劉會濤，吳平平，許結芳，王少坤，蔡舒鵬，金 曄，陳 峰

（1.廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東佛山 528244；2.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006；3.中鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519075）

0 引言

近些年，隨著“雙碳”政策的落地，海上風電得到了國家的高度重視和大力發(fā)展[1]。海上風電的發(fā)展也強力帶動著海上風電安裝平臺的發(fā)展。我國傳統(tǒng)的風力發(fā)電機機組大多通過使用海上起重船來進行吊裝作業(yè)來完成機組安裝，作業(yè)過程極易受到當時的海況影響，工作效率低下。國外海上風機的安裝很早就開始采用專用的風機安裝平臺，使用海上風電安裝平臺時，平臺每次能夠自己攜帶3～5臺風電機組，這樣可以大大節(jié)省風電安裝的工作效率。而國內海上風電事業(yè)相對于國外起步較晚[2]，早期大多數海上風電安裝平臺的相關技術處于國外壟斷的狀態(tài)。目前海上風電安裝平臺一般分為兩種類型，一種是自升式安裝平臺，平臺本身沒有配備動力源，當在一個地點完成風機安裝作業(yè)后，需要利用拖船將平臺拖入下一個地點。還有一種是自航自升式安裝平臺，這種平臺本身配有動力源，完成作業(yè)后就可以自己航行到下一個地點。無論哪一種平臺，平臺的日常工作都離不開電能的供應。研究電能供應的綠色方案也是風電安裝平臺今后發(fā)展的重要方向。

近年來各國船舶行業(yè)積極推動和拓展綠色船舶技術的應用[3]。船舶儲能系統(tǒng)作為船舶上一個特殊的系統(tǒng)，系統(tǒng)包含了儲能蓄電池、電池管理系統(tǒng)等。如今市面上的儲能技術可以分為兩類能量型和功率型[4]，能量型儲能在實際應用中主要是利用其長期充放電能力。功率型儲能在實際中則主要是利用其短時功率輸出能力。

儲能設備主要有鉛酸電池、鎳基電池、鋰電池、燃料電池等。由于船舶的工作環(huán)境是常年在海上那種高溫、高濕和高鹽度等環(huán)境中，與陸地儲能系統(tǒng)良好的環(huán)境控制能力差異巨大，這就對船舶儲能系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求。而船舶在海上的運動過程中會產生搖擺和振動會給儲能系統(tǒng)帶來不確定性的影響。船舶在海上孤立航行，沒法像陸地電力系統(tǒng)一樣有有主電網支撐，因此在船舶航行的過程中，儲能系統(tǒng)就需要擔任多種不同的角色。綜上所訴，在當前的技術條件下，以鋰電池為代表的蓄電池技術是承擔船舶基礎負荷的主要手段[5]，其類型主要包括三元鋰電池[6]和磷酸鐵鋰電池[7]，該類鋰電池具有較高的能量密度、較寬的溫度運行區(qū)間（0～35℃）及相對可靠的安全管理方法[8]。

1 儲能系統(tǒng)的安裝與管理

海上風電安裝平臺雖然與在海上航行的船只有所區(qū)別，但對于儲能系統(tǒng)的需求是一樣的。通過以某自升自航式風電安裝船的儲能系統(tǒng)為例，分析大容量儲能系統(tǒng)在風電安裝船上的使用方法與應用前景。該自升自航式風電安裝船儲能系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)配備了一套約1 600 kW·h的磷酸鐵鋰電池組，還對應地配套了一套電池管理系統(tǒng)。該儲能電池需要滿足的工況有：（1）發(fā)電機提供600 V電源，電池充電；（2）非動力定位模式下，發(fā)電機與電池并聯，提供600 V電源；（3）動力定位DP-1模式下，發(fā)電機與電池并聯，提供600 V電源；（4）降平臺時，升降系統(tǒng)做逆功，蓄電池充電。

圖1 風電安裝船儲能系統(tǒng)

