随着双碳战略目标的有序推进，新能源装机及发电量占比持续提升。新能源出力受自然因素制约，具有波动性和间歇性等特点，接入电网的大规模新能源，其时空分布性、波动性和不确定性会带来电力电量的时序和空间不平衡。为消纳新能源，实现新能源与负荷的平衡，电网需要更多的灵活调节资源，随着电化学储能技术成熟与成本下降，逐渐成为新能源标配。2021年至今，中国二十多个省区陆续发布了新能源配储政策，对储能容量和时长提出明确要求。在储能产业快速发展和储能电站装机容量不断提升的同时，国内外的储能安全事故也屡见不鲜，2011至2021年间全球公开报道41起储能电站起火或爆炸事故，造成的原因主要有储能电池的安全质量问题、储能系统的电气拓扑设计缺陷、缺乏有效的安全防护措施、电缆或线束现场布局不合理、现场操作人员和管理制度不规范等，大容量储能系统的安全稳定运行已成为制约储能产业规模化发展的重要因素。大多数新能源通过电力电子设备接入电网，随着常规机组占比的降低，电网受到冲击后频率变化加快、电压变化更剧烈、宽屏振荡问题凸显。为满足“双高”新型电力系统安全稳定运行的要求，新能源发电应具备电网电压支撑、惯量支持、故障穿越等能力，国标GB38755—2019《电力系统安全稳定导则》中明确提出：电力系统应具备基本的惯量和短路容量支持能力，在新能源并网发电比重较高的地区，新能源场站应提供必要惯量与短路容量支撑。构网型储能是在发挥常规储能功能的基础上，通过增加过流能力，采用构网控制策略，提升系统惯量与短路容量、提升新能源多场站短路比、改善电网阻抗特性，实现同步电压支撑，可有效调和新能源发展面临的多种问题，是新型电力系统建设的关键技术之一。文中对储能安全标准及储能在构网型新场景中的应用进行了综述。首先对国内外电化学储能电站安全事故发生的原因进行了归纳总结，然后分析了国内外储能安全标准发展情况，并介绍了两项最具影响力的储能安全标准IEC62933和UL9540。面向新型电力系统背景下高比例可再生能源和高比例电力电子设备应用带来的问题，对比了构网型和跟网型储能技术特点及储能在构网型新场景中的应用情况，针对构网型储能系统可能存在的安全风险，以及在新应用场景应用中可能存在的安全方面的新需求，提出构网型储能系统的安全防护建议。随着电化学储能技术的发展和储能应用规模的扩大，储能电站的安全事故频发。造成储能电站安全事故的原因复杂，国内外部分储能电站的安全事故未公开披露，根据行业公开信息整理的部分典型储能电站安全事故情况及其原因分析见表1。全球公开报道的储能电站起火或爆炸事故主要表现出以下几个特征：①从电池类型分析，三元锂离子电池储能电站发生的安全事故最多，占比超过50%；②从地域上分析，韩国的储能电站发生起火或爆炸事故最多，这与韩国储能电站大多采用三元锂离子电池密切相关；③从起火阶段分析，超过半数的储能电站起火或爆炸发生在电池充电或充电完的搁置过程中。储能电站的安全事故通常是系统性问题，涉及储能电池及系统设计制造、电池管理、安全预警与消防、运行管理与控制等多个方面原因，通常由多个诱因交互作用演化发展而导致。电化学储能技术类型多、技术更新迭代快速，储能电站结构复杂，涉及电化学、电力电子、信息通信等多学科、多技术门类，诱发火灾事故的因素较多，管理和防范难度较大。支撑电网储能通常需要达到较高容量规模，当储能电站内电池数量多、排列密集时，储能舱内部单体电池数量可达数万个，单体电池热失控，极易导致周围电池发生连锁反应，引发火灾、爆炸事故。储能电池热失控诱发因素包含了电池本体、外部激源、运行环境及管理系统等多个方面。电池热失控的电激源，主要是电池过充、绝缘配合不当、电池管理系统BMS失效、储能变流器短路等；热激源，主要是电气火灾、其他明火和热源等；机械激源，主要是安装调试过程中储能系统意外摔落、破损、机械冲击等。储能电站热失控通常由内外部诱因交互作用演化发展而导致。在热失控早期，如果能够及时预警并采取降温措施，就可能避免热失控发生；如未能及时有效控制，则可能会迅速发生“单体—模块—簇—系统—整站”的链条式火灾。目前在电化学储能电站的安全管理、安全保障方面普遍存在不足，包括储能电站、模块等质量不过关，单体一致性较差；电池管理系统及其核心设备故障诊断及安全保护存在缺陷；储能电站安全防护措施不足，监控预警装置缺失或灵敏度不足；储能电站安全主体责任不清楚及现场操作人员安全防护措施准备不足等。