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多种气体传感器在电池储能电站安全预警中的应用

时间:2023-05-17 点击:22次

12月31日19时许,历经11小时紧张操作,国内首座大型构网型储能电站——湖北荆门新港储能电站工程成功送电、并网运行。

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项目位于荆门市沙洋县工业园区新港大道和工业十二路交汇处,总容量50兆瓦/100兆瓦时,其中一期投产12.6兆瓦/26.8兆瓦时。该项目由国网湖北电力、国网湖北综合能源公司负责项目建设管理,国网荆门供电公司承担建设任务,负责后期运行维护。

为积极推动沙洋地区新型电力系统建设,国网湖北电力试点建设荆门新港储能电站。作为构网型储能站先行示范工程,新港储能站设计有并网检测装置,具备贯量、阻尼控制、一次调频、大扰动特性等测试功能,配置16台PCS升压一体机,具备1.5倍/10S的暂态过载能力,通过部署大型储能站自主运行控制策略,可以独立支撑电网,实现对电网侧储能暂-稳态联合控制与自主调节,提升区域电网的稳定性。

全容量投运后的该储能电站将充分发挥“能量海绵”作用,通过低谷时段充电、高峰时段放电,每天最高可提供约100兆瓦时错峰电量,极大缓解用电高峰期间的变电站供电压力,也为迎峰度冬电力保供增添了一份保障。按一户家庭3千瓦负荷计算,相当于可以同时满足1万户家庭一天的用电需求。

将电能大规模储存起来,进行灵活稳定调用,一直是电力系统努力的方向。近年来,随着电池储能技术的高速发展,储能电站的建设也在稳步开展,如湖北、湖南、江苏、河南等地均有电池储能电站并网运行。电池储能作为大规模储能系统的重要形式之一,具有调峰、填谷、调频、调相和事故备用等用途。与常规电源相比,大规模储能电站不仅能够适应负荷的快速变化,使电力系统的运行更加安全、稳定,还可以优化电源结构,实现节能降耗和绿色环保,提高总体经济效益。电站的建成只是开始,如何安全运行、维护电站,实现电站的高效稳定运行是关键。

电池储能电站是用大批蓄电池,把谷期中电网富余的电能储存起来集中高效运转,在峰期再重新送回电网,缓解供电紧张局面的设施。

电力系统中配置电池储能电站,不仅可以提高电网的调峰能力,实现深度调峰,而且具有占地面积 小、反应时间快等优点,提升了电网的负荷承载,可为电网安全稳定运行提供重要的支撑。

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最常见的储能电站是抽水型储能站,但该设施对场地要求较高,建设周期较长,因此发展受到了一定的制约。电池储能技术经过多年的发展,取得了实质性的突破,尤其在成本方面。

据行业分析,锂离子电池成本未来会继续下降。当前电网侧的储能技术仍处在发展中,标准化、规范化程度低,且构成复杂,虽然发展前景可观,但道阻且长,尤其是电池储能电站的现场运行、维护、检修及在线监测技术,仍需不断完善,以确保电网安全稳定运行。

储能电池及管理系统组成

电能储存的方式主要分为 4 种:电池型储能、电感器型储能、电容器型储能和其他类型储能。电池型储能相较于其他类型,具有容量大、安装便捷、安全性高等优点,在储能系统中应用较广。

储能电池主要用于调峰调频电力辅助服务、 可再生能源并网、微电网等领域。绝大多数储能装置无需移动,因此储能用锂离子电池对于能量密度并没有太高的要求。

对于电池材料,要注意膨胀率、能量密度、电池材料性能均匀性等,以追求整个储能设备的长寿命和低成本以及安全性,这里就需要储能安全监测系统的参与。

储能电站的监测系统包括电池、BMS、PCS、空调、消防、安防、气体监测和其他设备等,数字技术、物联网、大数据、区块链等高新技术的发展,为储能电站的监控系统提供了技术支撑。借助数据信息的力量,实时监控电站状态,并多途径实时通知,可帮助工作人员快速预警、排除故障,实现少人值守甚至无人值守。

准确监测要基于灵敏的感知能力,因此BMS内每个区域需要设置了传感器。此外,还对监测结果进行实时诊断和校验,一旦出现异常,会启动故障报警,以确保 BMS 的感知能力始终处于灵敏状态。

电池储能电站中安全预警的气体传感器

电池储能电站的整体运行管理是一个系统工程,需要不断积累运行数据,不仅是对核心组件的监测管理,还包括储能电站内其他相关设备的安全巡检,如突发事故及火灾处理,高压断路器、电流互感器、电力电缆、开关柜等设备的安全监测及维护。

这些非核心组件的安全运行管理,对电池储能电站的整体运行同样具有不可忽视的作用。实际工作中,传统的依靠人工进行巡检及运维的方式很难提高工作效率,因此智能化的线上运维和实时监测系统不断被普及运用。

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智能监测终端可适配多种传感器,传感器接收到的环境信息的电信号,通过无线或有线通讯网络组合成整站监测网络,构成分布式监测系统。

以其中的气体传感器为例,电池柜中锂离子电池能量密度高,其电解液的溶剂通常为有机碳酸酯类化合物,具有闪点低、化学活性高和极易燃烧的特点。

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由于集装箱内的锂离子电池采用集成化设计,由于其化学特性,容易产生H2富集,当某一组锂电池发生热失控后,会对周围的电池产生强烈的热冲击,造成热失控蔓延,同时生成大量烷烃类可燃气体,可能发生严重的火灾甚至爆炸事故。

