储能电站火灾风险与防范措施分析

中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 李冠赢

根据中关村储能产业技术联盟的统计数据，截至2020年底，中国电化学储能的新增投运容量为1559.6MW，首次突破GW 规模，在全球占比32.98%，累计装机容量为3269.2MW，在全球占比为23.03%，其中锂离子电池累计装机容量为2902.4MW，在各类电化学储能技术中占比为88.78%；同时，锂离子电池系统成本降至1500元/kWh 以下，继续推动锂离子电池储能装机容量的快速增长[1]。

政策方面，中国20多个省市已发布文件鼓励或强制要求新能源配套储能，叠加“双碳”目标，《储能产业研究白皮书（2021）》保守估计，2021-2025年，电化学储能累计规模复合增长率为57.4%，市场将呈现快速增长的趋势[1]，进一步助推构建以新能源为主体的新型电力系统。

但是，对待如此成绩斐然、未来可期的产业，我们仍需在实践中保持一份冷静并承认一个事实，即电化学储能产业（尤指锂离子电池储能产业）仍处于大规模应用的初期。为了中国电化学储能产业的健康长久发展，尽早建成以新能源为主体的新型电力系统，以及保障中国人民的生命财产，电化学储能电站（尤指锂离子电池储能电站）的安全性问题必须引起高度重视并着手解决。

1 锂离子电池储能电站风险分析

锂离子电池储能电站一旦发生事故，轻则损失数百万至数千万财产，重则危及生命。韩国灵岩储能电站起火爆炸，经济亏损约2600万人民币；美国亚利桑那州储能电站起火爆炸，除了造成巨大的经济损失，还致使4名消防员受伤；中国北京大红门储能电站起火爆炸，历经11个小时才将明火扑灭，还导致2名消防员牺牲、1名消防员受伤和1名电站员工失联，这是中国迄今发生的最严重的储能安全事故。研究锂离子电池储能电站风险点和风险特征，有利于风险监测、预警、处理，避免风险蔓延扩散，将生命财产损失控制在最小范围内。

1.1 电池制造瑕疵和老化

韩国储能事故调查报告（以下简称“调查报告”）显示“充电后休止中”发生事故的概率极高[2]，占比超过60%，因为该阶段电池本体通常处于满充状态，SOC 大于90%，一方面更易受外部滥用影响触发热失控，另一方面电池可能存在局部过充问题，又因为该阶段系统通常处于断路状态，外部电气故障等外部激源触发电池热失控的概率很低，所以该阶段发生事故往往是由电池本体引发的[3]。电池单体在生产制造过程中，可能存在极片褶皱、涂布不均、金属污染物颗粒混入、边缘毛刺、隔膜孔隙不均等缺陷，均会造成电池安全性明显下降。

即便在正常的循环充放电过程中，锂离子电池也会发生副反应，导致电解质分解、正负极表面膜堵塞等现象，进而影响电池内部的电导率、阻抗等参数，造成电池容量降低、一致性降低等后果，如果再叠加运行环境恶劣、充放电策略不科学等因素，会加快电池老化速度，逐渐演化出安全问题。

1.2 电池系统设计缺陷

电池系统通常由单体电池经串并联构成的电池模块、热管理系统、电池管理系统等组成，设计缺陷会从外部引发电池热失控。以山西京玉电厂AGC 调频储能电站火灾事故为例，事故发生在系统恢复启动过程中，主要原因就是BMS 箱体内在设计上采用了螺栓螺母形式的接触点，但未设置浪涌保护装置，浪涌效应引起固定螺栓顶部对BMS外壳持续放电拉弧产生高温，进而引发了电池热失控[4-5]。

1.3 储能电站设计缺陷

储能电站一般包含电池系统、电气系统和土建三个部分。电气系统主要包括双向变流器（PCS）、电气一次部分（变压器、出线等）和二次部分（中央控制系统、消防系统等）[6]。土建主要包括舱体基础或建筑物及场区相关工程。

