中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院 李冠贏

根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020年底，中國電化學(xué)儲能的新增投運容量為1559.6MW，首次突破GW 規(guī)模，在全球占比32.98%，累計裝機(jī)容量為3269.2MW，在全球占比為23.03%，其中鋰離子電池累計裝機(jī)容量為2902.4MW，在各類電化學(xué)儲能技術(shù)中占比為88.78%；同時，鋰離子電池系統(tǒng)成本降至1500元/kWh 以下，繼續(xù)推動鋰離子電池儲能裝機(jī)容量的快速增長[1]。

政策方面，中國20多個省市已發(fā)布文件鼓勵或強(qiáng)制要求新能源配套儲能，疊加“雙碳”目標(biāo)，《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書（2021）》保守估計，2021-2025年，電化學(xué)儲能累計規(guī)模復(fù)合增長率為57.4%，市場將呈現(xiàn)快速增長的趨勢[1]，進(jìn)一步助推構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

但是，對待如此成績斐然、未來可期的產(chǎn)業(yè)，我們?nèi)孕柙趯嵺`中保持一份冷靜并承認(rèn)一個事實，即電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)（尤指鋰離子電池儲能產(chǎn)業(yè)）仍處于大規(guī)模應(yīng)用的初期。為了中國電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)的健康長久發(fā)展，盡早建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，以及保障中國人民的生命財產(chǎn)，電化學(xué)儲能電站（尤指鋰離子電池儲能電站）的安全性問題必須引起高度重視并著手解決。

1 鋰離子電池儲能電站風(fēng)險分析

鋰離子電池儲能電站一旦發(fā)生事故，輕則損失數(shù)百萬至數(shù)千萬財產(chǎn)，重則危及生命。韓國靈巖儲能電站起火爆炸，經(jīng)濟(jì)虧損約2600萬人民幣；美國亞利桑那州儲能電站起火爆炸，除了造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還致使4名消防員受傷；中國北京大紅門儲能電站起火爆炸，歷經(jīng)11個小時才將明火撲滅，還導(dǎo)致2名消防員犧牲、1名消防員受傷和1名電站員工失聯(lián)，這是中國迄今發(fā)生的最嚴(yán)重的儲能安全事故。研究鋰離子電池儲能電站風(fēng)險點和風(fēng)險特征，有利于風(fēng)險監(jiān)測、預(yù)警、處理，避免風(fēng)險蔓延擴(kuò)散，將生命財產(chǎn)損失控制在最小范圍內(nèi)。

1.1 電池制造瑕疵和老化

韓國儲能事故調(diào)查報告（以下簡稱“調(diào)查報告”）顯示“充電后休止中”發(fā)生事故的概率極高[2]，占比超過60%，因為該階段電池本體通常處于滿充狀態(tài)，SOC 大于90%，一方面更易受外部濫用影響觸發(fā)熱失控，另一方面電池可能存在局部過充問題，又因為該階段系統(tǒng)通常處于斷路狀態(tài)，外部電氣故障等外部激源觸發(fā)電池?zé)崾Э氐母怕屎艿停栽撾A段發(fā)生事故往往是由電池本體引發(fā)的[3]。電池單體在生產(chǎn)制造過程中，可能存在極片褶皺、涂布不均、金屬污染物顆?；烊?、邊緣毛刺、隔膜孔隙不均等缺陷，均會造成電池安全性明顯下降。

即便在正常的循環(huán)充放電過程中，鋰離子電池也會發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致電解質(zhì)分解、正負(fù)極表面膜堵塞等現(xiàn)象，進(jìn)而影響電池內(nèi)部的電導(dǎo)率、阻抗等參數(shù)，造成電池容量降低、一致性降低等后果，如果再疊加運行環(huán)境惡劣、充放電策略不科學(xué)等因素，會加快電池老化速度，逐漸演化出安全問題。

1.2 電池系統(tǒng)設(shè)計缺陷

電池系統(tǒng)通常由單體電池經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成的電池模塊、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等組成，設(shè)計缺陷會從外部引發(fā)電池?zé)崾Э?。以山西京玉電廠AGC 調(diào)頻儲能電站火災(zāi)事故為例，事故發(fā)生在系統(tǒng)恢復(fù)啟動過程中，主要原因就是BMS 箱體內(nèi)在設(shè)計上采用了螺栓螺母形式的接觸點，但未設(shè)置浪涌保護(hù)裝置，浪涌效應(yīng)引起固定螺栓頂部對BMS外殼持續(xù)放電拉弧產(chǎn)生高溫，進(jìn)而引發(fā)了電池?zé)崾Э豙4-5]。

