收藏丨关于充电站储能系统安全设计和运行安全措施：
概述：大规模充电设施的投入建设，不仅带来便利和节能，也给电网造成了巨大的冲击，增加了电网的维护和建设成本，储能系统的出现极大的缓解了用电压力，削峰填谷优化了用电结构在缓解配电网压力，提高设备利用率等方面发挥了积极作用。文章对北京公交储能系统安全问题展开研究并提出合理的运行措施。
在能源、交通全面低碳化的大潮中，面对高比例可再生能源和波动性电力负荷带来的挑战，储能是迫切需要突破的瓶颈。储能深度影响能源转型和碳中和的进程，是不可或缺的关键要素，应将发展储能产业上升为国家战略。加快储能有效融入电力系统发、输、用各环节进程，对于保障电力可靠供应与新能源高效利用具有重要意义。
1 储能系统的分类和安全风险
储能电站的建立实现了负荷的削峰填谷，增加了电网调峰能力，同时参与系统调频调压，提高电网安全稳定性。
储能系统主要分为机械储能、电化学储能、热储能、电磁储能、化学储能等类型。其中应用最广泛的为机械储能和电化学储能。机械储能主要包括飞轮储能、压缩空气储能；电化学储能主要包括锂离子电池、铅碳电池、液流电池和钠硫电池；电磁储能主要包括超导储能、超级电容储能；化学储能主要涉及氢储能。不同储能形式所对应的安全风险不同，例如，锂离子电池储能、钠硫电池储能以及氢储能需要重点关注其火灾安全，液流电池储能需要重点关注化学安全，飞轮储能需要重点关注机械安全。
基于锂离子电池储能电站在国内外的广泛布局，本文针对磷酸鉄锂电池、三元锂电池及钛酸锂电池进行性能比较，电池的性能指标分析表如表1 所示。
表1 电池的性能指标分析表
从表中数据可以看出磷酸铁锂电池在安全性、体积能量密度比、循环寿命、使用成本等方面综合优势明显，从目前的应用情况和发展趋势看，长寿命高安全性磷酸铁锂电池是未来主流方向。因此，本篇论文针对电化学储能中应用最广泛的锂电池储能进行安全设计。
2 储能安全发展的现状
随着新能源产业的蓬勃发展，电力资源日渐紧张，储能市场逐渐升温，储能所带来的安全性问题也逐渐凸显。锂离子电池储能电站是国内外布局数量最多的储能电站，自2017 年以来，国外陆续出现30 多起火灾事故，我国境内也曾发生过数起电站火灾，造成人员伤亡或财产等重大损失，引发业界对储能火灾安全问题的关注。2019 年，美国亚利桑那州发生电池储能项目爆炸，直接导致4 名消防员受伤，其中两名重伤；2021 年4 月6 日，韩国光伏电站储能系统起火，烧毁面积达22 m2，共造成约4.4亿韩元（约合人民币258万元）损失；同年4月16日，北京南四环锂电池储能电站发生爆炸，直接导致一名消防员受伤，一名电工失联。面对接踵而来的储能安全事故，研究储能安全成为新能源发展的一个重大环节。
3 公交充电站储能系统安全设计
3.1 公交储能系统概述
本系统主要针对电动公交车的充电特点，通过在充电站配置本系统以达到提高配电设备利用效率、降低变配电投资的目的，同时在电网检修或发生故障时作为备用电源提供一定的应急保障能力，避免因电网或充电设施故障对车辆造成中断运营等影响，以提高充电服务的可靠性。
3.2 公交储能系统结构
公交储能系统接入到变压器低压侧，最大提供500 kW的输出功率，最大存储电量650 kWh。在常规工作状态下，储能系统可由上级监控系统配置为峰谷运行，降低用电成本，实现充电站的经济运行；在电网检修或发生故障时，储能系统可作为后备电源，在离网状态下可支持充电站满功率运行，确保持续为车辆提供服务，如图1 所示。本系统配置有交流侧主电路切换开关，可以实现一套储能系统支持两台变压器。
图1 公交储能系统电气原理框图
站内配备消防预警系统（柜式七氟丙烷），系统具有自动和手动工作模式，可通过客户开关和报警显示器进行切换；能够进行分级预警，手动/自动启动灭火装置。
3.3 公交储能系统的组成
本系统主要由锂电池系统、并网变流器、交流侧切换开关组成。
3.3.1 电池系统
