中國儲能網(wǎng)訊:2023年4月22日17時56分,甘肅省民勤縣某磷酸鐵鋰儲能電站發(fā)生火災(zāi),造成站內(nèi)1個儲能電池艙燒損,直接經(jīng)濟損失約410萬元。此后,武威市消防救援支隊在《中國設(shè)備工程》發(fā)表《一起儲能電站火災(zāi)事故的分析與研究》(以下簡稱《事故分析》),披露了本次事故的詳細(xì)信息。
圖1:電站火災(zāi)現(xiàn)場照片
1.事故定性 — 磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厥鹿?/strong>
該儲能電站設(shè)有4座集裝箱式儲能電池艙及儲能升壓一體艙。每個電池艙內(nèi)含14個電池簇,每個電池簇內(nèi)裝配25個電池模塊。此次起火艙室為1號電池艙。
圖2:1號電池艙內(nèi)部空間示意圖
依據(jù)報案人對事故現(xiàn)場描述,1號電池艙火災(zāi)前出現(xiàn)“嘭”狀爆炸聲,其后起火部位處有白色煙氣并伴有刺激性氣味,5min后出現(xiàn)黑煙。相關(guān)理論表明,電池組內(nèi)部熱失控時,其內(nèi)部電解液首先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生白色煙氣,此后電池組內(nèi)部出現(xiàn)大規(guī)模短路,導(dǎo)致溫度急劇升高引發(fā)明火,明火點燃相關(guān)可燃物生成黑煙。因此,現(xiàn)場事故描述符合鋰電池?zé)崾Э靥卣鳌?/span>
據(jù)災(zāi)后勘驗結(jié)果,起火電池中指定模塊呈現(xiàn)擠壓變形狀態(tài),其余模塊電池均為鼓脹變形狀態(tài)。相關(guān)理論表明,電池?zé)崾Э剡^程中,起火點模塊電池最先發(fā)生故障,其電解液分解放熱并產(chǎn)生氣體鼓脹和向外噴放,同時,相鄰電池逐漸受外熱相繼產(chǎn)生氣體鼓脹,對內(nèi)部氣體已經(jīng)排空的起火點模塊電池進(jìn)行擠壓,導(dǎo)致其最終呈現(xiàn)擠壓變形狀態(tài)。因此,災(zāi)后勘驗結(jié)果亦符合鋰電池?zé)崾Э赝庥^特征。
最后,經(jīng)過對事故外因的核查,外來火源和供電回路過壓等外因被排除,隨后提取電站內(nèi)部監(jiān)控中心數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)1號電池艙第4簇第12模塊帶動其周圍模塊在火災(zāi)前出現(xiàn)了電壓等指標(biāo)異常變化及BMS告警,這一事實符合該模塊電池最先熱失控后造成周圍模塊相繼受熱短路,最終引發(fā)火災(zāi)的邏輯順序。
綜上,該起火事故最終被定性為磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厥鹿省?/span>
表1 事故前電站監(jiān)控中心后臺記錄的事件
2. 事故分析 — 儲能電站主動安全防控設(shè)備亟待完善
1)BMS未能準(zhǔn)確評估電池狀態(tài)
依據(jù)電站內(nèi)部監(jiān)控中心數(shù)據(jù)(表1),本次熱失控為第4簇第12模塊電池過壓升溫,帶動周圍模塊大面積短路導(dǎo)致。
進(jìn)一步追溯該模塊過壓升溫的原因,該模塊設(shè)計充電時間為2h,而當(dāng)日15時暨事故發(fā)生前兩小時左右,現(xiàn)場測試人員對電池進(jìn)行滿充測試,實際充電時間達(dá)到了3h,是可能導(dǎo)致電池進(jìn)入過充濫用的高風(fēng)險行為。
出于事故防范和安全運營的角度,電站對測試人員操作的安全性應(yīng)配置有效的監(jiān)測,并在發(fā)現(xiàn)不恰當(dāng)操作時給出及時示警。然而,電站BMS只在事故發(fā)生前20分鐘處進(jìn)行了過壓告警,而在事故前兩小時現(xiàn)場人員進(jìn)行超時滿充測試操作時,BMS沒有對超時充電操給出進(jìn)行任何風(fēng)險提示。
從電池機理出發(fā),電池是否進(jìn)入過充狀態(tài)以電池荷電狀態(tài)(SOC)為判定基準(zhǔn),當(dāng)監(jiān)測到電池SOC超過100%時,則可以判定電池處于過充狀態(tài)。
理論上,BMS可以實現(xiàn)簇級SOC評估,但實際工程中其評估誤差往往較高,在實際工程案例中可高達(dá)65%;此外,BMS自身失效率也較高,據(jù)美國電力研究協(xié)會(EPRI)統(tǒng)計,2024年儲能電池故障案例中有29%來自儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)失效導(dǎo)致的操作不當(dāng)。因此在本事故中,BMS可能由于對SOC的評估不準(zhǔn)(低估了電池的SOC),導(dǎo)致電池在超時充電時未能及時給出風(fēng)險提示。