1.3 儲能電站設(shè)計缺陷

儲能電站一般包含電池系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和土建三個部分。電氣系統(tǒng)主要包括雙向變流器（PCS）、電氣一次部分（變壓器、出線等）和二次部分（中央控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等）[6]。土建主要包括艙體基礎(chǔ)或建筑物及場區(qū)相關(guān)工程。

調(diào)查報告指出，應(yīng)對電氣故障的保護(hù)體系不周也是引發(fā)電站火災(zāi)的重要原因[2]。而且，中國發(fā)生的火災(zāi)事故有半數(shù)以上是電氣故障引起的[7]，電氣故障誘發(fā)電池火災(zāi)概率也很大。調(diào)查報告還指出，BMS、PCS 和EMS 之間信息共享不完備和不及時，PCS 與電池之間的保護(hù)配置與協(xié)調(diào)不當(dāng)、測量裝置及管理系統(tǒng)之間發(fā)生沖突、電池保護(hù)裝置質(zhì)量不佳等問題，可能導(dǎo)致故障無法得到及時有效管控，進(jìn)而演化為火災(zāi)事故。

現(xiàn)有滅火劑，如七氟丙烷、惰性氣體、干粉、氣溶膠，對鋰離子電池火災(zāi)只能滅火效果未得到驗證，降溫效果不佳[7]，而高壓細(xì)水霧、消防水噴淋滅火劑降溫效果好，成本低廉，能凈化廢氣和煙塵[8]，但是撲救時間長，且大量噴淋消防水可能引發(fā)其他部分的短路，造成事故擴(kuò)大。以美國亞利桑那州McMicken 儲能電站火災(zāi)事故為例，盡管早期煙霧探測系統(tǒng)報警30秒后，Novec1230滅火劑按設(shè)計條件噴出，但是此類滅火劑只適用于火災(zāi)初期，并不能防止或抑制鋰離子電池系統(tǒng)的級聯(lián)熱失控。因此，消防滅火裝置的優(yōu)化設(shè)計和新型滅火劑的研發(fā)應(yīng)用對于防范和控制儲能電站火災(zāi)十分重要。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年至2020年世界各國公布的鋰離子電池儲能電站事故共36起，按照服役時間劃分，服役1年及以下電站發(fā)生13起，服役1-2年電站發(fā)生5起，服役2年以上電站4起，未知服役期電站發(fā)生14起，各占比分析情況如圖1所示。這說明如果儲能電站在設(shè)計上存在安全隱患，在投入運行的第1年，安全隱患便會暴露，并進(jìn)一步引發(fā)事故，因此我們需要格外關(guān)注儲能電站投運第1年的運行狀態(tài)，實際驗證其是否存在設(shè)計缺陷，若發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，應(yīng)引起足夠重視。

圖1 2017年至2020年世界各國火災(zāi)事故電站服役期統(tǒng)計

1.4 操作風(fēng)險

對應(yīng)調(diào)查報告中提及的“安裝中（包含調(diào)試、施工與保管）”和“修理檢查中”等操作環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)發(fā)生事故的概率較高[2]，原因是該階段必須人為介入，這不僅牽涉到儲能產(chǎn)品設(shè)計是否人性、安全，還牽涉到施工、調(diào)試、檢修等流程工作是否科學(xué)、規(guī)范以及人員的專業(yè)素質(zhì)、作業(yè)紀(jì)律和精神狀態(tài)[9]是否良好等。目前，中國的儲能行業(yè)制造端參與者眾多、設(shè)計水準(zhǔn)不齊、產(chǎn)品質(zhì)量不一，同時欠缺在鋰離子電池儲能電站施工、調(diào)試、檢修等方面的安全標(biāo)準(zhǔn)，未能科學(xué)指導(dǎo)此類作業(yè)。以江蘇省揚中市用戶側(cè)儲能事故為例，該事故發(fā)生在施工調(diào)試過程中，主要就是由于電池模組正負(fù)極插口未采用差異化結(jié)構(gòu)設(shè)計，且施工調(diào)試的工作制度不合理、不規(guī)范，同時由于大量重復(fù)工序，人員麻痹大意將電池功率線正負(fù)極反接導(dǎo)致的[10-11]。