电池系统主要由电池组和电池管理系统构成。电池组采用高安全可靠的磷酸铁锂电池，采用模块化结构，通过串并联形成130 kWh/箱体的电池柜，5 个电池柜并联使得电池组总容量达到650 kWh。电池柜内部配置电池管理系统，可以实时的监控电池的总电压、总电流、单体电压、采样点温度、绝缘、SOC等状态，并具备三级故障机制，根据不同的故障情况，进行告警、限功率、切断主回路等控制，确保电池组始终处于安全工作区间。电池柜具备温度管理功能，在低温情况下，根据电池管理系统指令进行电池组加热；在高温情况下，根据电池管理系统指令进行风冷散热，确保电池工作在合理工作温度区间，提高电池使用安全性和延长电池使用寿命。
3.3.2 并网变流器PCS
并网变流器（PCS）带有隔离变压器、断路器和人机交互系统，具备交直流过压、过流保护、极性反接保护、短路保护、交流过/欠频保护、反相序保护、反孤岛保护、防浪涌功能，PCS 通过RS485与站级监控进行通信实现以下功能。
能量双向流动功能：PCS 可以实现双向充放电功能，既可以工作在有源逆变模式，实现直流到交流的变换，向电网输送电能；也可以工作在有源整流模式，实现交流到直流的变换，从电网吸收电能储存在电池中。
并网/离网运行功能：PCS 具有P/Q 运行和V/f运行模式和模式切换功能，支持微网并网运行、离网运行和并离网切换。
通信接口与监控功能：PCS可通过CAN与BMS（电池管理系统）通信，通过RS485与后台管理系统通信。
3.3.3 主电路切换开关
通过两个带有互锁机构的断路器实现对交流侧主电路的切换控制。断路器带有旋转手柄的联锁装置，如图2所示。两台带旋转手柄的断路器可以通过锁定机构进行联锁，在联锁时，旋转手柄可以加装挂锁。允许一台断路器闭合，另外一台断路器打开。
图2 两个带有互锁机构的断路器
断路器安装有指示触点，可以准确的指示断路器触头的位置，指示触点通过DI 模块将信号传送到后台监控。监控系统根据反馈信号判断储能系统接入的变压器，采集相应支路的负荷信号，控制储能系统协同工作。
3.4 公交储能系统运行安全措施
储能系统的组成如图3 所示。
3.4.1 运行保护监控措施
BMS系统有单体过压和过流、温度保护。
PCS有单体过压和过流保护。
图3 储能系统的组成图
所有电池系统站级监控都可以监测到单体电芯电压和温度，有PCS和BMS故障停机保护。配电低压柜有储能系统反送电保护措施。
3.4.2 运行安全维护措施-
专业人员对储能设备进行周期性外观及环境检查。每月须对消防设备外观、工作状态、线路仪表指示、标示标牌等检查。
每三个月须对灭火剂储瓶压力进行检查，如看表针是否在绿区，如低于绿区应补充氮气至4.2 Mpa。
每年须对灭火剂重量检查、模拟演练灭火启动，进行一次氮气吹洗以清除污物灰尘。
通过站级监控平台对储能设备各项数据进行监测。
3.5 消防预警系统布置方案（柜式七氟丙烷）
本文主要针对650 kW集装箱储能系统的消防系统方案，在靠近电池组位置安装探测控制器，如选择电池柜上顶部空间进行安装，如图4 所示。
3.5.1 柜式七氟丙烷灭火器用量计算
灭火剂过热蒸气在101 kPa 大气压和防护区最低环境温度下的质量体积，应按下式计算：
该集装箱电池室使用七氟丙烷的设计用量：电池室的容积设为89 m3，海拔高度修正系数为1.0，灭火设计浓度为8，防护区最低环境温度设置为20 ℃，则计算出的用量约为60 kg。
3.5.2 锂电储能集装箱消防预警系统方案
3.6 消防系统工作流程
系统具有自动和手动工作模式，可通过客户开关和报警显示器进行切换；能够进行分级预警，手动/自动启动灭火装置；数据备份（黑匣）等功能，如图5 所示。
图5 消防系统工作流程
3.7 消防系统报警触发机制
电芯温度过高触发报警装置BMS 检测到电芯温度达到火警预警值后，且其他传感器都没有报警。消防系统发出声光警报。发出关联指令：向站级监控发出一级火警警报；EMU管理单元及站级平台发出停机指令，使PCS 停机（通过PCS 内部接触器切断与外部电源的连接）。（电池柜是否具备切断与外部的连接，需要与电池厂家协商），如图6所示。
