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      集裝箱式儲能安全設計
      日期:2022-04-18   [復制鏈接]
      責任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
      在國家“雙碳”戰略下,以光伏、風電為代表的新能源蓬勃發展,隨著光伏、風電大量的接入,電網的調頻、調峰資源需求急劇上升,儲能系統在解決新能源消納、增強電網穩定性、提高配電系統利用效率等方面發揮的作用日益重要。電化學儲能鋰離子系統,由于部署環境要求低,適用場景多,其應用規模正在快速增長,在大規模應用的同時,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、電網側儲能、大型離網和微網儲能電站,常采用集裝箱式儲能,數萬支電芯通過串/并聯的方式,安裝在集裝箱內,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。在長期數千次的充放電循環中,尤其是過充過放過溫狀態下,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,不利于儲能的大規模推廣應用。集裝箱式儲能的安全問題,需要從系統方案、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,傳統的電氣保護、熱管理和高效消防安全系統等。

      1、模塊化儲能技術

      第一代鋰電將電池PACK簡單串聯成簇,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,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絡結構、并在孔隙中充滿氣態分散介質的固體材料,是世界上最輕的固體。氣凝膠被公認為是世界上已知的質量最輕的固體材料,是新一代高效節能絕熱材料。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,目前已經被電池企業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。氣凝膠通過PET封裝,整體導熱系數小,可以很好的延緩單體之間的熱量傳遞,通過將個別出現問題的電芯隔離,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:直流側分為直流儲能單元保護區、直流連接單元保護區和匯流區;交流側分為交流濾波保護區和變壓器保護區。相鄰保護區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。保護區的劃分與繼電保護的配置密切相關,一方面保護區內電氣設備的類型不同,發生故障后的電氣量及非電氣量的特征不同;另一方面,相鄰保護區間配合隨著保護區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。

      興儲世紀工作人員在項目投運前對儲能設備進行調試

      4、鋰電池熱管理

      為了滿足項目現場地環境條件及系統運行工況下,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、熱管理設計、保溫層等方面,熱管理系統使集裝箱內的溫度能保證電池組及配套電氣設備的正常運行。

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

      鋰電池在運行過程中由于內部電化學反應存在和環境溫度升高的影響,會提升電池的內腔溫度而使反應加??;而在高寒地區,由于環境低溫的影響,也會降低電池內的反應速度。前者可能導致熱失控而使電池提早失效并產生安全問題,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,使鋰電池內部熱失控反應產生的熱量有序釋放 ;三要持續降低鋰電池溫度,避免鋰電池火災發生復燃和快速蔓延。

      集裝箱內集成消防裝置,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,氣溶膠自動滅火系列裝置安裝在電器室內。

      集裝箱內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。集裝箱內逃生門上需要顯著的指示:消防警示信號響起后請30S內離開集裝箱。

      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品?;馂陌l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滅火藥劑發生作用,迅速產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箱內的探測器,實時探測鋰電池內部化學成分的變化,由芯片對各種參數的變動情況進行分析計算,對電池箱內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
       
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      來源:興儲世紀科技股份有限公司
       
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