国际标准化组织国际电工委员会(IEC)、电气和电子工程协会(IEEE)及美国国家防火委员会(NFPA)、美国保险商试验所(UL)、德国技术监督协会(TÜV)等都开展了储能安全标准的研究和制定工作[25-30]。IEC于2012年底正式批准成立电能存储系统技术委员会IEC/TC120，负责制定储能系统及相关部件的国际标准，截止目前已立项16项储能领域技术标准。IEEE目的是为电网提供庞大的可用潜在资源，重点关注储能与大电网间的互联，所制定的标准大多集中在储能电站并网方面。UL是美国一家从事安全试验和鉴定的机构，在美国及全世界都具有广泛影响力，于2014年发布的UL9540(第一版)是国际上第一项储能系统的安全标准，并于2015年和2016年分别成为美国和加拿大国家标准，该标准于2022年5月发布第二版。NFPA于2016年4月批准了一个储能项目，并于8月设立第一个储能技术委员会，2019年8月发布标准NFPA855固定式储能系统安装标准，对储能系统配备的消防及防撞保护措施，对消防人员进行应急准备培训等作出规定。当前国际上关于储能系统安全的主要标准见图1，其中最具影响力的储能安全标准是IEC62933和UL9540，欧洲、日本、韩国及澳大利亚等国家的储能安全标准均参考引用这两项标准编制其各自适用的安全标准。IEC标准强调风险评估和管理理念，UL标准强调具体要求及与其他标准形成的体系。IEC62933-5-2：2020安全要求—电化学储能系统的框架见图2。条款5危害考虑列出了几种典型电化学储能电池可能存在的危害类型，见表2。条款7降低风险所需要求中，从产品设计角度提出以下要求：①本质安全设计；②防护和保护装置；③提供终端用户信息。从过程控制角度，最小化危害的一般风险降低措施为：控制和监视→预防→缓解→现场紧急响应→区域紧急响应。UL9540储能系统和装置安全要求主要用于评估储能系统各部件的兼容性和安全性，其框架见图3。其中，电池和PCS要求分别符合UL1973和UL1741的规定。UL9540A评估储能系统热失控火灾蔓延的测试方法分别从电芯级别(热失控及气体成分及爆炸特性)、模组级别(热失控特性，HRR，SRR，气体成分等)、单元级别(对周围的影响(温升、热流、气体成分、爆炸危害))、安装级别(消防系统有效性(温升、热流、气体成分、爆炸危害))对储能系统测试做出了规定。2016年6月，中国电力储能标准化技术委员会(SAC/TC550，以下简称储能标委会)成立，对口IEC/TC120，归口管理储能国家标准、行业标准和团体标准。截至目前，电力储能标准体系规划项目200余项，其中，已发布标准近百项，在编标准70余项。为适应技术发展趋势、满足储能产业发展需求，对标国际先进的储能标准体系，2023年2月，国家标准化管理委员会、国家能源局印发了《新型储能标准体系建设指南》，将新型储能标准体系框架分为基础通用、规划设计、设备试验、施工验收、并网运行、检修监测、运行维护、安全应急8个方面。其中涉及储能安全的标准见图4。规划设计类标准中，GB51048—2014《电化学储能电站设计规范》规定了储能电站设计要求的防火间距、火灾危险性及耐火等级、消防给水量及火灾报警系统及报警探测类型等[32]，目前该标准处于修订状态。储能电站的施工及验收是电化学储能电站安全启动和长久稳定运行的重要保障，在施工及验收阶段出现的设备故障、操作不当都可能引发安全事故，比如韩国的储能电站火灾事故中就有2例是在施工阶段发生的。目前，大多数储能设备的施工及验收要求已有相关标准覆盖，如国家标准GB50172—2012《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》、GB50255—2014《电气装置安装工程电力变流设备施工及验收规范》等。针对电化学储能电站建设的特殊要求，正在组织制定工程建设国家标准《电化学储能电站施工及验收规范》。在储能电站的并网运行和运行维护中，应重点关注电化学储能设备及其他储能电池管理系统、储能变流器的异常运行状态和故障。通过运行维护及时排查异常运行原因、妥善处理设备故障，可为储能电站的安全稳定运行提供保障。