中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略下，以光伏、風(fēng)電為代表的新能源蓬勃發(fā)展，隨著光伏、風(fēng)電大量的接入，電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰資源需求急劇上升，儲(chǔ)能系統(tǒng)在解決新能源消納、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、提高配電系統(tǒng)利用效率等方面發(fā)揮的作用日益重要。電化學(xué)儲(chǔ)能鋰離子系統(tǒng)，由于部署環(huán)境要求低，適用場(chǎng)景多，其應(yīng)用規(guī)模正在快速增長(zhǎng)，在大規(guī)模應(yīng)用的同時(shí)，儲(chǔ)能電站的安全問(wèn)題也引起人們的普遍關(guān)注。
新能源電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、大型離網(wǎng)和微網(wǎng)儲(chǔ)能電站，常采用集裝箱式儲(chǔ)能，數(shù)萬(wàn)支電芯通過(guò)串/并聯(lián)的方式，安裝在集裝箱內(nèi)，鋰離子電池正負(fù)極之間只有一層很薄的隔膜絕緣，電氣隔離主要依賴絕緣材料和電氣開關(guān)，絕緣材料在高溫下有可能碳化，變成導(dǎo)電材料，隔離開關(guān)在高壓下也可能擊穿，功率器件開關(guān)管，在反向高壓，浪涌沖擊下，也有可能非正常導(dǎo)通。在長(zhǎng)期數(shù)千次的充放電循環(huán)中，尤其是過(guò)充過(guò)放過(guò)溫狀態(tài)下，有可能造成電芯短路故障，局部失控，其中任何一個(gè)電芯出現(xiàn)安全問(wèn)題，如果沒(méi)有嚴(yán)密的安全防護(hù)措施提前應(yīng)對(duì)，都可能引起系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)，造成爆炸事故。
增加絕緣材料和強(qiáng)度，構(gòu)建儲(chǔ)能電站的銅墻鐵壁，有可能解決儲(chǔ)能電站的安全問(wèn)題，但會(huì)增加電站的成本，不利于儲(chǔ)能的大規(guī)模推廣應(yīng)用。集裝箱式儲(chǔ)能的安全問(wèn)題，需要從系統(tǒng)方案、材料選型、安防設(shè)計(jì)等多方面著手，才能綜合兼顧安全和成本兩個(gè)重要指標(biāo)。目前儲(chǔ)能電站采取的主要安全技術(shù)和措施有：新型模塊化儲(chǔ)能技術(shù)，氣凝膠隔熱絕緣材料，傳統(tǒng)的電氣保護(hù)、熱管理和高效消防安全系統(tǒng)等。
1、模塊化儲(chǔ)能技術(shù)
第一代鋰電將電池PACK簡(jiǎn)單串聯(lián)成簇，第二代鋰電在一代鋰電的基礎(chǔ)上增加了部分智能電池管理單元。然而鋰電系統(tǒng)的直流母線高壓與電池絕緣風(fēng)險(xiǎn)、簇間放電不均流、梯次電池?zé)o法混用等一系列問(wèn)題無(wú)法徹底解決，給鋰電的安全穩(wěn)定應(yīng)用打上了問(wèn)號(hào)。新型模塊化儲(chǔ)能，每一個(gè)電池模組對(duì)應(yīng)一個(gè)BMS電池管理系統(tǒng)，配備的電氣物理雙隔離、故障模塊自動(dòng)退出、電池絕緣失效預(yù)警等多重功能，保障了鋰電池的安全性和可靠性，模塊自適應(yīng)主動(dòng)均流，支持梯次電池混用和不同品牌電池混用，分期擴(kuò)容及分鐘級(jí)維護(hù)，一舉解決了鋰電池諸多應(yīng)用難題。
2、氣凝膠（Aerogel）
氣凝膠是一種具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的固體材料，是世界上最輕的固體。氣凝膠被公認(rèn)為是世界上已知的質(zhì)量最輕的固體材料，是新一代高效節(jié)能絕熱材料。氣凝膠兼具阻燃性能高、體積輕及用量少的特點(diǎn)，成為動(dòng)力電池電芯隔熱材料的最佳選擇，目前已經(jīng)被電池企業(yè)和新能源汽車廠家所采用。在電芯之間以及模組、PACK的上蓋采用氣凝膠防火隔熱材料。模組層面的安全設(shè)計(jì)主要是隔離，也就是通過(guò)隔離對(duì)問(wèn)題單體“分而治之”，這就是模組的隔熱隔火設(shè)計(jì)。模組熱失控管理主要依靠單體電池之間的氣凝膠實(shí)現(xiàn)。氣凝膠通過(guò)PET封裝，整體導(dǎo)熱系數(shù)小，可以很好的延緩單體之間的熱量傳遞，通過(guò)將個(gè)別出現(xiàn)問(wèn)題的電芯隔離，杜絕影響給其他單體電芯，從而保障了電池模組層級(jí)的安全。