1.1 電池的安裝

該自升自航式風電安裝船的儲能元件由電池包組成，安裝電池包時需要使用液壓堆高車等工具車將電池包裝入電池架定位槽內，利用電池架滑輪將電池包推入電池架，將電池包固定孔與電池架固定螺紋孔對齊；電池包固定孔與電池架螺紋孔對齊后，使用M12X20六角螺栓將電池包與電池架固定，使用扭力扳手擰緊，扭力值40 N·m。單體電池基本參數如表1所示，電池包的規(guī)格參數如表2所示。

表1 單體電池基本參數

表2 電池包規(guī)格參數

1.2 電池管理系統(tǒng)

自升自航式風電安裝平臺儲能系統(tǒng)配備了一套BMS鋰電池管理系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)是電池系統(tǒng)與外部用電負載系統(tǒng)的紐帶，實現電池系統(tǒng)的實時性能管理、故障分析排除、能量控制管理等功能，且不間斷實時采集、存儲、處理電池系統(tǒng)運行過程中的數據信息。

BMS鋰電池管理系統(tǒng)可以通過相對應的算法，實時對電池的外部參數和電池內部的各類變量進行監(jiān)控和分析，并對估算電池狀態(tài)。通過管理系統(tǒng)的數據處理后對電池進行狀態(tài)管理和故障報警等動作，這能有效提升該電池管理系統(tǒng)的控制效果，保證電池處于健康的狀態(tài)，保障平臺的用電需求。

BMS除了具備單體和總電壓、電流、溫度和絕緣狀態(tài)的檢測和保護，配備了散熱風扇控制以及低溫電池系統(tǒng)加熱等基本功能，同步開發(fā)了高功率主動均衡、系統(tǒng)遠程監(jiān)控等高級功能。電池管理系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 BMS電池管理監(jiān)控系統(tǒng)

1.3 電池安全管理

電池管理系統(tǒng)采用多重策略確保電池系統(tǒng)安全，防止電池系統(tǒng)出現過充、過放、過溫、過流風險，電池系統(tǒng)可采用3級報警機制，每種機制對應不同的處理方式，通過Modbus 485或Modbus TCP通訊向ESCS控制器發(fā)送限功率或經方禁充禁放等指令來確保電池系統(tǒng)安全。當檢測到電池系統(tǒng)出現極限故障時，啟用極限故障處理機制，當ESCS控制器在一定時間內未與BMS通訊的情況下，將直接切斷繼電器確保電池系統(tǒng)的安全。電池安全管理需要注意以下3點：（1）絕緣檢測，BMS系統(tǒng)可針對單支路進行實時絕緣檢測，防止絕緣失效從而導致人員觸電事故的發(fā)生；（2）電氣間隙和爬電距離，電池系統(tǒng)設計中要考慮電氣間隙以及爬電距離設計，按照相應的標準進行設計確保整個電池包的電氣安全；（3）IP防護等級，電池包設計滿足IP67級設計標準，確保整個電池系統(tǒng)在使用中的安全。

2 儲能系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)

為保證電池系統(tǒng)正常運行，需要日常對電池進行維護與保養(yǎng)，良好的使用環(huán)境和維護保養(yǎng)能夠保證電池長期、安全、穩(wěn)定的使用。日常保養(yǎng)以清潔、檢查性能為中心。以該自升自航式風電安裝平臺的電池保養(yǎng)為例，保養(yǎng)項目和周期如表3所示。

表3 電池保養(yǎng)項目與周期

2.1 UPS使用注意事項

UPS相對于儲能系統(tǒng)的其他部件日常維護的工作內容較少，儲能系統(tǒng)在日常運行中應多注意UPS的運行環(huán)境。UPS對運行時的環(huán)境要求較高，平時維護時主要注意UPS運行環(huán)境中的外部碎屑和灰塵以及各類元器件表面的雜質。進行運行環(huán)境維護時可以使用低壓空氣和吸塵器進行清理。