1.5 運行環(huán)境管理風(fēng)險

調(diào)查報告提出，運營環(huán)境管理不足，水分、粉塵、鹽水等會導(dǎo)致各部件接觸電阻增大、絕緣性能下降等問題，進(jìn)而誘發(fā)電池?zé)崾Э?，發(fā)生火災(zāi)事故[2]。因此，對運行環(huán)境的維護(hù)，也應(yīng)引起重視。

2 鋰離子電池儲能電站安全防范措施

從儲能電站投資運營商的角度出發(fā)，電池系統(tǒng)、儲能電站的設(shè)計均不出自其手，又不是其專業(yè)強(qiáng)項，但是儲能電站一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，卻要蒙受最直接、最嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，因此制定鋰離子電池儲能電站的安全防范措施對儲能電站投資運營商來說顯得尤為重要。本文從4個角度出發(fā)，為儲能電站投資運營商提供鋰離子電池儲能電站的安全防范措施的思路。

2.1 加快制定儲能安全標(biāo)準(zhǔn)

目前，中國電力儲能行業(yè)在電池性能、PCS 性能、儲能電站并網(wǎng)、儲能電站運行評估等方面制定了20余項國家標(biāo)準(zhǔn)，與電動汽車行業(yè)的100多項國家標(biāo)準(zhǔn)相比，電力儲能行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量嚴(yán)重不足；同時相較于國際標(biāo)準(zhǔn)，中國欠缺諸如IEC63056、IEC62485-5、IEC62281和NFPA855等關(guān) 注儲能電池風(fēng)險和火災(zāi)風(fēng)險的專門標(biāo)準(zhǔn)[12-13]。

建議加快制定適用于自身需求的儲能安全標(biāo)準(zhǔn)，將其應(yīng)用于儲能設(shè)備招標(biāo)采購和儲能電站的施工等過程中，除現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)安全要求外，還可著重從以下方面考慮：明確對BMS 功能安全的要求與評估，以及對BMS、PCS、EMS之間協(xié)調(diào)控制的要求；明確對外殼、端子、線纜等關(guān)鍵組件的要求；明確對消防系統(tǒng)和滅火劑的要求；制定儲能電站施工、調(diào)試、檢修等安全操作標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 加強(qiáng)儲能項目安全審查

當(dāng)前，儲能項目多與光伏、風(fēng)電等新能源項目配套規(guī)劃與實施，搶裝并網(wǎng)現(xiàn)象時有發(fā)生，設(shè)計規(guī)范性、設(shè)備質(zhì)量、施工質(zhì)量等有時未加重視，此類情況如果發(fā)生在儲能項目中，發(fā)生事故的概率比光伏、風(fēng)電項目更高，應(yīng)引起足夠重視，可從以下方面著手：

應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對儲能系統(tǒng)加以嚴(yán)格審查，加強(qiáng)對儲能系統(tǒng)（包括電池本體，電氣組件、設(shè)備、系統(tǒng)，BMS 保護(hù)閾值，熱管理系統(tǒng)，消防系統(tǒng)）的風(fēng)險識別與安全評估；

應(yīng)委托具有相關(guān)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)或項目單位的要求，對電池、BMS 等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的抽檢測試，抽檢測試應(yīng)覆蓋電池單體、電池模組、電池簇、電池單元和儲能系統(tǒng)等多個層級，應(yīng)覆蓋成組前、出廠前、并網(wǎng)前和投運一年后等多個關(guān)鍵節(jié)點；

應(yīng)制定儲能電站施工、調(diào)試、檢修相關(guān)的科學(xué)化、人性化的管理制度和操作流程，可規(guī)定在施工、調(diào)試、檢修過程中保持消防系統(tǒng)正常運行，加強(qiáng)對相關(guān)人員的專業(yè)技能培訓(xùn)，同時嚴(yán)格按照相關(guān)制度進(jìn)行監(jiān)督檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時整改。