3、儲(chǔ)能電站電氣保護(hù)
儲(chǔ)能電站的保護(hù)分區(qū)：直流側(cè)分為直流儲(chǔ)能單元保護(hù)區(qū)、直流連接單元保護(hù)區(qū)和匯流區(qū)；交流側(cè)分為交流濾波保護(hù)區(qū)和變壓器保護(hù)區(qū)。相鄰保護(hù)區(qū)之間存在相互重疊的部分，保證了所有電氣設(shè)備均在保護(hù)范圍內(nèi)。保護(hù)區(qū)的劃分與繼電保護(hù)的配置密切相關(guān)，一方面保護(hù)區(qū)內(nèi)電氣設(shè)備的類型不同，發(fā)生故障后的電氣量及非電氣量的特征不同；另一方面，相鄰保護(hù)區(qū)間配合隨著保護(hù)區(qū)劃分的不同也存在巨大的差異。因此，儲(chǔ)能電站保護(hù)的配置及配合都建立在保護(hù)分區(qū)的基礎(chǔ)上。
直流儲(chǔ)能單元保護(hù)配置：過(guò)欠壓保護(hù)、熱保護(hù)及過(guò)流保護(hù)、電壓電流變化速率保護(hù)、充電保護(hù)；直流連接單元保護(hù)配置：配置熔斷器、低壓直流斷路器、低壓直流隔離開關(guān)及中跨電池保護(hù)，對(duì)于多儲(chǔ)能單元，直流連接單元盡量分開連接，避免發(fā)生故障時(shí)損失更多的供電容量；雙向變流器（PCS）保護(hù)配置：輸入及輸出側(cè)過(guò)欠壓保護(hù)、過(guò)頻及欠頻保護(hù)、相序檢測(cè)與保護(hù)、防孤島保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載及短路保護(hù)。
興儲(chǔ)世紀(jì)工作人員在項(xiàng)目投運(yùn)前對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行調(diào)試
4、鋰電池?zé)峁芾?/strong>
為了滿足項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地環(huán)境條件及系統(tǒng)運(yùn)行工況下，電池組及配套設(shè)備的正常使用，集裝箱通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行熱管理控制，主要含空調(diào)、熱管理設(shè)計(jì)、保溫層等方面，熱管理系統(tǒng)使集裝箱內(nèi)的溫度能保證電池組及配套電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。
集裝箱內(nèi)的溫度控制方案如下：通過(guò)溫度探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集裝箱內(nèi)各設(shè)定點(diǎn)的溫度，當(dāng)設(shè)定點(diǎn)的溫度高于空調(diào)的設(shè)定啟動(dòng)溫度時(shí)，空調(diào)運(yùn)行制冷功能，并通過(guò)特制的風(fēng)道對(duì)集裝箱內(nèi)部進(jìn)行降溫，溫度達(dá)到設(shè)定值的下限時(shí)，空調(diào)停止工作。當(dāng)設(shè)定點(diǎn)的溫度低于空調(diào)的設(shè)定啟動(dòng)溫度時(shí)，空調(diào)運(yùn)行制熱功能，并通過(guò)特制的風(fēng)道對(duì)集裝箱內(nèi)部進(jìn)行升溫，溫度達(dá)到15℃，空調(diào)停止工作。
鋰電池在運(yùn)行過(guò)程中由于內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)存在和環(huán)境溫度升高的影響，會(huì)提升電池的內(nèi)腔溫度而使反應(yīng)加?。欢诟吆貐^(qū)，由于環(huán)境低溫的影響，也會(huì)降低電池內(nèi)的反應(yīng)速度。前者可能導(dǎo)致熱失控而使電池提早失效并產(chǎn)生安全問(wèn)題，后者也會(huì)降低電池的充放電能力和效率。