日常使用UPS時需要注意以下事項：應注意保持UPS運行過程中的通風散熱和環(huán)境整潔，確保系統(tǒng)的正常運行；使用UPS時禁止隨意更改系統(tǒng)的負載，注意做好UPS應有的標識，以防工作過程中出現不必要的故障和危險；UPS不適合帶強感性負載，插接過多強感性負載將會造成UPS的損壞。電池電量不足時，使用發(fā)電機給UPS供電必須要使發(fā)電機功率大于UPS的額定功率兩倍。為了UPS有更好可靠性，其輸出負載應控制在60%左右最佳。

2.2 蓄電池使用注意事項

2.2.1 蓄電池的安裝注意事項

蓄電池的在安裝時，電池間距應為15 mm以上，應放置在遠離易燃物和可能有爆燃危險的潮濕地方，并盡量置于避免有陽光強烈直射及具有大量易燃有機溶劑氣體混合物的高溫環(huán)境中[10]；安全距離為0.5 m。蓄電池室應配備各類環(huán)境控制設備，例如通風機、除濕空調等，保證蓄電池有良好的工作環(huán)境。蓄電池室內必須配備應有的報警裝置。

蓄電池安裝時要充分做好環(huán)境檢查，要盡可能避免在蓄電池安裝完成后的使用過程中，發(fā)生電池浸水和腐蝕事故。電池架是蓄電池安裝的重要部件，電池架的設計安裝須盡量方便現場巡檢人員操作和全方位地觀察電池外部狀況，層間距離也應盡量留有充分的空間方便平時現場維護人員對電池進行維修和保養(yǎng)，電池架的使用還有利于電池組的通風，有效保證電池安全的正常運行。為了防止因電池組在安裝和運輸過程中出現漏液短路，電池架應避免接地。

關于蓄電池安裝過程中使用的連接線，一般要求線材應盡可能地短，而且線材的截面積要大于所有負載所用線材截面積的1倍。工作人員在進行連接線連接作業(yè)時，應佩戴好絕緣防護手套。連接過程中使用金屬工具時，應禁止金屬工具兩端靠近電池的正負兩個端子并做好絕緣包裝，防止因金屬工具的導電而發(fā)生危險狀況。蓄電池電池極柱安裝前，連接處表面應按照要求清理干凈，并保持良好的清潔程度。為了防止電池打火，完成連接后還要必須用扭矩扳手將螺栓全部進行緊固。外部設備在與蓄電池相連之前應保持斷開狀態(tài)，外部設備與蓄電池完成連接后應對連接線進行緊固。

2.2.2 蓄電池的使用注意事項

蓄電池安裝完成后，應及時做好《首次運行檢查記錄》，對于電池的首次運行檢查應特別檢查電池是否有漏液現象。因為電池安裝和運輸的過程中，有許多不可控的因素可能會損傷到電池，造成電池漏液，如果電池出現漏液應及時通知有關廠家進行電池更換。電池的首次運行應在安裝完成后48～72 h內完成。

蓄電池的允許工作溫度為-20～+50℃。請勿將新舊程度、容量、性能用途不同的蓄電池混用。使用蓄電池應避免過充過放，這會大大減少電池壽命。禁止使用有機溶劑擦拭和能產生大量靜電的物品靠近蓄電池。

2.2.3 蓄電池保養(yǎng)

為盡可能地的發(fā)揮電池的使用壽命，應做到盡量定期地對系統(tǒng)進行檢查和保養(yǎng)[11]，定期保養(yǎng)電池和維護電路；要做到定期檢查維護蓄電池，使系統(tǒng)保持安全的運轉狀態(tài)。保持好整個電池系統(tǒng)工作環(huán)境的整潔,緊固易松動部位的螺絲。盡量保持電池系統(tǒng)的環(huán)境溫度始終維持在15～25℃之間，溫度保持在這個區(qū)間可以使得電池有較長的循環(huán)壽命；若突然發(fā)現電池組的供電能力大幅縮短，聯系電池生產廠家更換電池時，需要注意新的電池規(guī)格必須要與原電池的出廠參數性能和規(guī)格保持一致。

2.3 水冷卻機維護事項

水冷卻機維護的主要應從設備運行狀態(tài)、振動情況、噪聲、運行數據等分析設備是否存在安全隱患。設備巡檢一般是在系統(tǒng)停運時對其進行維護，對于日常運行中無法在線解決的事項，在年檢維護時進行，每兩年交替巡檢。

