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引言

隨著風能和太陽能等可再生能源在能源結構中所占比例的持續(xù)增長，以及對間歇性和波動性能源接入需求的增加，加之鋰電池成本的降低，鋰電池儲能電站正在新能源并網和電力系統(tǒng)輔助服務等多個領域得到廣泛應用。然而，隨著鋰電池儲能電站建設的推進，國內外關于這些電站的火災事件逐漸增多，引起了公眾對鋰電池儲能電站消防安全的高度關注。因此，本文將對鋰電池儲能電站的火災風險進行深入分析，并探討研究相關的火災預防和應急處置策略。

1、鋰電池儲能電站概述

1.1 鋰電池儲能電站應用

鋰電池儲能電站因其高效率、靈活性和快速響應等優(yōu)勢，成為增強傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經濟性和安全性的關鍵工具，符合能源革命的發(fā)展趨勢，并且其應用在全球范圍內不斷增長。到2020年底，中國新型電力儲能裝機容量已達到3.288吉瓦，預計到2025年將增至3000萬千瓦以上。投運的鋰電池儲能電站將整合到源網荷儲控制系統(tǒng)中，提供調峰、調頻、備用和應急響應服務，滿足電網對可再生能源接納和安全運行的需求，同時在提升能源利用效率和推動綠色能源發(fā)展方面扮演重要角色。

1.2 鋰電池儲能電站組成

鋰電池單體串聯(lián)并聯(lián)形成電池模塊，再串聯(lián)成模塊電池箱，多個電池箱并聯(lián)后置于集裝箱內形成儲能電池艙。多個電池艙與PCS、SVG、總控等系統(tǒng)配套艙組合，構成鋰電池儲能電站。

2、鋰電池儲能電站的火災危險性

2.1 鋰電池單體的火災危險性

1）鋰電池的構造。

鋰電池通常由正極、隔膜、負極、有機電解液以及電池外殼構成，它們能夠適應多種應用場景，并呈現(xiàn)出不同的形狀與結構（如圖所示）。在鋰電池中，負極材料通常采用石墨。電解液的溶劑一般為碳酸酯類，盡管添加劑可能有所差異。正極材料在鋰電池中差異顯著，常見的有磷酸鐵鋰、錳酸鋰以及三元材料等。隔膜的主要功能是隔離正負極，防止電子通過，同時允許鋰離子自由穿梭。鋰電池的充放電過程依賴于鋰離子在正負極之間的遷移（如圖所示）。需要注意的是，鋰電池的電極材料、隔膜和電解液均為易燃物質，其中隔膜的火災風險尤為突出。

幾種形狀的鋰電池結構 鋰電池充放電原理圖

2）鋰電池火災危險性

鋰電池存儲大量能量，存在安全隱患，熱失控是其起火主因。熱失控通常由以下因素引起：內部短路，由于鋰枝晶穿透薄隔膜；過充過放電，導致電池溫度升高和電解液分解；化學反應放熱，電池電壓升高引發(fā)副反應；制造工藝缺陷，如電芯極耳過長或隔膜微孔洞；使用過程中的缺陷，如電池性能不一致或受到物理損害。這些因素都可能引起鋰電池熱失控，最終導致起火或爆炸。

2.2 鋰電池儲能電站的火災危險性

1）鋰電池單體熱失控

鋰電池儲能電站因其復雜的串并聯(lián)配置、大規(guī)模和高功率運行而。但若單個鋰電池發(fā)生熱失控，會通過熱傳導和輻射影響鄰近電池，引發(fā)連鎖反應。由于電池間線路連接，火災蔓延風險增加，可能引發(fā)整個電池艙火災并迅速擴散。

2）電氣故障

電氣故障是導致鋰電池儲能電站火災的主要因素，由于電站內除了鋰電池還有許多附屬電氣設備，這些設備若管理不當，可能導致火災。例如，意外的大電流或高電壓，如雷電和浪涌，可能侵入電站引發(fā)火災。這主要是因為電站內電氣設備集成度高，對大電流和高電壓的防護能力有限，同時電站內通信線路眾多，增加了這些危險因素侵入的途徑。

3）電池管理系統(tǒng)失效

電池管理系統(tǒng)(BMS)在鋰電池儲能電站中至關重要，負責實時監(jiān)控電池狀態(tài)并管理充電放電過程，確保安全運行。若BMS維護不當，可能導致火災。例如，一起火災案例顯示，電站起火后3秒內BMS爆燃，導致電池端拉弧爆燃。檢查發(fā)現(xiàn)，長期超溫導致電氣元件腐蝕、絕緣老化，無法滿足設計要求，影響了監(jiān)測和保護功能。