GB/T36549—2018《电化学储能电站运行指标及评价》规范了电化学储能电站的电量、能效、可靠性、运维费用等指标，GB/T40090—2021《电化学储能电站运行维护规程》规定了储能电站的监视、运行控制、巡视检查、维护、异常运行及故障处理等技术要求。储能设备的检验检测包括电池储能系统、储能变流器、储能监控系统以及消防、暖通等重要辅助设施的检修，检修项目主要包括储能设备充放电能量及效率测试、储能电池更换与电池离线均衡等，检修工作中的安全风险包括设备安全风险和人身安全风险。对于储能设备的检修安全，现在参照的是GB26860—2011《电力安全工作规程发电厂和变电站电气部分》和DL5009.2—2013《电力建设安全工作规程》，但这些标准只能满足储能设备检修过程的通用安全性要求，无法满足储能设备的专项要求。储能电站中含有大量储能设备及其他电力设备、辅助设施，其中储能设备包括多种类型的储能电池、电池管理系统、储能变流器等。这些储能设备的异常运行状态和故障都可能引发连锁反应，造成储能电站的安全事故。目前，在电力储能设备的安全性方面，中国已经基本形成完善的标准体系对锂离子电池、铅炭电池、全钒液流电池等不同类型的电力储能设备的技术条件、检测、安全性要求等都做出了相应的规定。储能电池管理系统是电化学储能系统中监测储能电池的电压、电流、温度等参数信息，并对储能电池的状态进行管理和控制的装置。目前关于电池管理系统方面的标准有GB/T36558—2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》、GB/T34131—2017《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》、NB/T42134—2017《全钒液流电池管理系统技术条件》等。储能变流器也是电化学储能系统的重要组成部分，是连接电池储能系统与电网(和/或负荷)的实现电能双向转换的装置。相关标准可分为两类，一类是储能变流器本体设备标准及检测规范，另一类是近年来制定的储能电站接入系统技术规范。构网型控制技术(GFM)最初是为微电网和孤岛电网应用而提出的[35]，现在已经被越来越广泛应用于提高互联电网的系统稳定性和弹性，以及用于高渗透电力电子发电的场景。目前在学术界和工业界尚未形成对GFM转换器的官方定义[36]，通常将GFL转换器描述为一个具有高并联阻抗的可控电流源，而GFM转换器可看作是一个具有低串联阻抗的电压源，控制结构见表4。GFL转换器需要外部发电机提供电压、频率信号，根据测量的电压和频率自动为系统提供支持，在失去电压频率参考源时逆变器会停机，大量的跟网型逆变器会增加系统的扰动。GFM转换器能替代同步发电机，内部设定电压参考信号，通过功率输出调整保持电压输出，不依赖于外部电压参考信号，可以在没有外部发电机情况下运行，可以实时调整输出，保持系统稳定。构网型和跟网型控制技术的对比见表3。常见的构网控制策略有：下垂控制、虚拟同步发电机控制、匹配控制和虚拟振荡器控制。下垂控制和虚拟同步发电机控制都是模拟同步发电机的惯性特性，前者缺少同步发电机的阻尼和惯性，易引起频率振荡，后者稳定性较好但直流电压不可控。匹配控制和虚拟振荡器控制是近年来提出的非线性控制方法，匹配控制直流电压可控但电压值不恒定，虚拟振荡器控制模拟非线性振荡器，具有全局同步能力，但本身不具有惯性，大量接入电网会进一步降低电网的惯性。随着新型电力系统建设步伐的持续推进，电网中可再生能源电源和电力电子设备的比例不断提升，电力系统“双高”趋势逐渐形成。新能源高占比电力系统需要提升新能源对电网的支撑能力，主要体现在保证系统的电力电量平衡和增强稳定性两方面，构网型储能既具有常规储能的功能，如参与电网调峰、平滑新能源发电处理、降低弃风/弃光率，同时通过采用构网控制策略，能提升系统惯量和短路容量，在直流发生换相失败时能平抑电压快速变化，在电网出现功率缺额时能瞬时分担电网不平衡功率，降低电网频率变化速度。在离网状态下，构网型储能可作为交流电压源支撑微电网的稳定运行。构网型储能在不同时间尺度下的控制功能见图5。构网型储能系统在并网场景下能提供虚拟惯量、提升短路容量、提高系统强度、虚拟输电、实现系统快速响应；在微网场景下能实现黑启动，可用于离网孤岛微电网，也可作为备用电源及UPS不间断电源。