2.3.1 每年巡檢

每年巡檢時，對控制系統(tǒng)的檢查應注意巡視控制柜面板上的信號燈指示是否正確，檢查上位機的對水冷卻的報警數據信息。對管道、液箱類進行巡檢時，主要檢查冷卻水流量是否正常：供水回水壓力是否正常；循環(huán)泵、風扇運行是否正常，各類電機散熱片除塵；各進出水口、連接口和水泵是否有漏水；循環(huán)冷卻液是否需要更換。檢查換熱器時需要注意冷凝器，表面是否有污垢，并及時清理，確保進風良好。

2.3.2 每兩年巡檢

第二年巡檢一般是包含每第一年巡檢內容并在每年最后一周巡檢時增加內容?？刂祁悪z查時需要增加電控柜及各機電部件電氣絕緣檢查；輸出開關量信號的中間繼電器通電檢查；緊固各電氣元件接線端子；輸出開關量信號的中間繼電器通電檢查；檢測控制開關是否能正常工作。檢查機械結構和管道時增加更換老化保溫棉；更換密封墊，如：各閥門、快速接頭、流量計、罐體連接處、法蘭密封圈等；更換循環(huán)泵機封；檢查儀表接口是否松動；檢查螺栓緊固程度；各機械部件工作性能檢查；水冷卻機內外除塵去污，對框架表面除銹補漆；對以上檢查內容進行確認并記錄。

3 儲能系統(tǒng)的風險分析與預防

儲能系統(tǒng)的儲能元件采用的是磷酸鐵鋰電池，該電池在使用過程中會產生電化學、化學、熱力學等類型的反應。磷酸鐵鋰電池意外事故主要是由于外部被動加熱或內部過度放熱反應所致。對蓄電池的風險分析主要有電擊風險、燃燒爆炸風險、氣體蔓延風險、外部風險等。

3.1 電擊風險

導致電池系統(tǒng)發(fā)生觸電的原因一般有兩種：電芯外殼或高壓端口的接觸防護失效；正負極與殼體的絕緣失效，動力電池系統(tǒng)的外殼不同部位帶電且電位不等。

針對電擊事故，主要以預防為主，阻斷為輔。電池系統(tǒng)組要由電池包構成，每個電池包正負極都是由插件連接，不存在裸露的正負極，人體不易直接接觸到電池系統(tǒng)正負極。

BMS管理系統(tǒng)在上高壓前都會自主檢測電池系統(tǒng)絕緣性能，確保上高壓前無絕緣故障，上高壓后，由后端負載實時監(jiān)測絕緣性能值，并實時與BMS系統(tǒng)發(fā)送檢測結果，當絕緣值低于安全標準時，電池系統(tǒng)將會切斷電池系統(tǒng)，禁止進行充放電，保證安全裕量。

3.2 燃燒爆炸風險

大容量儲能系統(tǒng)使用過程中，電池存在發(fā)生瞬間爆燃的事故風險[12]，常見的爆燃事故原因有以下這3類：電池內部產生放熱副反應時會導致電池過熱，引燃了部分電解液和電池中其他的可燃物質；電池系統(tǒng)的連接部分出現局部阻抗過大，進而導致電流通過時產生過多的熱量，引燃電池內部的可燃物質；電池外部環(huán)境溫度過高，使得電池內部的可熱物質達到著火點，引起電池內部燃燒和爆炸。

針對燃燒事故，預防、阻斷和降損有效結合。良好的系統(tǒng)防護實設計，減少外部接觸機會，電池包、BMS、匯流柜等部件外殼均為阻燃材質，具有不助燃等特性；良好的散熱性能，降低內部熱積累速度，電池包有液冷循環(huán)設計，使用液冷技術，有效帶走電池包內部產生的熱量，使電池包內部不易堆積熱量；BMS從控可以實時監(jiān)控電池內部溫度電壓變化，當溫度失控時，可及時發(fā)出報警信息。

