徐国栋，王坚嵘，石一峰，黄国栋
(国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215004)
Analysis and Countermeasures for Safety Problems of Battery Energy
Storage Power Stations
XU Guodong, WANG Jianrong, SHI Yifeng, HUANG Guodong
(Suzhou Power Supply Company, Suzhou 215004)
〔摘 要〕 随着电池储能电站的不断投运，其安全问题逐渐突显，开展电池储能电站安全问题研究对于促进电池储能电站的持续、健康发展具有重要现实意义。概述了电池储能电站的发展现状，总结了电池储能电站的主要事故类型。针对电池储能电站的主要安全风险因素(如火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等)进行分析，并提出了相应的防范对策。
〔关键词〕 电池储能电站；安全；火灾；热失控
As battery energy storage power plants are continually put into operation, the safety problems Abstract:
have become gradually highlighted. Carrying out research on safety problems of battery energy storage power plant would have great realistic importance to the promotion of sustainable, healthy development of battery energy storage power plant. The paper summarizes the development status of battery energy storage systems (BESS) and the major accident types involved in battery energy storage, analyzes the main safety risk factors of battery energy storage power plant (e.g. fire, explosion, poisoning, electric shock and burns etc.), and puts forward the corresponding prevention measures.
battery energy storage power station; safety; fire; loss of thermal controlKey words:
中图分类号:TM08 文献标识码:A 文章编号:1008-6226 (2020) 09-0060-04
0 引言
大容量储能技术可以促进新能源消纳，平滑风电/光伏出力，满足电网调峰、调频、黑启动等应用需求，降低用户用电成本，是促进我国能源转型的重大关键技术。电池储能凭借能量密度大、选址限制少等优势，成为现阶段重点关注的大容量储能技术之一。截至2019年12月底，全球已投运电池储能项目的累计装机规模为8.24 GW，占全球储能市场的4.5 %；我国已投运电池储能项目的累计装机规模为1.58 GW，占我国储能市场的4.9 %。
随着电池储能电站的不断投运，其安全问题逐渐突显。自2018年以来，韩国储能行业发生了
6023起严重火灾，我国储能行业也在2017年以后发生了多起火灾，例如山西某电厂自动发电控制(automatic generation control，AGC)调频项目和江苏扬中某用户侧储能项目中所发生的火灾。因此，开展电池储能电站安全问题研究对于促进电池储能电站的持续、健康发展具有重要现实意义。
1 电池储能发展现状
电池储能由众多电化学单元经串并联构成，各单元通过正负极的氧化还原反应充放电，实现电能和化学能的相互转化。电池储能电站的特点为：可根据不同应用需求灵活配置功率和容量，充放电迅
第22卷(2020年第9期)电力安全技术储能技术nergy storage速，选址受地理条件限制少，适宜大规模应用和批量化生产。
目前，电池储能技术类型多样，主要包括锂电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池等。上述类型电池的技术指标各异，对比分析可参见文献[7]。
电池储能电站可灵活配置在电力系统的电源侧、电网侧、负荷侧，满足差异化储能应用需求，不同配置位置电池储能的典型应用场景见表1。
表1 不同配置位置电池储能的典型应用场景
储能配置位置
典型应用场景平抑新能源出力波动
电源侧
跟踪新能源计划出力促进新能源消纳辅助火电机组AGC
调峰调压黑启动
电网侧
缓解输配电堵塞促进新能源消纳提高供电可靠性延缓电网升级改造
负荷侧
提高供电可靠性降低用电成本
制系统、消防系统等)。土建部分包括电气电池室或室外电池组基础及厂区相关工程。
火灾事故是电池储能电站的一类极端且有代表性的安全事故，具有破坏性强、经济损失大、社会关注度高等特点。表2给出了近年来已公布的电池储能电站火灾事故统计信息。
由表2可知，从火灾地点来看，电池储能电站火灾事故主要集中在韩国，而美国、日本和中国也均已发生电站火灾事故。从储能类型来看，电池储能技术类型主要为锂电池。这一方面是由于锂电池在各类型电池中装机容量占比最大；另一方面，是因为锂电池内部存在较多放热反应，在一定条件下易发生热失控。
2 电池储能电站安全风险因素
电池储能电站安全风险因素主要包括火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等。其中，火灾风险尤为突出。2.1 火灾
火灾风险不仅包括传统的变压器火灾、电缆火灾等，还包括电池火灾。相较液流电池、铅酸电池等水系电池，有机系锂电池的火灾风险较为突出。锂电池在过充过放、短路、挤压等滥用条件下，内部发生正负极与电解液反应、电解液分解等一系列放热反应，引起电池热失控，从而导致火灾的发生。锂电池火灾具有起火速度快、热分解产物毒性强、灭火困难等特点。