4）施工維修過程不規(guī)范操作

鋰電池儲能電站由眾多鋰電池單體組成，具有高容量，短路時會產生大電流。不規(guī)范的施工檢修操作可能導致火災。例如，在一個建設周期短的鋰電池儲能電站項目中，由于施工人員長時間工作導致操作失誤，功率線正負極接反，造成電池短路并引發(fā)火災。

3、鋰電池儲能電站的火災防范對策

1）提高鋰電池自身的安全防御

選用質量可靠的鋰電池產品用于儲能電站，避免使用性能退化的退役電池。在電池模塊成組前，篩選單體電池以確保關鍵參數(shù)一致性。安裝先進的電池管理系統(tǒng)(BMS)進行數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控，確保電池效率和安全，同時維持電池工作在合適溫區(qū)并保持一致性。

2）加強儲能電站的建設、維護和管理

鋰電池儲能電站不得建于人員密集、高層、地下或易燃易爆區(qū)域。必須使用符合規(guī)格的設備和電氣線路，確保部件匹配，避免電氣故障。設計需考慮安全保護，滿足防火防爆標準。電池艙應有隔熱阻燃層，使用耐高溫材料，配備防爆排風系統(tǒng)，保持適當防火間距，確保防火分隔和封堵措施。電站應具備消防設施。施工管理要嚴格，確保專業(yè)施工和連接部位牢固。運營期間，需定期由專業(yè)技術人員檢查和維護設備，消除隱患，確保設備安全運行。

3）鋰電池儲能電站火災的盡早探測

火災發(fā)展分為四個階段：初起、發(fā)展、猛烈和熄滅。在初起階段，火勢未蔓延，自動報警系統(tǒng)能及時探測火警并處置，減少損害。目前主要使用感煙和感溫探測器，但它們需等到煙霧和溫度充滿空間后才能預警。采用吸入式感煙探測器可提前報警。針對不同鋰電池燃燒產生的可燃氣體，增設特定氣體探測器有助于早期發(fā)現(xiàn)火情，防止火災蔓延。在每個電池箱內部安裝探測器，能更早發(fā)現(xiàn)故障并精確定位問題電池箱。1870-02111-382

4）鋰電池儲能電站火災的快速抑制

鋰電池儲能站通常使用七氟丙烷自動滅火系統(tǒng)，但該系統(tǒng)無法精準作用于熱失控電池箱內部，僅能撲滅明火。由于鋰電池燃燒不依賴氧氣，傳統(tǒng)滅火方法無效。持續(xù)冷卻對抑制內部化學反應至關重要，以防止復燃。水是有效的降溫滅火劑，但需注意防止觸電，滅火前應斷電。建議使用模塊級分布式細水霧滅火系統(tǒng)，實現(xiàn)點對點防護，及時抑制熱失控引發(fā)的火災。

4、安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)

4.1 概述

安科瑞的Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)專為工商業(yè)儲能電站設計，具備數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、查詢分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理及歷史曲線等功能。策略管理支持多種控制策略，如計劃曲線、削峰填谷等。系統(tǒng)能統(tǒng)一監(jiān)控管理各儲能單元，并與上級調度系統(tǒng)及云平臺進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠和經濟運行。

4.2 應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

4.3 系統(tǒng)結構

4.4 系統(tǒng)功能

實時監(jiān)管

實時監(jiān)控微電網的運行至關重要，它涵蓋了市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及用電負荷等多個方面。此外，監(jiān)控還應包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況以及節(jié)能減排的相關信息。

智能監(jiān)控

實時監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器以及用電設備，以全面掌握微電網系統(tǒng)的運行狀況。

功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)執(zhí)行短期和超短期的發(fā)電功率預測，同時呈現(xiàn)預測的合格率和誤差分析。

收益分析

用戶能夠檢視光伏、儲能以及充電樁三個領域的每日電量與收益數(shù)據(jù)，并且具備切換至年報模式以查看每月電量與收益的功能。

策略配置

主要涉及對微電網系統(tǒng)的構成、基礎參數(shù)、運行策略以及統(tǒng)計指標的設定。策略方面，它包括計劃曲線、峰谷調節(jié)、需量管理、新能源整合以及逆功率控制等關鍵要素。

4.5硬件及其配套產品

5、結語

隨著鋰電池儲能電站的規(guī)模化應用，確保其消防安全已成為發(fā)展的首要任務。鋰電池制造商需加速技術革新，深入研究鋰電池的火災機理，并改進生產工藝，以制造出更安全的電池產品。同時，設計和施工企業(yè)應構建具備高安全保護性能的鋰電池儲能電站，并確保電池安裝過程的安全性。運營企業(yè)則應采用多種火災自動報警探測器進行實時監(jiān)測，以便盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，降低火災風險。此外，必須確保在火災發(fā)生時，通過熟練的預防措施和緊急情況下的有效處置，提高現(xiàn)場應急處理能力，防止火勢蔓延，將災害影響降至低。

參考文獻

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