共连接点，因此可以为光伏模块包含额外的直流隔离（因为太阳能发电系统无法关闭）和路由以启用电池充电或太阳能发电设施由普通逆变器管理。

太阳能发电系统的直流隔离可以是单独的，也可以作为逆变器的一部分包含在内。单独隔离是可取的，因为它使功能清晰可见。

电缆标识和颜色编码应遵循IET布线规则(BS7671)的建议，该规则又参考EN60445:2017“人机界面、标记和识别的基本和安全原则”。设备端子、导体终端和导体的识别。直流电缆的颜色编码（棕色为正极，灰色为负极）通常辅以字母数字标记，以避免与交流接线混淆。

交流接线应按照BS7671:2018标准和以下电缆尺寸和类型要求进行安装。必须安装专用的交流隔离器，以隔离电池储能系统的交流电源和逆变器的交流输出。该隔离器可以是单个单元。

交流电源连接到消费单元上的专用MCB或RCBO。所有保护和隔离组件必须符合BS7671:2018中列出的相关电气设备标准，并将列在电气安装证书(EIC)上。

应该注意的是，最新版本的BS7671:2018建议在家庭安装中使用电涌保护装置(SPD)。该标准的第534节涵盖了这一要求。

8.6.2、仪表

包含太阳能发电设施的系统还可能包括一个单独的发电/输出仪表。对于为“自用”而设计的系统，不需要输出仪表。

8.7、储能系统和装置的最佳实践和指南

如第7节所示，有许多可用的标准和正在制定的标准来解决电池储能系统及其安装的安全问题。本节主要基于标准描述了系统的一些风险缓解选择。这些标准确实涵盖了相关风险的主要部分，但仍有一些领域可能被遗漏。近年来，一些国家制定了指南，以帮助供应商、安装商和其他厂商制定有关如何全面涵盖系统及其安装安全的指南。以下是三个指南示例，旨在包括有关电池储能的不同方面和风险以及如何显示合规性。

•英国：电能储能系统操作规范，IET标准。

•澳大利亚：最佳实践指南：电池存储设备-电气安全要求。

•德国：锂离子住宅储能系统安全指南。

9、结束语

英国电池储能市场以锂离子电池技术为主，但与其他锂离子电池应用场景相比，市场规模仍相当小。目前，媒体报道英国的电池储能系统的火灾事件很少，但由于储能设备的能量很高，因此需要在努力创建新的研究和标准。

涉及国内锂离子电池储能系统的火灾经验有限。电动汽车和电池储能系统应用在全球范围内的增长需要更好地了解电池在被滥用时的行为。根据近期的一些研究，锂离子电池的主要火灾特性可归纳为以下三个危险类别：

•随着电池组失效和热失控在电池组中蔓延，电池组会产生过多热量，这凸显了设计电池组的必要性，以最大限度地降低故障蔓延风险，并阻止电池/模块之间的火势蔓延。当单个电池开始出现故障时，早期检测和冷却是避免整个系统热失控的关键。

•电池和电池组故障会产生大量气体，这是由于系统升温时压力迅速升高和排气口释放造成的。在包装和系统设计中必须考虑对产生的气体的管理。

•电池起火产生的气体的毒性可能需要考虑通风系统的设计。

从电池到系统设计和系统安装，各个层面的风险缓解都有很多可能性。许多缓解风险和要求都包含在现有标准或正在制定的标准中。以下是有关风险缓解的一些注意事项：

•电池管理系统（BMS）在将电池保持在电压、电流和温度的工作窗口内方面发挥着核心作用。电池储能系统安全标准具有适用于电池管理系统（BMS）的特定要求和测试。

•内部单元故障虽然很少见，但确实会发生。对于结构良好的18650电池，内部事件的故障率估计为千万分之一(0.1ppm)。这意味着每1万个电池储能系统中就有一块电池发生故障（假设一个5kWh电池储能系统包含500块18650电池）。这并不是说万分之一的电池储能系统会发生灾难性的事故。正确的电池储能系统设计和构造应该能够防止电池组故障的蔓延。单个电池故障应该是可控的。

•如果系统设计良好，则应考虑由单个电池引起的热事件的蔓延。这对于缓解风险非常重要，并且将对系统的整体风险评估产生重大影响。控制电池组内的单个电池故障可降低整个系统故障和住宅火灾的风险。适用于住宅锂离子电池储能系统的标准（例如BSEN62619和IEC62933-5-2）包含对电池故障蔓延的评估。

一些适用于英国锂离子电池储能系统的标准目前正在制定或最近发布。最近发布的第一版IEC62933-5-2涵盖了住宅储能系统的安全性。在IEC62933-5-2的未来版本中，很可能要求锂离子电池子系统应符合BSEN62619、IEC62485-5（开发中）和IEC63056标准。如果开发这些标准的目的是作为低电压指令或通用产品安全指令下的协调标准，或在其他标准或法规（如BS7671）中引用，它将有助于明确表明符合法规的过程。当前的电池子系统通常仅根据BSEN62619进行测试。