电池柜里消防温度传感器（6 个）、烟雾传感器（2 个）、电池BMS 电芯温度超过火警预设值报警，只要触发一个温度报警及一个烟感报警以上的混合报警，消防系统发出声光警报，进入喷射准备状态。
发出关联指令：向站级监控发出三级火警警报；EMU管理单元及站级平台发出停机指令，使PCS停机（通过PCS 内部接触器切断与外部电源的连接）。
（电池柜是否具备切断与外部的连接，需要与电池厂家协商）。经过约30 s 延时时间（此时防区内人员必须全部撤离），发出灭火指令，电磁铁动作打开驱动瓶阀门，释放灭火药剂进行灭火。放气牌指示灯点亮。场站人员断开储能室的上级开关断电。
图4 锂电储能集装箱消防预警系统方案图
图6 消防报警触发机制消防系统原理框图
当只触发电池仓顶部消防温度传感器（1 个），烟雾传感器（2 个）的报警或者混合报警时，消防系统发出声光警报。发出关联指令：向站级监控平台发出二级火警警报；EMU管理单元及站级平台发出停机指令，使PCS 停机（通过PCS 内部接触器切断与外部电源的连接）。（电池厂家确定电池柜是否具备切断与电池的连接的功能）。场站人员现场判断是否有火情：无火情，则消防系统下电重启，重启后仍报故障，通知厂家人员维修。有火情，用储能室中的二氧化碳灭火器进行灭火，如果火情依旧没法消除，打开电池柜门，人员撤离储能室后，手动启动强制灭火按钮，（此时防区内人员必须全部撤离），发出灭火指令，电磁铁动作打开驱动瓶阀门，释放灭火药剂机进行灭火，放气牌指示灯点亮。场站人员断开储能室的上级开关断电。
当功率仓顶部消防温度传感器（1 个）、烟雾传感器（2 个）有报警或者混合报警，触发警报装置。消防系统发出声光警报，同时发出关联指令。向站级监控报功率仓火警。同时EMU管理单元及站级平台发出停机指令，使PCS 停机，通过PCS 内部接触器切断与外部电源的连接（电池厂家确定电池柜是否具备切断与电池的连接的功能）。场站人员现场判断是否有火情：无火情，则消防系统下电重启，重启后仍报故障，通知厂家人员维修。有火情，用储能室中的二氧化碳灭火器进行灭火，如果火情依旧没法消除，打开电池柜门，打开电池仓与功率仓中间的通道门，人员撤离储能室后，手动启动强制灭火按钮，（此时防区内人员必须全部撤离），发出灭火指令，电磁铁动作打开驱动瓶阀门，释放灭火药剂机进行灭火。放气牌指示灯点亮，场站人员断开储能室的上级开关断电。
手动操作模式：当发生火情时，可按下箱体外手动控制器上的手动启动/强制启动按钮即可。
紧急停止：自动或手动模式下，当发生火情报警后，在延时时间内发现不需要启动灭火设备进行灭火时，按下手动控制盒上的紧急停止按钮，即可阻止灭火指令发出，停止设备灭火程序。
优先级：强制启动/紧急停止-手动控制-自动控制。无论消防系统处于何种工作模式下，按下强制启动按钮均可启动灭火程序实施灭火。
喷放七氟丙烷气体灭火后，应保持必需的灭火浸没时间，时间不少于30 min。当火灾消除后，应给集装箱通风换气，通风换气时间不少于1 h，未完成通风换气前，现场人员不得进入。
设备灭火使用后，联系厂家加入灭火药剂，调试正常后方可继续使用。
4 结束语
储能电站火灾过程是一个从局部隐患演变故障事件的过程，而安全风险隐患及演变存在于储能电站的设备选型、系统集成、安装调试、运行维护、设施报废等全寿命周期过程任何一个环节。本文针对公交充电站研发了一种新的储能系统安全设计方案，从储能系统的接线、组成、运行安全管理措施及消防触发机制等方面进行细化，目前该设计方案已投入使用，运行状况优异，满足了北京地区储能公交站的发展需求，合理规划了现有充电站服务方向，对未来北京市新能源业务整体规划与发展具有一定的现实指导意义。
END.
作者：张燕子，欧方浩，孙思佳，王建兴(华商三优新能源科技有限公司，北京通州100100)
来源：《农村电气化》2022年第3 期总第418 期