2.3 建立儲能電站消防安全應(yīng)急機(jī)制

鋰離子電池儲能電站是近年來新興的一種能量調(diào)節(jié)裝置，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，電池狀態(tài)受諸多因素影響，電池內(nèi)部材料層級的安全隱患較難發(fā)現(xiàn)，又因為經(jīng)常安裝在用戶側(cè)，一旦發(fā)生火災(zāi)，可能危及人身安全。但是人們對鋰離子電池火災(zāi)的預(yù)防、預(yù)警和撲救手段，仍存在技術(shù)難題，這就需要建立更加完善和謹(jǐn)慎的消防安全應(yīng)急機(jī)制，盡可能將生命財產(chǎn)損失控制在最低水平，可以從以下方面加以完善：

應(yīng)研究總結(jié)鋰離子電池儲能電站可能發(fā)生的各類事故，并聯(lián)合電力、公安、消防、環(huán)保、醫(yī)療、宣傳等多部門[6]，探討其危害程度、影響范圍，劃分事故等級，以此為基礎(chǔ)，制定相對應(yīng)的事故應(yīng)急預(yù)案；

應(yīng)定期開展儲能電站聯(lián)合消防演習(xí)，提升應(yīng)對此類新型事故的應(yīng)對能力；

應(yīng)建立事故追查制度，查明事故原因，厘清事故責(zé)任，及時開展事故追責(zé)和財產(chǎn)損失賠償工作。

2.4 建立儲能電站風(fēng)險早期預(yù)警系統(tǒng)

鋰離子電池是一種高能設(shè)備，儲能電站一旦發(fā)生火災(zāi)，容易導(dǎo)致火災(zāi)蔓延擴(kuò)散，現(xiàn)有消防手段難以在短時間內(nèi)撲滅和降溫，并且容易發(fā)生復(fù)燃，最終導(dǎo)致整個或數(shù)個電池艙報廢，損失數(shù)百萬至數(shù)千萬財產(chǎn)甚至威脅人身安全。由于現(xiàn)有滅火劑僅對早期火災(zāi)有抑制作用，因此儲能電站火災(zāi)的早期預(yù)警十分關(guān)鍵，可從以下方面加以研究：

研發(fā)基于氣體濃度探測、煙霧探測、激光干擾探測、溫度探測、視頻探測等多維度的高精度傳感系統(tǒng)，尤其需要重視對單體電池表面溫度、CO 和H2的準(zhǔn)確感知，應(yīng)做到發(fā)生事故，立即知曉并投入保護(hù)；

建立儲能電站大數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，通過挖掘儲能電站的海量數(shù)據(jù)，識別電池本體的演化特征，包括內(nèi)短路發(fā)展預(yù)測、容量衰減計算、不一致性發(fā)展評估、絕緣老化發(fā)展評估等，應(yīng)做到提前預(yù)測事故，防范于未然。

3 結(jié)語

近年來，鋰離子電池儲能規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，系統(tǒng)成本快速降低，裝機(jī)容量快速增長，疊加可再生能源發(fā)展和政策支持，在可預(yù)見的未來，鋰離子電池儲能裝機(jī)仍會快速增長。但不斷暴露的安全問題，并沒有因為采用磷酸鐵鋰技術(shù)路線而消失，已成為影響鋰離子電池儲能行業(yè)發(fā)展的重要因素。

本文分析了鋰離子電池儲能電站從電池單體到儲能電站運行存在的各種風(fēng)險，包含：電池制造瑕疵和老化風(fēng)險、電池系統(tǒng)設(shè)計缺陷、儲能電站設(shè)計缺陷、操作風(fēng)險、運行環(huán)境管理風(fēng)險。

同時，有針對性地提出了四個方面的電池火災(zāi)防范措施：加快制定儲能安全標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)儲能項目的安全審查；建立儲能電站消防安全應(yīng)急機(jī)制；建立儲能電站風(fēng)險早期預(yù)警系統(tǒng)。

儲能安全是一個系統(tǒng)工程，從電池本體到儲能電站，從硬件選型到軟件策略再到施工質(zhì)量等都至關(guān)重要，但是從理論上講，儲能安全都能通過技術(shù)和管理手段去解決，因此不必因噎廢食。試想我們都能將核電站控制在足夠低的風(fēng)險水平，儲能電站又有何不能呢？