在起火燃烧时也会产生CO及CO2气体和烟雾粉尘,严重危害人体健康,因此可以通过监测这些气体种类来进行安全预警。

电化学储能电站火灾早期探测和安全预警

在电池火灾前期,进行有效准确地探测并预警,采取相应的消防手段,防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前,应做好电池故障诊断工作,及早进行预警。当电池安全阀打开时,会产生大量的气体和烟雾,如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外,释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物(VOC)等,在安全阀打开时都有明显的增加,因此,可以通过相关的气体传感器,再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等,根据电站电池的热失控特性,设定相应的预警阈值,将多种特征参数进行耦合,当不同传感器参数达到所设阈值时,发出警报,实现锂离子电池火灾早期探测和预警,并根据警报采取相应的控制措施可燃气体探测器充电,防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

此外,应根据量程和灵敏度,选取适当的传感器和探测器,同时设置冗余系统,保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

我们可以从动力锂电池热失控时产生的大量气体入手,锂离子电池热失控的时候,电池内部会有大量的一氧化碳释放出来。一氧化碳不仅是易燃易爆的气体,更可以与人体内的血红蛋白结合,使其失去与氧气结合的能力,从而导致我们缺氧甚至窒息。所以我们可以通过检测一氧化碳的浓度来判断电池热失控。在这里工采网给大家推荐一款纽扣式一氧化碳传感器(CO传感器):

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一氧化碳传感器CO传感器是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器,使用一个特殊的电极取代了储水器,由于去除了中使用的储水器,与相比,其外形尺寸缩减到只有后者的10%大小。非常适用于高集成电子产品,对CO的灵敏度高、将CO浓度线性输出,设计方便,自带出厂预标定灵敏度系数,方便用户使用与性能追溯,寿命长达10年以上。

毕竟是事关我们的生命安全,对于精度还是有要求的,测量不准的话又怎么能给出正确的警报呢?输出电流与一氧化碳浓度之间在0~1,范围内显示了± 5%以内偏差的较高直线性。不同浓度CO对应的输出电流可以参考下图。

同时我们也要关注传感器的长期稳定性,这就要求传感器寿命足够长,更要求传感器输出长期稳定,不然会使报警值改变,造成早报晚报甚至不报等情况了。的寿命长达十年以上,长期稳定性也是十分优秀,可以参考下图。(Y轴显示的是在任何时间点一氧化碳中的输出电流(I)和测试第一天一氧化碳中的输出电流(Io)的比值。)

储能电站内会有各种各样的气味,要是传感器抗干扰性不好的话,也是很容易造成误报的,所以这个传感器要求对CO灵敏度高,对其他气体的灵敏度越低越好。就很好,对大部分气体的灵敏度都是非常低的,对CO灵敏度又很高的,见下图。

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并且考虑到电站内的温度范围是比较宽广的,基本所有传感器受温度的影响又是比较明显的,所以厂家针对做出了温度补偿系数表,OEM客户可以直接利用补偿系数对传感器进行温度补偿,从而使传感器在不同温度下也能有高精度的输出。补偿系数见下图。

由此可见是一款十分优秀的CO传感器,性能优异、质量可靠,可以为我们的生命财产安全添加一层保障。

随着电开关柜中SF6气体绝缘的电气设备数量的日趋增多,纯净的六氟化硫气体是无毒的,但在大电流开断时,由于强烈的电弧放电会产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强,当有水和氧气时又会与电极材料、水份进一步反应可燃气体探测器充电,从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统,中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心心呕吐、疲劳等不良反应,吸入剂量大时,会出现更加严重的后果。SF6气体绝缘的电气设备漏气现象仍是难以避免和彻底杜绝的常见问题,还是需要添加SF6传感器来监测漏气问题。

《电业安全工作规程》特别规定,装有SF6设备的配电室须保证SF6浓度小于,配电室除了要装设强力通风装置外,还必须安装能报警的氧气检测仪和SF6气体浓度检测报警器等监测装置。氧气检测仪和SF6气体浓度检测报警器中检测氧气浓度、SF6气体浓度的核心元器件是氧气传感器和SF6传感器,工采网推荐的日本氧气传感器KE-25/KE-25F3 GS 氧气传感器KE系列是一种独特的、日本于1985年开发成功的原电池式氧气传感器。其显著特点是使用寿命长,具有优良的化学稳定性,而且不易受CO2的干扰与影响。 *电化学工作原理,检测范围:0~100%O2,精度:1%FS,响应时间:约15秒,空气中输出信号:10~15.5mV,使用寿命:5年。

意大利 N.E.T SF6传感器 NDIR传感器IFP32-SF6M-NCVSP,IR 系列红外气体传感器使用 NDIR 技术来监测 SF6 的存在。该技术基于的原理是:气体在红外光谱中具有独特的、定义明确的光线吸收曲线,可以用来识别特定气体。气体浓度可以通过使用适当的红外光源,并分析光路中气体吸收的能量来得出。其信号线性化和温度补偿很适合对 IR 技术没有专门了解的仪器制造商。

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总之,电池储能电站整体运营管理的智能化手段离不开传感器的参与,数字化运维系统也在不断开发和进步。合理的运维管理方式不仅能规避安全风险,还可以延长电站的寿命,助力储能电站的整体运行管理,推动储能电站管理规范化、高效化、便捷化发展。

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