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储能电站主动安全技术


     


11月22日,北京市应急管理局发布了“4·16”丰台区储能电站起火爆炸事故的调查报告,将事故定性为一起责任事故。爆炸的直接原因是电站南楼的磷酸铁锂电池发生内短路故障,引发电池热失控起火。南楼电池热失控扩散,事故产生的易燃易爆组分通过电缆沟进入北楼储能室并扩散,与空气混合形成爆炸性气体,遇电气火花发生爆炸。


电池内短路故障——储能电池安全的“头号杀手”

调查结果显示,电池内短路故障是引起这起严重事故的直接原因。事实上,从以往的储能安全事故统计数据来看,电池内短路也是诱发电池热失控进而引发燃爆事故的主要原因之一。


电池内短路可由内外两方面因素引起。外部因素包括过充、过流、过温等;内部因素包括电池内部微观尺度上的缺陷,电池在制造过程中引入的瑕疵,或者电池在使用过程中由于使用不当、低温等因素造成负极析锂,使电芯内部产生了枝晶锂,触发电池内短路。我们一般将由内部枝晶引发的热失控称为“自发性热失控”。


从电池制造的角度来看,不管电池制造水平如何提升,都无法完全做到电池100%无瑕疵。即使电芯的内短路概率仅为千万分之一,按照100MW的储能电站装有20万颗电芯计算,每50个百兆瓦储能电站就有可能发生一起事故。


储能电站监控管理系统只能对电池运行数据进行越限报警,但是电池从生长出枝晶到内短路,再发展到热失控的过程往往十分缓慢,外部表现出的电池端电压信号变化并不明显,所以采用“越限报警”的方法很难发现问题。实际上,当电压信号发生明显越限时,电池已经进入不可逆的热失控进程,会在极短的时间内释放大量热量,并在电池间迅速蔓延,引发燃爆。


储能电站主动安全技术

要保障储能电站的安全问题,必须要解决内短路这个“头号杀手”问题。既然难以从电芯本征安全层面去杜绝内短路隐患,就需要通过内短路检测技术进行早中期的在线识别。


针对这个问题,清华四川能源互联网研究院基于多项自主研发的电池主动安全专利技术,开发了一套储能电站主动安全系统。该系统采用实时大数据处理架构,具备百万点数据的采集、存储与分析能力,可以对储能电站的安全状态进行实时评估,并对电站系统进行主动安全三级预警。


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其中电池故障早期预警包含了内短路在线检测功能,基于内短路电路模型计算漏电流大小,进而估算内短路电阻,根据短路电阻的阻值可以进行分级预警。该方法适用于实际储能电站的复杂工况,对于10Ω~100Ω级别的内短路至少可以提前数十小时预警。


image.png                                                       内短路在线识别        


在主动安全三级预警的基础上,该系统可为电站运维提供智能化的辅助服务,包括检修周期优化、劣化单元定位、检修操作推荐、检修记录生成等,支撑电站的主动运维。目前该系统已在北京、河北、江苏等地多个储能电站落地应用,大大降低了储能电站发生严重燃爆事故的风险,提高了储能电站运维管理的安全性。


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