Які заходи безпеки використовуються у системах акумуляторного зберігання енергії (BESS)?

Які заходи безпеки використовуються у системах акумуляторного зберігання енергії (BESS)?

Система акумуляторного накоплення енергії (BESS) зосереджує мегават-години енергії в обмеженому просторі. Під час роботи в межах проектних параметрів вона надійно заряджається й розряджається протягом багатьох років. Коли одна з сотень комірок у стійці потрапляє в стан теплового розбігу, ланцюгова реакція може знищити весь контейнер за кілька хвилин. Архітектура безпеки належним чином спроектованої BESS усуває цей ризик за допомогою чотирьох незалежних рівнів захисту.

Перший рівень: захист на рівні комірки через систему управління акумуляторами

Кожна літій-іонна комірка в системі зберігання електроенергії (BESS) має безпечне робоче вікно, визначене напругою, температурою та струмом. Система керування акумулятором (BMS) контролює кожну комірку з інтервалами менше ніж одна секунда. Коли напруга комірки перевищує 4,25 В під час заряджання — поріг, вище якого прискорюється ризик утворення літієвих відкладень та внутрішніх коротких замикань — BMS наказує системі перетворення потужності зменшити або припинити подачу зарядного струму до цього рядка комірок. Коли температура комірки перевищує 60 °C під час розряджання, BMS знижує навантаження на рядок або повністю відключає його.

Система управління акумуляторами (BMS) відстежує стан здоров’я, порівнюючи фактичну ємність із номінальною ємністю. Елемент, що деградував до 70 % від початкової ємності, генерує більше тепла на кожному циклі заряджання-розряджання, ніж справний елемент, оскільки його внутрішній опір збільшився. BMS визначає елементи, які потребують заміни, ще до того, як вони стануть термічно небезпечними. Сучасні системи від досвідчених інтеграторів використовують резервне вимірювання напруги та температури — по два незалежних датчики на кожен модуль елементів — тому відмова одного датчика не призводить до втрати контролю над параметрами.

Рівень два: термокерування та утримання

Тепло є одночасно й симптомом, й причиною відмови. Контейнер BESS, що працює в навколишньому середовищі з температурою 40°C без активного охолодження, матиме внутрішню температуру стійок на 8–12°C вищу за навколишню лише через цикли заряджання-розряджання. Тривала робота при температурі понад 35°C експоненційно прискорює деградацію акумуляторних елементів — приблизно подвоюючи швидкість деградації за кожне підвищення температури на 10°C понад номінальну. Системи рідинного охолодження, у яких охолоджувальна рідина циркулює через холодні пласти, що безпосередньо контактує з кожним модулем, забезпечують різницю температур між елементами в межах ±2°C по всьому стійку. Повітряні системи охолодження з принудженою конвекцією достатні для установок із нижчою щільністю, але допускають більші температурні градієнти.

Фізичне утримання в стійці запобігає поширенню відмови окремої комірки. Стальні розділювальні пластини між модулями поглинають і розсіюють локалізоване тепло. Вогнестійкі бар'єри з мінімальним рейтингом 60 хвилин за стандартом IEC 62485-5 відокремлюють акумуляторні стійки від силової електроніки, трансформаторів і комутаційного обладнання всередині контейнера.

Третій рівень: виявлення та гасіння пожежі

Термічний розбіг виділяє характерну аерозольну сигнатуру — пари електроліту, оксид вуглецю та водень, — яку можна виявити спеціалізованими датчиками відпрацьованих газів за 3–5 хвилин до того, як комірка почне виділяти газ або з’являться полум’я. Раннє виявлення запускає три одночасні дії: електричне відключення ураженого ряду, активацію системи вентиляції контейнера для видалення вибухонебезпечних газів та запуск системи гасіння.

Аерозольні засоби пожежогасіння заповнюють внутрішню частину контейнера частинками на основі калію, які переривають ланцюгову реакцію горіння на молекулярному рівні й не залишають залишків, що пошкоджують електроніку. На відміну від спринклерних систем на водяній основі, аерозольні системи ефективні проти пожеж класу B (рідкий електроліт) і не створюють шляхів короткого замикання через скопичену воду. Стандарт NFPA 855 вимагає, щоб установки BESS потужністю понад 50 кВт·год були обладнані автоматичною системою пожежогасіння, придатною для хімічного складу акумуляторів.