构网型储能的应用场景包括孤岛供电、新能源并网、储能系统、柔性直流输电等。国内外已投运及在建的典型构网型储能示范工程见表4。江苏盱眙10MW/20MWh储能电站是目前国内新能源侧容量最大的构网型储能工程，于2022年5月并网运行，是构网型储能在发电侧的成功示范应用。2023年1月，构网型光储系统并网性能现场测试在青海共和华润济贫光伏电站完成，通过实测数据验证了构网储能技术在以新能源为主体的新型电力系统中的重要支撑作用。国内构网型储能技术还处于示范验证阶段，通过实测验证构网储能系统的并联稳定性、高/低电压单次/连续故障穿越、一次调频及惯量响应特性等功能，为构网储能技术在新型电力系统中加强电网运行特性和实现高比例可再生能源接入的推广应用奠定技术和实证基础。电化学储能系统的故障演化往往需要经历一个过程，从故障开始发生到最终的热失控、起火甚至爆炸，电池会在电、热、气、化学等各个方面产生各种各样的变化，如果能够及时捕捉到电池系统的异常状态并及时预警，就能够将储能系统的故障控制在早期，避免事故的进一步扩大，对于提高储能系统的安全性具有重要意义。针对构网型储能系统可能存在的安全风险，以及考虑到新技术应用和新应用场景的出现在安全方面的新需求，建议从以下几个方面加强构网型储能系统的安全防护：1)从电池制造的角度入手，在电池制造出厂时对电池质量进行把关，排查故障电池，提高电池的可靠性，还需要关注电池成组集成后的串并联结构、系统散热、模组设计施工缺陷、环境因素等可能使电池处于异常状态问题；2)从电池故障和热失控演化的机理入手，针对热失控演化过程中的关键环节，如负极析锂，针对性地进行故障预警，同时从安全检测技术入手，利用传感器对电、热、气等状态量进行测量，实现故障预警；3)在电气防护技术方面，业界当前研究主要集中在功率转换系统本身的电气系统防护与故障隔离、高效低成本的功率转换系统和储能系统调度逻辑，对储能系统强相关的电气防护与隔离研究较少，基本借鉴功率转换系统本身的安全标准，需要从电池pack级、系统级、电站级3个层级实现对电压、电流、温度等参数的检测与控制以及逐级故障隔离；4)从标准化角度，进一步完善电池管理系统的电气安全性、系统保护功能等在内的安全要求和测试方法，考虑加入关于安全保护的故障检测项目，保障电池管理系统在供电故障、通信故障、关键元器件失效等异常状况时保持对电池保护功能正常，补充对储能变流器的直流侧安全保护、储能变流器直流侧和电池储能系统接入的硬件回路保护的相关要求，进一步明确故障电流分断保护、共模电压限制、直流电流纹波等方面的安全性要求，研究制订提高储能变流器的电网适应性和友好性的相关标准，提升储能系统接入电网的安全性。构网型储能既能发挥平抑新能源发电功率波动，降低大电网调峰压力，提升大电网对新能源的接纳水平的作用，也能通过构网控制策略实现对电网电压、频率和惯量的支撑，综合解决大规模新能源并网带来的问题，在构建以新能源为主体的新型电力系统中具有广阔的应用前景。以标准引导技术升级，是实现储能技术高质量发展的重要途径，面向储能的大规模应用所面临的安全问题，文中首先分析电化学储能电站安全事故发生的原因，从标准角度重点综述了目前国内外储能安全标准发展现状，考虑到构网型储能系统的新应用场景在安全防护的新需求，提出构网型储能的安全防护建议。当前电化学储能电站在安全管理方面仍存在不足，包括储能主要部件和设备的安全质量把关不严、电池管理系统及其核心设备故障诊断及安全保护存在缺陷、储能电站安全防护措施不足、人员现场操作和管理不规范等，需要从电池制造环节、电池故障预警和安全检测、储能系统多层级电气隔离等角度加强安全管理，同时进一步完善储能标准体系，根据技术发展水平制定或修订现有标准，在标准中加入关于安全保护的故障检测项目，提升储能系统接入电网的安全性。
文章来源：国网新疆电力有限公司电力科学研究院、 国网喀什供电公司电力调度控制中心声明：本公众号致力于好文推送，基于分享的目的转载，尊重原创，版权归属原作者所有，不代表储能学堂的观点和立场，如涉及作品版权侵权，请联系我们予以核实删除！
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