5、集裝箱消防安全
相較鉛酸電池，同體積的鋰電池密度更大，儲(chǔ)存能量更多，爆燃起火后，其火焰成噴射狀，火源溫度也更高，同時(shí)還會(huì)釋放大量有毒有害氣體，因此安全隱患更大。撲救鋰電池火災(zāi)時(shí)，一要及時(shí)撲滅明火，避免火災(zāi)快速蔓延；二要降低熱失控反應(yīng)速率，使鋰電池內(nèi)部熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有序釋放 ；三要持續(xù)降低鋰電池溫度，避免鋰電池火災(zāi)發(fā)生復(fù)燃和快速蔓延。
集裝箱內(nèi)集成消防裝置，多采用不低于三級(jí)的架構(gòu)，包括預(yù)警、告警和動(dòng)作，消防系統(tǒng)的裝置，包含探測(cè)控制器，消防控制箱、聲光報(bào)警鈴/燈、溫度及鹽霧傳感器、全氟己酮?dú)怏w滅火裝置。探測(cè)控制器的安裝原則應(yīng)選擇靠近電池組位置，結(jié)合實(shí)際機(jī)架的結(jié)構(gòu)，可以選擇電池柜上頂部空間進(jìn)行安裝。滅火器裝置采用柜式七氟丙烷滅火器和氣溶膠滅火裝置。其中，柜式全氟己酮安裝在電池室內(nèi)，氣溶膠自動(dòng)滅火系列裝置安裝在電器室內(nèi)。
集裝箱內(nèi)配置全氟己酮消防裝置，煙霧傳感器、溫度傳感器一旦檢測(cè)到高溫火災(zāi)故障信號(hào)，集裝箱可通過(guò)聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程通信的方式通知用戶，同時(shí)，切掉正在運(yùn)行的鋰電池成套設(shè)備。30S后消防裝置釋放全氟己酮?dú)怏w滅火。集裝箱內(nèi)逃生門上需要顯著的指示：消防警示信號(hào)響起后請(qǐng)30S內(nèi)離開集裝箱。
氣溶膠自動(dòng)滅火系列裝置是一種新型熱氣溶膠滅火裝置，是一類具有超高滅火效能和可靠性的消防領(lǐng)域突破性產(chǎn)品?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，及安盾消防熱氣溶膠自動(dòng)滅火裝置通過(guò)電啟動(dòng)或感溫啟動(dòng)方式引發(fā)滅火藥劑發(fā)生作用，迅速產(chǎn)生大量亞納米級(jí)固相微粒和惰性氣體混合物，以高濃度煙氣狀立體全淹沒(méi)式作用于火災(zāi)發(fā)生的每個(gè)角落，通過(guò)化學(xué)抑制、物理降溫、稀釋氧氣多重作用，快速高效撲滅火災(zāi)，對(duì)環(huán)境及人員無(wú)毒害。
氣溶膠還能夠做到三級(jí)防火保護(hù)，以電池簇為防護(hù)單元，采用集中式氣體探測(cè)采樣分析，通過(guò)預(yù)設(shè)在每個(gè)PACK箱內(nèi)的探測(cè)器，實(shí)時(shí)探測(cè)鋰電池內(nèi)部化學(xué)成分的變化，由芯片對(duì)各種參數(shù)的變動(dòng)情況進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)電池箱內(nèi)的電芯進(jìn)行有效的火災(zāi)較早期抑制防控，以阻止鋰電池?zé)崾Э財(cái)U(kuò)展及儲(chǔ)能柜爆炸。一是電池模組消防：根據(jù)電池模組尺寸和電芯容量，將氣溶膠安裝于電池模組，可有效撲滅電芯第一次著火（第一級(jí)防護(hù)），電池從內(nèi)而外滅火是最有效的滅火方法，可以令熱失控?fù)p失減至最低；二是電池機(jī)柜消防：將氣溶膠安裝于電池柜，防護(hù)空間3m，可有效撲滅電池柜內(nèi)第二次復(fù)燃或電氣起火（第二級(jí)防護(hù)）；三是儲(chǔ)能集裝箱消防：集裝箱內(nèi)可以安裝氣溶膠組來(lái)作為全體防護(hù)，作為整箱火情的抑制（第三極防護(hù)）。有了第一級(jí)和第二級(jí)防護(hù)，第三極防護(hù)啟動(dòng)機(jī)會(huì)大幅減低，提高整體消防安全性。
作者：劉繼茂 郭軍