Четвертий рівень: електрична ізоляція та від’єднання від мережі

Коли контролер системи зберігання електроенергії (BESS) виявляє несправність — термічну, електричну або структурну — першою заходом щодо захисту завжди є електрична ізоляція. Контактори на постійному струмі відключаються між батарейними стійками та системою перетворення потужності. Вимикач змінного струму у точці спільного підключення до мережі одночасно відмикається, від’єднуючи всю систему BESS як від джерела енергії (зарядка від мережі), так і від навантаження. Ця гальванічна ізоляція запобігає поширенню аварійного струму й забезпечує, що рятувальники, які наближаються до контейнера, стикаються лише з поступово зменшуваною залишковою енергією, а не з активно живленою електричною несправністю.

Випадок: промислова установка BESS витримала спалах у мережі

Виробниче підприємство в Південно-Східній Азії встановило систему накопичення електроенергії потужністю 2 МВт·год для зменшення пікового навантаження та резервного живлення, яку постачив інтегрований постачальник електротехнічного обладнання з провінції Ляонінь, Китай. Під час несподіваного повторного замикання мережі, що спричинило перенапругу в 2,7 раза вищу за номінальну, система управління батареєю (BMS) виявила перевищення напруги протягом 4 мс і відключила постійні струми контакторів до того, як імпульс досягнув елементів акумулятора. Виробнича лінія підприємства продовжувала працювати від енергії системи накопичення електроенергії протягом 22 хвилин, поки мережа стабілізувалася. Після події перевірка показала відсутність пошкоджень елементів, що підтверджено журналами стану здоров’я (SOH), які фіксує BMS.

Поширені запитання

Який температурний діапазон є безпечним для роботи системи накопичення електроенергії?

Літій-залізо-фосфатні (LFP) елементи безпечно працюють у діапазоні температур від −20 °C до +60 °C під час розряду та від 0 °C до +45 °C під час заряду. Робота поза цими межами прискорює деградацію. Активне теплове керування підтримує елементи в оптимальному температурному діапазоні 15–35 °C, що забезпечує максимальну кількість циклів життя.

Як система управління батареєю (BMS) виявляє наближення відмови елемента?

Система управління акумуляторами (BMS) контролює падіння напруги під навантаженням, тенденції зміни внутрішнього опору та відхилення напруги між окремими елементами. Попередження активується, якщо внутрішній опір елемента збільшився більше ніж на 30 % від початкового значення або якщо напруга елемента відхиляється більше ніж на 100 мВ від середнього значення в ланцюзі.

Чи є аерозольні системи гасіння пожеж безпечними для систем зберігання електроенергії (BESS)?

Так. Аерозольні системи, що використовують калій-вмісні речовини, спеціально затверджені для гасіння пожеж літій-іонних акумуляторів згідно з вимогами випробувань UL 9540A. Вони не залишають провідних залишків і не створюють електричних небезпек, які притаманні водним системам.

Яка мінімальна відстань розділення між контейнерами BESS?

NFPA 855 вимагає мінімальної відстані 3 фути (0,9 метра) між контейнерами BESS або між контейнером BESS та будівлею з постійним перебуванням людей. Для більших установок потужністю понад 250 кВт·год може знадобитися збільшена відстань розділення згідно з поправками до місцевих правил пожежної безпеки.

Як часто слід перевіряти системи безпеки BESS?

Калібрування напруги та температури BMS слід перевіряти щорічно. Функціональність системи гасіння пожежі слід тестувати двічі на рік згідно з протоколом виробника. Повне тестування ємності розряду на рівні стійки рекомендовано кожні 2 роки.

Чи можна безпечно встановлювати BESS у будівлі, де перебувають люди?

Так, за умови належного утримання та вентиляції згідно з IFC 1206 та NFPA 855. Хімія LFP є переважною для внутрішніх установок через вищу температуру початку термічного розбіжного процесу порівняно з NMC. Постачальники, такі як Sinotech Group, пропонують конфігурації BESS, спеціально розроблені для внутрішнього розміщення.