Какие меры безопасности применяются в системах аккумуляторного хранения энергии (BESS)?

Какие меры безопасности применяются в системах аккумуляторного хранения энергии (BESS)?

Система накопления энергии на аккумуляторах (BESS) размещает мегаватт-часы энергии в компактном объёме. При работе в пределах проектных параметров она надёжно заряжается и разряжается в течение многих лет. Когда одна ячейка в стойке из сотен ячеек входит в состояние теплового разгона, цепная реакция может уничтожить весь контейнер за считанные минуты. Архитектура безопасности правильно спроектированной BESS решает эту проблему с помощью четырёх независимых уровней защиты.

Уровень первый: защита на уровне ячейки посредством системы управления аккумуляторами (BMS)

Каждый литий-ионный элемент в системе хранения энергии (BESS) имеет безопасный рабочий диапазон, определяемый напряжением, температурой и током. Система управления батареей (BMS) отслеживает каждый элемент с интервалом менее одной секунды. Если напряжение элемента превышает 4,25 В во время зарядки — порогового значения, выше которого резко возрастает риск литиевого покрытия и внутреннего короткого замыкания — BMS отправляет команду системе преобразования мощности снизить или полностью прекратить подачу зарядного тока на соответствующую группу элементов. Если температура элемента превышает 60 °C во время разрядки, BMS снижает выходную мощность группы или полностью отключает её.

Система управления батареей (BMS) отслеживает состояние здоровья, сравнивая фактическую ёмкость с номинальной ёмкостью. Элемент, деградировавший до 70 % от исходной ёмкости, выделяет больше тепла за каждый цикл зарядки-разрядки по сравнению со здоровым элементом, поскольку его внутреннее сопротивление возросло. BMS выявляет элементы, подлежащие замене, до того, как они станут источником тепловых рисков. Современные системы от опытных интеграторов используют избыточные измерения напряжения и температуры — по два независимых датчика на модуль элементов, — поэтому отказ одного датчика не создаёт «слепой зоны».

Уровень два: управление температурой и герметизация

Тепло — это одновременно и симптом, и причина отказа. Температура внутри контейнера BESS, работающего при окружающей температуре 40 °C без активного охлаждения, повышается на 8–12 °C выше внешней температуры только за счёт циклов зарядки и разрядки. Продолжительная эксплуатация при температуре выше 35 °C ускоряет деградацию элементов в экспоненциальной зависимости — примерно удваивая скорость деградации при каждом повышении температуры на 10 °C относительно номинальной. Системы жидкостного охлаждения, в которых хладагент циркулирует по холодным пластинам, находящимся в прямом контакте с каждым модулем, обеспечивают разброс температур между элементами в пределах ±2 °C по всему стойку. Системы воздушного охлаждения с принудительной конвекцией достаточны для установок с низкой плотностью размещения, однако допускают более широкие температурные градиенты.

Физическое ограничение внутри стойки предотвращает распространение отказа от одного элемента. Стальные разделительные пластины между модулями поглощают и рассеивают локальное тепло. Огнестойкие барьеры с минимальным рейтингом 60 минут по стандарту IEC 62485-5 разделяют аккумуляторные стойки от силовой электроники, трансформаторов и коммутационного оборудования внутри контейнера.

Уровень три: обнаружение и подавление пожара

Термический разгон выделяет характерный аэрозольный сигнал — пары электролита, оксид углерода и водород, — который обнаруживается специализированными датчиками отводимых газов за 3–5 минут до выброса газа или появления пламени из элемента. Раннее обнаружение запускает три одновременных действия: электрическое отключение повреждённой строки, включение системы вентиляции контейнера для удаления воспламеняющихся газов и активацию системы подавления.

Аэрозольные агенты для подавления пожара заполняют внутреннее пространство контейнера частицами на основе калия, которые прерывают цепную реакцию горения на молекулярном уровне без оставления остатков, повреждающих электронику. В отличие от спринклерных систем на водной основе, аэрозольные системы эффективны при тушении пожаров класса B (жидкий электролит) и не создают путей короткого замыкания через скопившуюся воду. Стандарт NFPA 855 требует, чтобы установки аккумуляторных энергосистем (BESS), превышающие 50 кВт·ч, оснащались автоматической системой пожаротушения, соответствующей химическому составу батарей.