调查报告指出，应对电气故障的保护体系不周也是引发电站火灾的重要原因[2]。而且，中国发生的火灾事故有半数以上是电气故障引起的[7]，电气故障诱发电池火灾概率也很大。调查报告还指出，BMS、PCS 和EMS 之间信息共享不完备和不及时，PCS 与电池之间的保护配置与协调不当、测量装置及管理系统之间发生冲突、电池保护装置质量不佳等问题，可能导致故障无法得到及时有效管控，进而演化为火灾事故。

现有灭火剂，如七氟丙烷、惰性气体、干粉、气溶胶，对锂离子电池火灾只能灭火效果未得到验证，降温效果不佳[7]，而高压细水雾、消防水喷淋灭火剂降温效果好，成本低廉，能净化废气和烟尘[8]，但是扑救时间长，且大量喷淋消防水可能引发其他部分的短路，造成事故扩大。以美国亚利桑那州McMicken 储能电站火灾事故为例，尽管早期烟雾探测系统报警30秒后，Novec1230灭火剂按设计条件喷出，但是此类灭火剂只适用于火灾初期，并不能防止或抑制锂离子电池系统的级联热失控。因此，消防灭火装置的优化设计和新型灭火剂的研发应用对于防范和控制储能电站火灾十分重要。

据不完全统计，2017年至2020年世界各国公布的锂离子电池储能电站事故共36起，按照服役时间划分，服役1年及以下电站发生13起，服役1-2年电站发生5起，服役2年以上电站4起，未知服役期电站发生14起，各占比分析情况如图1所示。这说明如果储能电站在设计上存在安全隐患，在投入运行的第1年，安全隐患便会暴露，并进一步引发事故，因此我们需要格外关注储能电站投运第1年的运行状态，实际验证其是否存在设计缺陷，若发现设计缺陷，应引起足够重视。

图1 2017年至2020年世界各国火灾事故电站服役期统计

1.4 操作风险

对应调查报告中提及的“安装中（包含调试、施工与保管）”和“修理检查中”等操作环节，该环节发生事故的概率较高[2]，原因是该阶段必须人为介入，这不仅牵涉到储能产品设计是否人性、安全，还牵涉到施工、调试、检修等流程工作是否科学、规范以及人员的专业素质、作业纪律和精神状态[9]是否良好等。目前，中国的储能行业制造端参与者众多、设计水准不齐、产品质量不一，同时欠缺在锂离子电池储能电站施工、调试、检修等方面的安全标准，未能科学指导此类作业。以江苏省扬中市用户侧储能事故为例，该事故发生在施工调试过程中，主要就是由于电池模组正负极插口未采用差异化结构设计，且施工调试的工作制度不合理、不规范，同时由于大量重复工序，人员麻痹大意将电池功率线正负极反接导致的[10-11]。

1.5 运行环境管理风险

调查报告提出，运营环境管理不足，水分、粉尘、盐水等会导致各部件接触电阻增大、绝缘性能下降等问题，进而诱发电池热失控，发生火灾事故[2]。因此，对运行环境的维护，也应引起重视。

2 锂离子电池储能电站安全防范措施

从储能电站投资运营商的角度出发，电池系统、储能电站的设计均不出自其手，又不是其专业强项，但是储能电站一旦发生火灾或爆炸事故，却要蒙受最直接、最严重的经济损失甚至人员伤亡，因此制定锂离子电池储能电站的安全防范措施对储能电站投资运营商来说显得尤为重要。本文从4个角度出发，为储能电站投资运营商提供锂离子电池储能电站的安全防范措施的思路。

2.1 加快制定储能安全标准

目前，中国电力储能行业在电池性能、PCS 性能、储能电站并网、储能电站运行评估等方面制定了20余项国家标准，与电动汽车行业的100多项国家标准相比，电力储能行业的标准数量严重不足；同时相较于国际标准，中国欠缺诸如IEC63056、IEC62485-5、IEC62281和NFPA855等关 注储能电池风险和火灾风险的专门标准[12-13]。

建议加快制定适用于自身需求的储能安全标准，将其应用于储能设备招标采购和储能电站的施工等过程中，除现有国家标准中的相关安全要求外，还可着重从以下方面考虑：明确对BMS 功能安全的要求与评估，以及对BMS、PCS、EMS之间协调控制的要求；明确对外壳、端子、线缆等关键组件的要求；明确对消防系统和灭火剂的要求；制定储能电站施工、调试、检修等安全操作标准。