除锂电池外，钠硫电池的火灾风险也较大。当
序号1516171819202122232425262728
地点韩国庆南韩国忠北韩国江原韩国庆南韩国全南韩国全北韩国蔚山韩国庆北韩国全北美国夏威夷美国亚利桑那日本茨城中国山西中国江苏
容量/MWh1.3319.3162.6623.2895.2202.49646.7573.6601.0253.7502.000—4.4311.740
类型锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池铅酸电池锂电池钠硫电池锂电池锂电池
时间2018年11月2018年12月2018年12月2019年1月2019年1月2019年1月2019年1月2019年5月2019年5月2012年8月2019年4月2011年11月2017年3月2018年8月
电池储能虽然应用场景多样，但均主要包含电池、变电、土建三部分。电池部分包括单体电池经串并联构成电池模块、热管理系统、电池管理系统、双向变流器、能量管理系统等。变电部分包括电气一次部分(变压器、出线等)和二次部分(中央控
序号1234567891011121314
地点韩国全北韩国庆北韩国全南韩国全南韩国全南韩国全南韩国世宗韩国忠北韩国忠南韩国济州韩国京畿道韩国庆北韩国忠南韩国忠北
容量/MWh1.4608.60014.00018.9652.9909.70018.0005.9896.0000.18017.7003.6601.2204.160
类型锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池锂电池
时间2017年8月2018年5月2018年6月2018年6月2018年7月2018年7月2018年7月2018年9月2018年9月2018年9月2018年10月2018年11月2018年11月2018年11月
表2 电池储能电站安全事故统计
61储能技术电力安全技术第22卷(2020年第9期)nergy storage钠硫电池运行时，一旦陶瓷电解质破损形成短路，高温下的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应。这种放热会在瞬间产生2 000 ℃的高温，相当危险。2.2 爆炸
爆炸风险主要包括电池本体爆炸和变电设备爆炸两类。
(1) 电池本体爆炸：锂电池发生热失控后，会生成大量烷烃类可燃气体。若储能装置布置在室内，当可燃气体达到一定浓度时，遇明火就会发生爆炸。此外，液流电池、铅酸电池的水溶液会在过压电解后析氢爆炸。
(2) 变电设备爆炸：储能系统升压变压器若为带油设备，变压器内部故障会引起电弧升温，有燃烧和爆炸的可能。2.3 中毒
中毒风险主要体现在电池燃烧产生的有毒烟气以及溶析产生的晶体。
锂电池燃烧时会产生大量气体，主要有氢气、甲烷等可燃气体以及氯化氢、氟化氢等有毒气体。有毒气体会对眼和呼吸道粘膜产生强烈的刺激作用，可引起呼吸道炎症、肺水肿、溃疡等。
全钒液流电池会在室内温度控制不良时发生溶析现象，产生五氧化二钒、三氧化二钒等盐，其中析出的晶体有剧毒。析出晶体对呼吸系统和皮肤有损害作用，可引起呼吸道炎症、皮肤剧烈瘙痒、肾损害等。2.4 触电
电池储能系统是一种含高能物质的物件。在它未接通电源或系统关闭时，部分部件仍可能处在带电状态。在接触系统时，若没有穿戴好相应的防护工器具，极可能发生触电。2.5 灼烫
灼烫风险主要来源于具有腐蚀性的电池电解液或电极材料。若电解液输送管道、储液罐、电池外壳的材料工艺耐腐蚀性能达不到要求，将导致设备腐蚀；若长期严重腐蚀，会使电解液或电极材料发生泄漏事故，例如液流电池的电解液输送管道、储液罐等因长期严重腐蚀而出现漏液，钠硫电池的正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐，由于硫具有腐蚀性，电池外壳易发生泄漏。若电站运维人员在正常检修或事故情况下未穿防护服、未戴防护手套，
62就可能造成人员灼烫受伤。
3 防范对策
电池储能电站的安全风险因素多样，而火灾、爆炸等极端事故的发生，会带来严重的财产损失与人员伤亡。科研人员已针对电池储能安全性问题开展了若干有价值的研究，取得了众多成果，但仍存在许多不足。后续，仍应做好以下几方面的工作。3.1 开展锂电池火灾多维防控技术研究
为降低锂电池火灾风险，需从“源头-预警-扑灭”多维度，开展一系列的火灾防控技术研究。源头方面，围绕火灾发生需满足的点火源、燃料、氧化剂三要素，提炼对电池火灾风险影响大的基本事件(电极材料易分解、电解液易燃等)，开展有针对性的高熔点SEI膜、难燃电解液等研究，提高电池的本质安全。预警方面，收集电池火灾发生前的烟气，电池表面温度、电压、电流等数据，采用大数据技术，提取电池火灾的关联特征量，力求早发现、早处理，避免事故发生或扩大。扑灭方面，现有实验虽已证明七氟丙烷对单体电池和电池簇具有灭火效果，但在已发生的锂电池预制舱火灾事故中，七氟丙烷并未扑灭火灾，最终采用大量水扑灭。开展大容量锂电池火灾灭火剂的有效性及边界条件研究，可缩短火灾时间，降低火灾损失。3.2 建立电池储能电站分层联动应急机制
为减少电池储能电站事故损失，需制定储能电站分层联动应急机制。分层方面，针对各类型安全事故，依据事故特性，划分事故等级，有针对性地制定各等级事故应急预案，提高预案的准确性和科学性，降低事故损失。联动方面，火灾爆炸等极端事故一旦发生，会造成严重的经济损失，并会在一定程度上影响社会秩序和污染自然环境，因此有必要针对极端事故，制定涉及电力、公安、消防、环保、医院、宣传等多部门联动的事故应急预案，降低事故社会影响，减少环境污染。此外，需建立事故追查制度，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。3.3 制定电池储能电站安全技术标准
为更好地引导电池储能行业持续健康发展，及时总结储能发展领先地区的先进经验，需尽快制定电池储能电站安全技术标准，明确设备要求、消防
第22卷(2020年第9期)电力安全技术储能技术nergy storage配置、运维检修规程等。鉴于电池储能运行特性与储能技术类型、应用场景等因素密切相关，在安全技术标准中，宜既有共性储能标准，也有不同技术类型和应用场景下的个性储能标准。
的储能系统规划方法综述[J]．电力自动化设备，2017， 37(8)：3-11.
