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摘要：随着海上风电安装平台的迅速发展，风电安装平台储能设备作为平台日常工作能够的关键环节，也随之受到了广泛的关注。风电安装平台的用电需求可以通过发电机和蓄电池来提供，而发电机会产生污染排放，因此，发展安装平台的大容量储能技术可以有效减少发电机的使用，促进风机安装平台行业的绿色发展。以某自升自航式风电安装平台的大容量储能系统为例，其以磷酸铁锂电池为储能元件，采用BMS锂电池管理系统，电池系统采用3级报警机制以防止电池系统出现过充、过放、过温、过流风险。由于目前对船用大容量储能系统从安装到维护进行完整综述的研究还有所欠缺，因此介绍了这种大容量储能系统的安装、使用、维护技术和风险点，以实际应用情况来分析大容量储能系统的优势，为其在风电安装平台上的应用提供参考与建议。
关键词：海上风电；风电安装平台；储能系统
Application of Large Capacity Energy Storage System on Wind Power Installation Platform
Liu Huitao1，Wu Pingping1，Xu Jiefang1，Wang Shaokun1，Cai Shupeng2，Jin Ye3，Cheng Feng1
(1.KEEN Offshore Engineering Co.,Ltd.,Foshan,Guangdong 528200,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;3.CRCC Harbour Channel&Engineering Bureau Group Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519075,China)
Abstract:With the rapid development of offshore wind power installation platform,energy storage equipment of wind power installation platform,as a key part of the daily work of the platform,has also attracted extensive attention.The electricity demand of wind power installation platform can be provided by generators and batteries,which will produce pollution emissions.Therefore,the development of large-capacity energy storage technology of installation platform can effectively reduce the use of generators and promote the green development of fan installation platform industry.The large-capacity energy storage system of the self-lifting and self-propelled wind power installation platform was taken as an example.The energy storage system of the platform took lithium iron phosphate battery as the energy storage element and adopted BMS lithium battery management system.The battery system adopted a three-level alarm mechanism to prevent the risks of overcharge,overdischarge,overtemperature and overcurrent in the battery system.At present,there is still a lack of a complete review of the marine large-capacity system from installation to maintenance.So the installation,use,maintenance and risk analysis of the large capacity energy storage system were introduced,the advantages of the large capacity energy storage system were analyzed based on the actual application,and references and suggestions for the future application of the large capacity energy storage system in the wind power installation platform was provided.
Key words:offshore wind power;wind power installation platform;energy storage system
0引言
