万亿储能新赛道！这一风电安全问题不容忽视

来源：德和盛电气 2023-08-31 10:33:42

北极星风力发电网讯：近年来，储能行业，尤其是锂离子电池储能行业在全球及中国国内高速发展。根据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟（CNESA）全球储能项目库的不完全统计，截至2022年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模237.2GW，年增长率15%。新型储能累计装机规模达45.7GW，是2021年同期的近2倍，年增长率80%，新型储能中，锂离子电池仍占据绝对主导地位，年增长率超过85%，其在新型储能中的累计装机占比与2021年同期相比上升3.5个百分点。

根据CNESA的不完全统计，2022年，中国新增投运电力储能项目装机规模首次突破15GW，达到16.5GW，其中，新型储能新增规模创历史新高，达到7.3GW/15.9GWh，功率规模同比增长200%，能量规模同比增长280%；锂离子电池储能系统也占据绝对主导地位，比重高达97%。

(资料图片)

但储能产业在这短短几年内取得高速发展的同时，也遗留下一系列问题还需引起足够重视。据统计近年来储能电站全生命周期内大型安全事故频发，根据CNESA不完全统计，近十年全球储能安全事故发生60余起。2021年全球储能市场爆发，大规模储能项目越来越多，单个储能项目规模越来越大，储能安全隐患也随之增大。截至2022年8月，2021 -2022 年全球共发生18起储能项目事故。其中，有两个关注点：1)安全事故多发于锂离子电池，一旦发生，通常事故等级高，损失惨重。2)多事故发生在电站投运多年后，储能全生命周期的安全问题必须引发足够重视。

在储能系统尤其是电池储能系统集成的各安全环节中，储能系统的防雷保护便是其中最突出的隐患之一，如何进行安全、高效、可靠的防雷已成为行业亟待解决的问题。如果这个问题不能妥善解决，由于锂电池系统的特性，发生雷电引起的次生灾害影响将是十分巨大的。

来自暴风雨的风险

世界上每年会有数十亿次雷电发生。根据统计仅在德国，每年记录到的雷电事件就超过200万次，随着近年来极端天气现象发生频率的大幅提高，这一趋势还在快速上升。根据统计，如果在建筑物和基础设施附近发生雷电袭击，将会导致建筑物和基础设施的损坏:雷击会引起火灾或电涌损坏电气设备和电气系统。雷击导致的感应电流可能会引起方圆2公里范围内的电气设备和电气系统的损坏。电池储能系统或电网中变压器的开关操作也可能会导致开关过电压从而造成电气设备和电气系统的损坏。随着电气设备及电气系统智能化水平的大幅提升，设备及系统内电气元件和电子设备的使用率大幅提升，而这些元件和设备对电涌都十分敏感，通常只需要非常小的电涌就可能损坏这些电子元件和设备。

电池储能系统的雷电和电涌损坏

电力储能系统是能源革命的关键技术之一，因为它可以在现场存储本地生产的电力。集装箱电池储能系统可以大规模存储可再生能源系统，例如光伏系统和风力发电机组产生的电力，并根据需要传输给电网。由于分布式存储，它们增强了电网的稳定性，并且可以被电网运营商用来为电网提供均衡的电力。随着可再生能源比例的不断增加，对并网型储能系统的需求也在不断增加，集装箱电池储能系统的大规模布置也在不断增强。

为了给布置在集装箱中的高端电子产品提供保护，人们需要一个全面的雷电和电涌防护系统。更重要的是，由于集装箱的移动性质，其可能在世界各地进行安装使用，安装地点和操作条件可能会有巨大的差异。电池储能系统最大的危险之一就是雷击放电。由此产生的过电压远远超过储能系统中各电子、电气元件的介电强度。此外，电网内部产生的相关的过电压，例如，来自开关操作或接地和短路等故障导致的过电压也都必须被视为电池储能系统的潜在威胁。其也可能会导致电子元器件的损坏，例如，信息和通信系统的损坏以及逆变器或电池单元的损坏。在遭受直击雷的情况下，集装箱的金属屋顶也可能在下雨时穿孔，导致储能系统的水浸损坏。

如何实现电池储能系统的持续可用性也是一个很关键的问题。由于雷电损坏会导致严重的经济损失和高昂的维护和维修费用，因此为集装箱储能系统制定可靠的整体防雷解决方案十分重要。

关于储能系统整体防雷设计的相关标准要求

IEC 60364系列标准包含整体防雷系统的安装标准，适用于移动式建筑和固定式建筑。因此，移动式集装箱储能系统，分布式储能系统，以及永久布线，非移动式的电池储能系统都属于IEC 60364的适用范围。

IEC 60364-4-44涉及在通过供电网络传输的由于雷电等造成瞬态过电压的情况下，对电气系统的保护，包括供电线路中传输的直雷击和由开关操作引起的瞬态过电压。

该标准提供了系统各部位是否需要采取电涌保护措施的结论，评估了所在地点的风险，定义了电涌保护的类别和相应要求的设备额定耐冲击电压水平，并定义了是否需要额外的电涌保护装置。它还考虑了系统防雷需求的可及性。

根据IEC 62305-2进行风险分析，以确定需要采取哪些外部防雷措施，例如，在规划和实施防雷措施时需要考虑哪种级别的LPS（雷电防护系统）。

根据IEC 62305-3进行外部防雷系统的设计，以确定需要采取什么样的外部防雷措施，例如，在规划和实施防雷措施时需要考虑哪种方案的的ELPS（外部雷电防护系统）。