[8] 王 雪．浅谈储能电站安全生产隐患[J]．机电信息，2017， 9(507)：112-113.
[9] 中国能源报．电池储能电站的安全性问题[EB/OL].
4 结论
首先，从主要技术类型、典型应用场景、储能系统组成、储能电站火灾事故统计等方面综述了电池储能电站发展现状；然后，对电池储能电站的五大安全风险因素(包含火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等)进行分析；最后，提出了开展锂电池火灾多维防控技术研究、建立电池储能电站分层联动应急机制、制定电池储能电站安全技术标准等建议，以期为电池储能电站的持续健康发展提供有益参考。参考文献：
[1] 李相俊，王上行，惠 东．电池储能系统运行控制与应 用方法综述及展望[J]．电网技术，2017，41(10)：3315- 3325.
[2] 中关村储能产业技术联盟．全球储能市场跟踪报告(2019. Q4) [EB/OL]．(2020-02-10) [2020-02-26]．http:// esresearch.com.cn/#/global_PDB/GReport.[3] 北极星储能网．电池不背锅！针对储能电站事故原因韩 国提出四大改善措施(附报告)[EB/OL]．(2019-06-13) [2019-12-25]．http://chuneng.bjx.com. cn/news/ 20190613/985892.shtml.
[4] 张华东，张宏亮．一起火电厂储能系统火灾事故的调查 与认定[J]．火灾调查与分析，2017，36(10)：1473-1475.[5] 搜狐网．江苏扬中用户侧储能磷酸铁锂电池集装箱起火 烧毁：红火的储能需要冷思考[EB/OL]．(2018-09-11) [2019-12-25]．http://www.sohu.com/a/253318122_ 764234.
[6] 国家电网公司“电网新技术前景研究”项目咨询组．大 规模储能技术在电力系统中的应用前景分析[J]．电力 系统自动化，2013，37(1)：3-9.
[7] 徐国栋，程浩忠，马紫峰，等．用于缓解电网调峰压力
(2012-09-12)[2019-12-25]．http://www.nea.gov. cn/2012-09/12/c_131845865.htm.
[10] 刘伯洵．亚利桑那储能系统火灾调查结果将对储能行
业产生重要影响[EB/OL]．(2019-04-27)[2019-12-25]．http://www.escn.com.cn/news/ show-729377.html
[11] YAO D, XIE H, LIU Q．Safety Concerns of
Lithium-ion Cell and Battery Energy Storage System [J]．Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(1): 31-37.
[12] WANG Q, PING P, ZHAO X, et al．Thermal
Runway Caused Fire and Explosion of Lithium-ion Battery [J]．Journal of Power Sources, 2012(208): 210-224.
[13] 孙 文，王培红．钠硫电池的应用现状与发展[J]．上
海节能，2015(2)：85-89.
[14] 朱 江，张宏亮．锂电池储能系统火灾危险性及防范
措施[J]．武警学院学报，2018，34(12)：43-45.[15] 祁锦成．全钒液流储能电池简述及其电解液发展概况
[J]．盐科学与化工，2018，47(3)：6-10.
收稿日期：2019-12-13。作者简介：
徐国栋(1990—)，男，工程师，主要从事储能系统规划、运行及安全分析工作，email：**********************.edu.cn。
王坚嵘(1972—)，男，高级工程师，主要从事电力系统变电运行工作。
石一峰(1976—)，男，高级工程师，主要从事电力系统变电运维及技术管理工作。
黄国栋(1976—)，男，高级工程师，主要从事电力系统变电运维及技术管理工作。
欢迎访问“中国电力安全网”http://www.csest.com63
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容