2.2 加强储能项目安全审查

当前，储能项目多与光伏、风电等新能源项目配套规划与实施，抢装并网现象时有发生，设计规范性、设备质量、施工质量等有时未加重视，此类情况如果发生在储能项目中，发生事故的概率比光伏、风电项目更高，应引起足够重视，可从以下方面着手：

应按照国家标准、国际标准或企业标准对储能系统加以严格审查，加强对储能系统（包括电池本体，电气组件、设备、系统，BMS 保护阈值，热管理系统，消防系统）的风险识别与安全评估；

应委托具有相关资质的机构，按照国家标准、国际标准或项目单位的要求，对电池、BMS 等关键设备进行严格的抽检测试，抽检测试应覆盖电池单体、电池模组、电池簇、电池单元和储能系统等多个层级，应覆盖成组前、出厂前、并网前和投运一年后等多个关键节点；

应制定储能电站施工、调试、检修相关的科学化、人性化的管理制度和操作流程，可规定在施工、调试、检修过程中保持消防系统正常运行，加强对相关人员的专业技能培训，同时严格按照相关制度进行监督检查，发现问题及时整改。

2.3 建立储能电站消防安全应急机制

锂离子电池储能电站是近年来新兴的一种能量调节装置，反应机理复杂，电池状态受诸多因素影响，电池内部材料层级的安全隐患较难发现，又因为经常安装在用户侧，一旦发生火灾，可能危及人身安全。但是人们对锂离子电池火灾的预防、预警和扑救手段，仍存在技术难题，这就需要建立更加完善和谨慎的消防安全应急机制，尽可能将生命财产损失控制在最低水平，可以从以下方面加以完善：

应研究总结锂离子电池储能电站可能发生的各类事故，并联合电力、公安、消防、环保、医疗、宣传等多部门[6]，探讨其危害程度、影响范围，划分事故等级，以此为基础，制定相对应的事故应急预案；

应定期开展储能电站联合消防演习，提升应对此类新型事故的应对能力；

应建立事故追查制度，查明事故原因，厘清事故责任，及时开展事故追责和财产损失赔偿工作。

2.4 建立储能电站风险早期预警系统

锂离子电池是一种高能设备，储能电站一旦发生火灾，容易导致火灾蔓延扩散，现有消防手段难以在短时间内扑灭和降温，并且容易发生复燃，最终导致整个或数个电池舱报废，损失数百万至数千万财产甚至威胁人身安全。由于现有灭火剂仅对早期火灾有抑制作用，因此储能电站火灾的早期预警十分关键，可从以下方面加以研究：

研发基于气体浓度探测、烟雾探测、激光干扰探测、温度探测、视频探测等多维度的高精度传感系统，尤其需要重视对单体电池表面温度、CO 和H2的准确感知，应做到发生事故，立即知晓并投入保护；

建立储能电站大数据监测中心，通过挖掘储能电站的海量数据，识别电池本体的演化特征，包括内短路发展预测、容量衰减计算、不一致性发展评估、绝缘老化发展评估等，应做到提前预测事故，防范于未然。

3 结语

近年来，锂离子电池储能规模效应逐渐显现，系统成本快速降低，装机容量快速增长，叠加可再生能源发展和政策支持，在可预见的未来，锂离子电池储能装机仍会快速增长。但不断暴露的安全问题，并没有因为采用磷酸铁锂技术路线而消失，已成为影响锂离子电池储能行业发展的重要因素。

本文分析了锂离子电池储能电站从电池单体到储能电站运行存在的各种风险，包含：电池制造瑕疵和老化风险、电池系统设计缺陷、储能电站设计缺陷、操作风险、运行环境管理风险。

同时，有针对性地提出了四个方面的电池火灾防范措施：加快制定储能安全标准；加强储能项目的安全审查；建立储能电站消防安全应急机制；建立储能电站风险早期预警系统。

储能安全是一个系统工程，从电池本体到储能电站，从硬件选型到软件策略再到施工质量等都至关重要，但是从理论上讲，储能安全都能通过技术和管理手段去解决，因此不必因噎废食。试想我们都能将核电站控制在足够低的风险水平，储能电站又有何不能呢？