圖3:某儲能電站BMS評估各簇SOC一致性良好的電池時出現(xiàn)近66%的誤差
若電站能實現(xiàn)對電池SOC等電池日常運行指標(biāo)的精準(zhǔn)實時評估,并在相應(yīng)指標(biāo)超限時及時提醒運維人員停止對應(yīng)電池濫用行為,則可極大地降低后續(xù)的熱失控風(fēng)險。
2)BMS未能及時檢出電池早期故障
拋開事故中的人為超時充電因素,第4簇第12模塊電池內(nèi)部缺陷也可能是其在本次事故中率先起火的原因。由于BMS自身的存儲和算力有限,無法基于長周期數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)對電池早期故障的預(yù)警,因此起火點模塊電池在事故前可能已有累積的早期故障(如內(nèi)部活性物質(zhì)損失、內(nèi)短路等)未被及時檢出。
內(nèi)短路是大多數(shù)電池?zé)崾Э氐闹匾?,歷史儲能電站熱失控事故案例中有90%均源自內(nèi)短路。內(nèi)短路從開始出現(xiàn)異常到發(fā)生熱失控會經(jīng)歷數(shù)十到數(shù)百小時,在故障早期會表現(xiàn)電壓曲線上某些特征量的異常。若電站能準(zhǔn)確識別、檢出早期內(nèi)短路電池并及時更換,則可以遏制其最終發(fā)展為熱失控。
3)電站BMS未能及時對熱失控進(jìn)行報警
本次事故發(fā)生前20分鐘,起火點第4簇第12模塊電池已經(jīng)出現(xiàn)升溫,但BMS在當(dāng)時僅僅給出了過壓警告,未對可能導(dǎo)致起火的危險溫升現(xiàn)象作出提示;此外,起火點模塊電池出現(xiàn)過溫后,艙內(nèi)14簇各模塊電池受熱出現(xiàn)了整體溫升現(xiàn)象,BMS也未對該現(xiàn)象及此后的熱失控作任何明確提示。
事實上,目前市場上普遍應(yīng)用的BMS報警往往采用較為粗糙的單一指標(biāo)(如電壓、溫度等)閾值,當(dāng)指標(biāo)超過閾值時觸發(fā)警報,存在報警不及時、不可靠的問題。此外,BMS的溫度感知也常出現(xiàn)失效、溫漂等故障,容易造成誤報漏報。
若能對電池多維信號進(jìn)行復(fù)雜模型分析,在熱失控發(fā)生早期實現(xiàn)報警,則可以指示運維人員及時采取斷電等措施抑制熱失控發(fā)展,最終避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。
3. 事故反思 — 儲能主動安全勢在必行
儲能電站的安全防控體系應(yīng)包含本征安全、主動安全、被動安全三個環(huán)節(jié)。其中,主動安全環(huán)節(jié)貫穿于電站運行維護(hù)階段,通過分析儲能電站運行數(shù)據(jù),實時評估電池安全狀態(tài),識別和定位安全風(fēng)險隱患,通過主動運維措施,可及時排除故障風(fēng)險,避免嚴(yán)重事故發(fā)生。
然而,目前多數(shù)儲能電站的運行監(jiān)測主要依賴BMS。BMS存在電池狀態(tài)評估精度低、自身失效率高、難以檢出電池早期故障等問題。在本次事故中,BMS自身缺陷正是造成事故的重要風(fēng)險因素。此外,現(xiàn)有儲能電站運維手段也存在不足。定期的被動運維檢修依靠人工檢修,工作量大,效率低下,難以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。
基于這一背景,北京西清能源科技有限公司依托清華大學(xué)四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研發(fā)了一套完整的儲能電站主動安全及智能運維技術(shù),并基于此成功研發(fā)了儲能主動安全一站式預(yù)警系統(tǒng)。自從2020年實現(xiàn)國內(nèi)首臺最大單體儲能電站應(yīng)用以來,目前已累計覆蓋儲能裝機容量超過4.0GWh,單站最大容量超過600MWh。
圖4:西清能源首創(chuàng)的主動安全三級防控體系
針對本事故中因BMS缺陷而造成的各個安全漏洞環(huán)節(jié),西清主動安全系統(tǒng)可以實現(xiàn):
1)電站安全狀態(tài)評估:基于大數(shù)據(jù)-電池機理融合模型實現(xiàn)電池單體級SOC及SOH評估,評估誤差3%,相比電站BMS簇級評估的顆粒度更細(xì),且評估精度相比國標(biāo)要求提升40%,可在SOC越限、電池異常衰竭時及時發(fā)出風(fēng)險告警。
