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在國家“雙碳”戰(zhàn)略下，以光伏、風電為代表的新能源蓬勃發(fā)展，隨著光伏、風電大量的接入，電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰資源需求急劇上升，儲能系統(tǒng)在解決新能源消納、增強電網(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。電化學儲能鋰離子系統(tǒng)，由于部署環(huán)境要求低，適用場景多，其應用規(guī)模正在快速增長，在大規(guī)模應用的同時，儲能電站的安全問題也引起人們的普遍關注。

新能源電源側儲能、電網(wǎng)側儲能、大型離網(wǎng)和微網(wǎng)儲能電站，常采用集裝箱式儲能，數(shù)萬支電芯通過串/并聯(lián)的方式，安裝在集裝箱內(nèi)，鋰離子電池正負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，絕緣材料在高溫下有可能碳化，變成導電材料，隔離開關在高壓下也可能擊穿，功率器件開關管，在反向高壓，浪涌沖擊下，也有可能非正常導通。在長期數(shù)千次的充放電循環(huán)中，尤其是過充過放過溫狀態(tài)下，有可能造成電芯短路故障，局部失控，其中任何一個電芯出現(xiàn)安全問題，如果沒有嚴密的安全防護措施提前應對，都可能引起系統(tǒng)的連鎖反應，造成爆炸事故。

增加絕緣材料和強度，構建儲能電站的銅墻鐵壁，有可能解決儲能電站的安全問題，但會增加電站的成本，不利于儲能的大規(guī)模推廣應用。集裝箱式儲能的安全問題，需要從系統(tǒng)方案、材料選型、安防設計等多方面著手，才能綜合兼顧安全和成本兩個重要指標。目前儲能電站采取的主要安全技術和措施有：新型模塊化儲能技術，氣凝膠隔熱絕緣材料，傳統(tǒng)的電氣保護、熱管理和高效消防安全系統(tǒng)等。

1、模塊化儲能技術

第一代鋰電將電池PACK簡單串聯(lián)成簇，第二代鋰電在一代鋰電的基礎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險、簇間放電不均流、梯次電池無法混用等一系列問題無法徹底解決，給鋰電的安全穩(wěn)定應用打上了問號。新型模塊化儲能，每一個電池模組對應一個BMS電池管理系統(tǒng)，配備的電氣物理雙隔離、故障模塊自動退出、電池絕緣失效預警等多重功能，保障了鋰電池的安全性和可靠性，模塊自適應主動均流，支持梯次電池混用和不同品牌電池混用，分期擴容及分鐘級維護，一舉解決了鋰電池諸多應用難題。

2、氣凝膠（Aerogel）

氣凝膠是一種具有納米多孔網(wǎng)絡結構、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，成為動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。模組層面的安全設計主要是隔離，也就是通過隔離對問題單體“分而治之”，這就是模組的隔熱隔火設計。模組熱失控管理主要依靠單體電池之間的氣凝膠實現(xiàn)。氣凝膠通過PET封裝，整體導熱系數(shù)小，可以很好的延緩單體之間的熱量傳遞，通過將個別出現(xiàn)問題的電芯隔離，杜絕影響給其他單體電芯，從而保障了電池模組層級的安全。

3、儲能電站電氣保護

儲能電站的保護分區(qū)：直流側分為直流儲能單元保護區(qū)、直流連接單元保護區(qū)和匯流區(qū)；交流側分為交流濾波保護區(qū)和變壓器保護區(qū)。相鄰保護區(qū)之間存在相互重疊的部分，保證了所有電氣設備均在保護范圍內(nèi)。保護區(qū)的劃分與繼電保護的配置密切相關，一方面保護區(qū)內(nèi)電氣設備的類型不同，發(fā)生故障后的電氣量及非電氣量的特征不同；另一方面，相鄰保護區(qū)間配合隨著保護區(qū)劃分的不同也存在巨大的差異。因此，儲能電站保護的配置及配合都建立在保護分區(qū)的基礎上。

直流儲能單元保護配置：過欠壓保護、熱保護及過流保護、電壓電流變化速率保護、充電保護；直流連接單元保護配置：配置熔斷器、低壓直流斷路器、低壓直流隔離開關及中跨電池保護，對于多儲能單元，直流連接單元盡量分開連接，避免發(fā)生故障時損失更多的供電容量；雙向變流器（PCS）保護配置：輸入及輸出側過欠壓保護、過頻及欠頻保護、相序檢測與保護、防孤島保護、過熱保護、過載及短路保護。