針對爆炸事故，預防為主，降損為輔：預防熱失控事故的發(fā)生，避免內外部壓力失衡；電池包外殼安裝有泄壓閥，當電池包發(fā)生熱失控時，泄壓閥裝置快速釋放高溫高壓氣體，降低電池包發(fā)生爆炸的風險。被動安全防護措施：電池包外殼具有足夠的結構強度，并通過國際振動測試，箱蓋具有加強設計，防止電池包殼體變形。主動安全防護措施：電池系統(tǒng)可以主動監(jiān)測溫度、電壓、電流，當電池系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)過充電、過放電、高溫、低溫、絕緣狀態(tài)低時均會主動保護電池系統(tǒng)。

3.3 氣體蔓延風險

電芯熱失控是導致氣體蔓延的主要原因。電芯發(fā)生熱失控時會噴出高溫氣體和顆?；旌衔?，這些氣體易燃、有毒，極易發(fā)生起火爆炸，隨后引發(fā)大量氣體蔓延，危害人身安全[13]。

針對氣體蔓延事故，關鍵是預防、阻斷熱失控，從材料、機械、電氣、艙室設計4個方面進行。在材料方面，電池包外殼為鈑金件，該材料具有良好的散熱、阻燃、防爆能力；機械方面，電芯外殼為鋁塑膜封邊，當內外壓力失衡時，鋁塑膜會被擠壓漲破，及時釋放內部氣體，防止電芯爆炸，引發(fā)氣體劇烈釋放和蔓延；在電氣方面，電池管理系統(tǒng)實時進行電芯溫度、電壓、電流，實時過溫過壓保護及報警，能夠有效預防熱失控以及所致的氣體蔓延；電池艙室設計裝配可燃氣體探測裝置、感溫、感煙探測裝置，當熱失控發(fā)生時，可及時啟動應急排氣系統(tǒng)，釋放出可燃氣體，進入事故艙室時，應佩戴防毒面具等設備，預防毒氣傷害。

3.4 外部風險

針對外部火災風險，預防與阻斷相結合：電池管理系統(tǒng)可及時監(jiān)控電池包內部電池溫度，蓄電池艙室內配備火災防控裝置，該裝置能對可能引發(fā)火災的危險源征兆進行探測，并發(fā)出報警，自動或手動啟動噴放抑制介質。同時也配備滅火系統(tǒng)，在火災初期進行滅火降溫，蓄電池包及其電池系統(tǒng)相關設備的外殼為不易燃材料，可盡量阻止火災蔓延，為工作人員爭取緊急處理和逃生的時間。

針對外部水侵入風險，預防與阻斷相結合：蓄電池包的防護等級為IP67，防水等級為7級，具有防短時浸泡能力，當外殼暫時浸泡在1 m深的水里將不會造成有害影響，保證即使外部浸水也可以有效對電池系統(tǒng)進行防護。

4 結束語

本文以某自升自航式海上風電安裝平臺上所安裝的大容量儲能系統(tǒng)為例，首先介紹了該大容量儲能系統(tǒng)在風電安裝平臺上的安裝流程以及系統(tǒng)的相關參數，電池管理系統(tǒng)BMS的功能和電池管理過程中的注意事項。歸納了大容量儲能系統(tǒng)在日常使用過程中需要做到的維護與保養(yǎng)。分析電池系統(tǒng)運行中存在的風險并給出了相關的預防措施，給今后更多想將大容量儲能系統(tǒng)應用風電安裝平臺上的設計者們提供參考。未來根據風電平臺的需求該套儲能系統(tǒng)還可以利用平臺下降時產生的動能對蓄電池進行充電，起重機作業(yè)時產生的逆功，進一步降低發(fā)電機的使用，減少污染排放，推動風電安裝事業(yè)的綠色發(fā)展。隨著大容量儲能技術的快速發(fā)展，以大容量儲能系統(tǒng)為主要供電系統(tǒng)的海上船只將越來越多，今后在海上風電安裝平臺行業(yè)中大容量儲能系統(tǒng)的應用也將逐步成為主流。