依据IEC 62305-4在并网设计中应对雷电和电涌保护措施作出设计。如果实施符合IEC 60364-4-44和IEC 62305的雷电和电涌保护措施，应按照IEC 60364-5-53进行安装。

风电储能系统(集装箱式储能系统)的防雷设计

DEHN集团深耕防雷领域100余年，可以为风电、光伏和储能产业提供全面的专业防雷解决方案，从而有效破解储能行业防雷难题。

目前，DEHN集团与国内众多储能系统集成商，储能系统配套厂家，设计院和业主都有深入和长期的合作关系，是国内储能系统电涌保护器（SPD）的主要供应商之一。

下面先以配备了电池储能系统的风力发电场为例，介绍一下风电储能系统的防雷设计，根据标准要求需要对储能系统的电子设备、电池和变流器进行防电涌保护。

图1：风电储能系统防雷设计

图1显示了一个风电储能系统(集装箱式)，储能系统升压变压器或汇流升压一体机的35kV交流高压侧需要进行防雷保护，可以采用DEHN集团的DMI系列中压避雷器，该系列产品可配备DIC 10自动脱离单元和IZ100雷击和泄露电流监测装置，可以可靠脱离系统中的故障避雷器，避免可能的接地故障，确保系统的无故障运行。储能变流器（PCS）或汇流升压一体机的交流侧可以选用DEHN集团DG SE 系列产品进行保护，以确保储能变流柜（PCS）持续可靠的运行。对储能变流器（PCS）或汇流升压一体机的直流侧，直流汇流箱，推荐使用DEHNcombo系列1+2级复合式电涌保护器产品，适用于高达1500V的直流系统的防雷保护。储能系统汇流箱与电池系统之间的直流连接线也需要进行防雷保护，同样推荐使用1+2级复合式电涌保护器DEHNcombo系列产品。

DEHN集团信息系统电涌保护器BLITZDUCTOR Connect系列，适用于储能系统有线数据接口，如RS485接口，模拟量，数字量，总线信号的电涌保护。其他的信息和通信接口如以太网接口可以由DEHNpatch系列产品可靠地保护。

对于隔离变压器230/400V和400/690V供电线路的保护我们建议使用DEHNguard系列电涌保护装置。

光伏储能系统(集装箱式储能系统)的防雷设计

下面再以配备了电池储能系统的光伏电站为例介绍一下光伏储能系统的防雷设计，根据标准要求也需要对该储能系统的电子设备、电池和变流器进行防电涌保护。

图2：光伏储能系统防雷设计

图2显示了一个光伏储能系统(集装箱式)，通常设计中它通过集装箱的金属外壳将直击雷泄放到土壤中，但是这里存在一个风险，普通货柜集装箱顶板和侧板的钢材厚度一般为2.0和1.6mm这个厚度不能保证在承接雷电流时不被熔化击穿（引自GB50057-2010,条文说明5.7，已经证实，铁板遭雷击时，当其厚度小于4mm时在与闪击通道接触处有可能由于熔化而烧穿）。为了防止直击雷在金属屋顶产生熔化孔，可以在集装箱的四个角安装独立接闪针作为设计的接闪器，并使用DEHN集团专利产品HVI引下线即耐高压绝缘引下线来解决集装箱式储能系统面对的直击雷以及其产生的雷击电磁脉冲风险。图中所示的接地系统由30 x 3.5 mm的扁钢或直径为14mm的圆钢组成。

对于230/400V供电线路的防雷保护，我们建议使用DEHN集团的DEHNguard系列电涌保护装置，可以可靠地保护终端设备。DEHN集团信息系统电涌保护器BLITZDUCTOR Connect系列，适用于储能系统有线数据接口，如RS485接口，模拟量，数字量，总线信号的电涌保护。其他的信息和通信接口如以太网可以由DEHN集团的DEHNpatch系列产品可靠地保护，同轴天线接口可以由DEHNgate系列产品可靠地保护。电池与变流器直流输出侧之间的连接线推荐使用DEHNcombo系列1+2级复合式电涌保护器产品，适用于高达1500V的直流系统的防雷保护。

DEHNpatch系列产品可以为户外监控单元提供保护，比如带有PoE接线的摄像机。此外，如果太阳能电站使用LED照明，也应该使用DEHN集团的DEHNcord系列产品保护其免受电涌和开关操作的影响。标准中要求的等电位连接可以通过DEHN集团K12等电位连接排实现。这些接地排经过专门测试，适用于根据IEC 60364-4-41/ 60364-5 - 54进行保护和功能等电位连接的应用场景，需要根据IEC 62305-3进行雷电等电位连接。

中国承诺2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和，这是中国推动落实应对气候变化《巴黎协定》所迈出的重要一步，在此背景下，随着可再生能源产品的大发展，储能行业也迎来了爆发式的增长。而一个产业要想健康可持续发展，其前提条件是行业标准的完善和规范。近年来DEHN积极投身于国内的国家、行业以及团体标准的制定中，先后参与了GB/T 18802.11， GB/T 18802.21，GB/T33588.8等标准的编制，也与各个认证机构和相关组织进行密切合作，制定了一系列的先进技术应用规范。