圖5:西清儲能主動安全系統(tǒng)在線安全評估界面
2)電站安全隱患辨識及診斷:基于模式識別算法可對電站內(nèi)存在的安全風(fēng)險隱患—如BMS對SOC評估不準(zhǔn)、傳感器失效、均衡失效以及熱管理系統(tǒng)故障等問題進(jìn)行識別、定位、告警,避免因BMS失效或熱管理系統(tǒng)故障造成電池濫用。在西清儲能主動安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障中,有近75%為BMS故障,13.1%為制冷設(shè)備故障。
圖6:西清儲能主動安全系統(tǒng)歷史檢出電站故障類型統(tǒng)計
基于狀態(tài)評估及異常識別的結(jié)果,融合專家知識及運維現(xiàn)場經(jīng)驗構(gòu)建了故障診斷及智能運維知識圖譜,實現(xiàn)對檢出的風(fēng)險隱患進(jìn)行診斷分析,并提供有針對性的運維措施建議。
圖7:西清儲能主動安全系統(tǒng)的故障分析診斷功能
3)電池早期故障準(zhǔn)確識別及診斷:基于多維健康因子提取、漏電流模型等智能算法準(zhǔn)確識別電池早期故障特征,實現(xiàn)內(nèi)短路電池、異常衰竭檢出準(zhǔn)確率>99%,相比報警算法粗糙、無法實現(xiàn)內(nèi)短路檢出的BMS實現(xiàn)質(zhì)的飛躍,可將熱失控的誘發(fā)早期故障及時檢出并扼殺在搖籃里。
圖8:西清儲能主動安全系統(tǒng)在某儲能電站檢出的內(nèi)短路電池案例
4)熱失控及時告警:基于多指標(biāo)復(fù)雜模式聯(lián)動分析算法,可提前15分鐘以上發(fā)現(xiàn)熱失控征兆,通過采取及時斷電等措施抑制熱失控進(jìn)程,避免事故發(fā)展到消防階段。
表2:西清主動安全系統(tǒng)與BMS的安全防控能力比較
表3:西清主動安全系統(tǒng)評估功能及效用
西清主動安全系統(tǒng)在目前儲能電站主動安全市場上占有率高于80%,已在山東、江蘇、內(nèi)蒙古、重慶多地大型儲能電站獲得實際工程應(yīng)用,守護(hù)超過4.0GWh電站的安全,其中單站最大容量超過600MWh,且已投運于國內(nèi)最大的兩個百兆瓦級儲能電站。
圖9:西清主動安全系統(tǒng)部分應(yīng)用項目分布
4.結(jié)語
2011年以來,全球已發(fā)生大型儲能電站火災(zāi)爆炸事故100余起,安全事故成為阻礙儲能行業(yè)高效穩(wěn)定發(fā)展的首要瓶頸。近年來,國家能源局、工信部、國標(biāo)委等多次發(fā)文要求加強儲能運行安全建設(shè),2023年11月,國家能源局對儲能電站風(fēng)險監(jiān)測能力作出嚴(yán)格規(guī)定,提出“各電力企業(yè)應(yīng)于2024年12月31日前完成本企業(yè)監(jiān)測能力建設(shè),2025年以后新建及存量電化學(xué)儲能電站應(yīng)全部納入監(jiān)測范圍”;此后,廣東省、山東省等地方部委陸續(xù)發(fā)布儲能電站設(shè)計規(guī)范,實現(xiàn)國家方針向地方實踐的逐步滲透。
表4. 加強儲能主動安全建設(shè)的政策號召
2025年2月17日,工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動方案》,明確提出“加強新型儲能各技術(shù)路線熱失控及燃燒爆炸失效機理研究,發(fā)展基于電壓、溫度、荷電狀態(tài)、變化率等運行關(guān)鍵參數(shù)智能傳感器,結(jié)合先進(jìn)算法開發(fā)高精度儲能系統(tǒng)安全故障預(yù)判和診斷技術(shù)、儲能電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)、儲能電池狀態(tài)和殘值評估技術(shù)及相關(guān)驗證技術(shù)”,該方案嚴(yán)密契合將電站安全防控建設(shè)融入日常安全評估、早期故障檢出和重大事故預(yù)警三大環(huán)節(jié),實現(xiàn)安全防控主動、科學(xué)與體系化的實踐要求。
圖10:工信部2月17日發(fā)文細(xì)則
作為國內(nèi)儲能主動安全技術(shù)的領(lǐng)創(chuàng)者,西清能源愿攜手全行業(yè)同仁積極響應(yīng)政策號召,精研覃思,奮楫篤行,助力電化學(xué)儲能主動安全專業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展,推動國家新能源戰(zhàn)略實施和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。