Четвёртый уровень: электрическая изоляция и отключение от сети

Когда контроллер системы хранения энергии (BESS) обнаруживает неисправность — термическую, электрическую или структурную — первым защитным действием всегда является электрическая изоляция. Контакторы на стороне постоянного тока размыкаются между аккумуляторными стойками и системой преобразования мощности. Одновременно размыкается автоматический выключатель переменного тока в точке общего подключения к электросети, отключая всю систему хранения энергии как от источника энергии (зарядка от сети), так и от нагрузки. Эта гальваническая изоляция предотвращает распространение тока короткого замыкания и гарантирует, что спасатели, приближающиеся к контейнеру, сталкиваются лишь с постепенно убывающей запасённой энергией, а не с активно подпитываемой электрической неисправностью.

Случай: промышленная установка BESS переносит всплеск напряжения в сети

Производственное предприятие в Юго-Восточной Азии установило систему накопления энергии ёмкостью 2 МВт·ч (BESS) для сглаживания пиковых нагрузок и резервного электропитания; поставщиком оборудования выступил интегрированный поставщик электротехнического оборудования из провинции Ляонин, Китай. Во время незапланированного повторного подключения к сети, вызвавшего переходный процесс напряжения с амплитудой 2,7× от номинального значения, система управления батареей (BMS) обнаружила перенапряжение в течение 4 миллисекунд и отключила постоянного тока контакторы до того, как импульс достиг аккумуляторных элементов. Производственная линия предприятия продолжала работать от питания BESS в течение 22 минут, пока параметры сети стабилизировались. Последующий осмотр показал отсутствие повреждений элементов, что подтверждено журналами состояния здоровья (state-of-health), фиксируемыми BMS.

Часто задаваемые вопросы

В каком диапазоне температур допустима эксплуатация BESS?

Элементы литий-железо-фосфата (LFP) безопасно работают в диапазоне от −20 °C до +60 °C при разряде и от 0 °C до +45 °C при заряде. Эксплуатация за пределами этих диапазонов ускоряет деградацию. Активная система терморегулирования поддерживает элементы в оптимальном диапазоне температур 15–35 °C для обеспечения максимального срока службы в циклах.

Каким образом система управления батареей (BMS) обнаруживает приближающийся отказ элемента?

Система управления батареей (BMS) контролирует падение напряжения под нагрузкой, тенденции изменения внутреннего сопротивления и отклонение напряжения между элементами. Предупреждение активируется при увеличении внутреннего сопротивления элемента более чем на 30 % относительно базового значения или при отклонении его напряжения более чем на 100 мВ от среднего значения по цепочке элементов.

Безопасны ли аэрозольные системы пожаротушения для систем хранения энергии на аккумуляторах (BESS)?

Да. Аэрозольные системы на основе калия специально сертифицированы для тушения пожаров литий-ионных аккумуляторов в соответствии с требованиями испытаний UL 9540A. Они не оставляют проводящего осадка и не создают электрических опасностей, присущих водным системам.

Каково минимальное расстояние разделения между контейнерами BESS?

Стандарт NFPA 855 требует минимального расстояния 3 фута (0,9 метра) между контейнерами BESS или между контейнером BESS и зданием с постоянным пребыванием людей. Для крупных установок объёмом более 250 кВт·ч может потребоваться большее расстояние в соответствии с поправками местных норм пожарной безопасности.

Как часто следует проверять системы безопасности BESS?

Калибровку напряжения и температуры БУС следует проверять ежегодно. Работоспособность системы пожаротушения следует проверять раз в полгода в соответствии с протоколом производителя. Полное тестирование ёмкости разряда на уровне стойки рекомендуется проводить каждые 2 года.

Можно ли безопасно установить БЭС в здании, где находятся люди?

Да, при условии надлежащего герметичного размещения и вентиляции в соответствии с IFC 1206 и NFPA 855. Химический состав LFP предпочтителен для внутренних установок благодаря более высокой температуре начала термического разгона по сравнению с NMC. Поставщики, такие как Sinotech Group, предлагают конфигурации БЭС, специально разработанные для размещения внутри помещений.