4、鋰電池熱管理

為了滿足項目現(xiàn)場地環(huán)境條件及系統(tǒng)運行工況下，電池組及配套設備的正常使用，集裝箱通過以下幾個方面進行熱管理控制，主要含空調(diào)、熱管理設計、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備的正常運行。

集裝箱內(nèi)的溫度控制方案如下：通過溫度探頭實時監(jiān)測集裝箱內(nèi)各設定點的溫度，當設定點的溫度高于空調(diào)的設定啟動溫度時，空調(diào)運行制冷功能，并通過特制的風道對集裝箱內(nèi)部進行降溫，溫度達到設定值的下限時，空調(diào)停止工作。當設定點的溫度低于空調(diào)的設定啟動溫度時，空調(diào)運行制熱功能，并通過特制的風道對集裝箱內(nèi)部進行升溫，溫度達到15℃，空調(diào)停止工作。

鋰電池在運行過程中由于內(nèi)部電化學反應存在和環(huán)境溫度升高的影響，會提升電池的內(nèi)腔溫度而使反應加??；而在高寒地區(qū)，由于環(huán)境低溫的影響，也會降低電池內(nèi)的反應速度。前者可能導致熱失控而使電池提早失效并產(chǎn)生安全問題，后者也會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，同時還會釋放大量有毒有害氣體，因此安全隱患更大。撲救鋰電池火災時，一要及時撲滅明火，避免火災快速蔓延；二要降低熱失控反應速率，使鋰電池內(nèi)部熱失控反應產(chǎn)生的熱量有序釋放 ；三要持續(xù)降低鋰電池溫度，避免鋰電池火災發(fā)生復燃和快速蔓延。

集裝箱內(nèi)集成消防裝置，多采用不低于三級的架構，包括預警、告警和動作，消防系統(tǒng)的裝置，包含探測控制器，消防控制箱、聲光報警鈴/燈、溫度及鹽霧傳感器、全氟己酮氣體滅火裝置。探測控制器的安裝原則應選擇靠近電池組位置，結合實際機架的結構，可以選擇電池柜上頂部空間進行安裝。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到高溫火災故障信號，集裝箱可通過聲光報警和遠程通信的方式通知用戶，同時，切掉正在運行的鋰電池成套設備。30S后消防裝置釋放全氟己酮氣體滅火。集裝箱內(nèi)逃生門上需要顯著的指示：消防警示信號響起后請30S內(nèi)離開集裝箱。

氣溶膠自動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域突破性產(chǎn)品?；馂陌l(fā)生時，及安盾消防熱氣溶膠自動滅火裝置通過電啟動或感溫啟動方式引發(fā)滅火藥劑發(fā)生作用，迅速產(chǎn)生大量亞納米級固相微粒和惰性氣體混合物，以高濃度煙氣狀立體全淹沒式作用于火災發(fā)生的每個角落，通過化學抑制、物理降溫、稀釋氧氣多重作用，快速高效撲滅火災，對環(huán)境及人員無毒害。

氣溶膠還能夠做到三級防火保護，以電池簇為防護單元，采用集中式氣體探測采樣分析，通過預設在每個PACK箱內(nèi)的探測器，實時探測鋰電池內(nèi)部化學成分的變化，由芯片對各種參數(shù)的變動情況進行分析計算，對電池箱內(nèi)的電芯進行有效的火災較早期抑制防控，以阻止鋰電池熱失控擴展及儲能柜爆炸。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（第一級防護），電池從內(nèi)而外滅火是最有效的滅火方法，可以令熱失控損失減至最低；二是電池機柜消防：將氣溶膠安裝于電池柜，防護空間3m，可有效撲滅電池柜內(nèi)第二次復燃或電氣起火（第二級防護）；三是儲能集裝箱消防：集裝箱內(nèi)可以安裝氣溶膠組來作為全體防護，作為整箱火情的抑制（第三極防護）。有了第一級和第二級防護，第三極防護啟動機會大幅減低，提高整體消防安全性。

作者：劉繼茂 郭軍

原標題：集裝箱式儲能安全設計