近些年，随着“双碳”政策的落地，海上风电得到了国家的高度重视和大力发展[1]。海上风电的发展也强力带动着海上风电安装平台的发展。我国传统的风力发电机机组大多通过使用海上起重船来进行吊装作业来完成机组安装，作业过程极易受到当时的海况影响，工作效率低下。国外海上风机的安装很早就开始采用专用的风机安装平台，使用海上风电安装平台时，平台每次能够自己携带3~5台风电机组，这样可以大大节省风电安装的工作效率。而国内海上风电事业相对于国外起步较晚[2]，早期大多数海上风电安装平台的相关技术处于国外垄断的状态。目前海上风电安装平台一般分为两种类型，一种是自升式安装平台，平台本身没有配备动力源，当在一个地点完成风机安装作业后，需要利用拖船将平台拖入下一个地点。还有一种是自航自升式安装平台，这种平台本身配有动力源，完成作业后就可以自己航行到下一个地点。无论哪一种平台，平台的日常工作都离不开电能的供应。研究电能供应的绿色方案也是风电安装平台今后发展的重要方向。
近年来各国船舶行业积极推动和拓展绿色船舶技术的应用[3]。船舶储能系统作为船舶上一个特殊的系统，系统包含了储能蓄电池、电池管理系统等。如今市面上的储能技术可以分为两类能量型和功率型[4]，能量型储能在实际应用中主要是利用其长期充放电能力。功率型储能在实际中则主要是利用其短时功率输出能力。
储能设备主要有铅酸电池、镍基电池、锂电池、燃料电池等。由于船舶的工作环境是常年在海上那种高温、高湿和高盐度等环境中，与陆地储能系统良好的环境控制能力差异巨大，这就对船舶储能系统的可靠性提出了更高要求。而船舶在海上的运动过程中会产生摇摆和振动会给储能系统带来不确定性的影响。船舶在海上孤立航行，没法像陆地电力系统一样有有主电网支撑，因此在船舶航行的过程中，储能系统就需要担任多种不同的角色。综上所诉，在当前的技术条件下，以锂电池为代表的蓄电池技术是承担船舶基础负荷的主要手段[5]，其类型主要包括三元锂电池[6]和磷酸铁锂电池[7]，该类锂电池具有较高的能量密度、较宽的温度运行区间(0~35℃)及相对可靠的安全管理方法[8]。
1储能系统的安装与管理
海上风电安装平台虽然与在海上航行的船只有所区别，但对于储能系统的需求是一样的。通过以某自升自航式风电安装船的储能系统为例，分析大容量储能系统在风电安装船上的使用方法与应用前景。该自升自航式风电安装船储能系统如图1所示，该系统配备了一套约1 600 kW·h的磷酸铁锂电池组，还对应地配套了一套电池管理系统。该储能电池需要满足的工况有：(1)发电机提供600 V电源，电池充电；(2)非动力定位模式下，发电机与电池并联，提供600 V电源；(3)动力定位DP-1模式下，发电机与电池并联，提供600 V电源；(4)降平台时，升降系统做逆功，蓄电池充电。
1.1电池的安装
该自升自航式风电安装船的储能元件由电池包组成，安装电池包时需要使用液压堆高车等工具车将电池包装入电池架定位槽内，利用电池架滑轮将电池包推入电池架，将电池包固定孔与电池架固定螺纹孔对齐；电池包固定孔与电池架螺纹孔对齐后，使用M12X20六角螺栓将电池包与电池架固定，使用扭力扳手拧紧，扭力值40 N·m。单体电池基本参数如表1所示，电池包的规格参数如表2所示。
1.2电池管理系统
自升自航式风电安装平台储能系统配备了一套BMS锂电池管理系统[9]。该系统是电池系统与外部用电负载系统的纽带，实现电池系统的实时性能管理、故障分析排除、能量控制管理等功能，且不间断实时采集、存储、处理电池系统运行过程中的数据信息。
BMS锂电池管理系统可以通过相对应的算法，实时对电池的外部参数和电池内部的各类变量进行监控和分析，并对估算电池状态。通过管理系统的数据处理后对电池进行状态管理和故障报警等动作，这能有效提升该电池管理系统的控制效果，保证电池处于健康的状态，保障平台的用电需求。
BMS除了具备单体和总电压、电流、温度和绝缘状态的检测和保护，配备了散热风扇控制以及低温电池系统加热等基本功能，同步开发了高功率主动均衡、系统远程监控等高级功能。电池管理系统界面如图2所示。
1.3电池安全管理
电池管理系统采用多重策略确保电池系统安全，防止电池系统出现过充、过放、过温、过流风险，电池系统可采用3级报警机制，每种机制对应不同的处理方式，通过Modbus 485或Modbus TCP通讯向ESCS控制器发送限功率或经方禁充禁放等指令来确保电池系统安全。当检测到电池系统出现极限故障时，启用极限故障处理机制，当ESCS控制器在一定时间内未与BMS通讯的情况下，将直接切断继电器确保电池系统的安全。电池安全管理需要注意以下3点：(1)绝缘检测，BMS系统可针对单支路进行实时绝缘检测，防止绝缘失效从而导致人员触电事故的发生；(2)电气间隙和爬电距离，电池系统设计中要考虑电气间隙以及爬电距离设计，按照相应的标准进行设计确保整个电池包的电气安全；(3)IP防护等级，电池包设计满足IP67级设计标准，确保整个电池系统在使用中的安全。
2储能系统的维护与保养
为保证电池系统正常运行，需要日常对电池进行维护与保养，良好的使用环境和维护保养能够保证电池长期、安全、稳定的使用。日常保养以清洁、检查性能为中心。以该自升自航式风电安装平台的电池保养为例，保养项目和周期如表3所示。
2.1 UPS使用注意事项
UPS相对于储能系统的其他部件日常维护的工作内容较少，储能系统在日常运行中应多注意UPS的运行环境。UPS对运行时的环境要求较高，平时维护时主要注意UPS运行环境中的外部碎屑和灰尘以及各类元器件表面的杂质。进行运行环境维护时可以使用低压空气和吸尘器进行清理。
日常使用UPS时需要注意以下事项：应注意保持UPS运行过程中的通风散热和环境整洁，确保系统的正常运行；使用UPS时禁止随意更改系统的负载，注意做好UPS应有的标识，以防工作过程中出现不必要的故障和危险；UPS不适合带强感性负载，插接过多强感性负载将会造成UPS的损坏。电池电量不足时，使用发电机给UPS供电必须要使发电机功率大于UPS的额定功率两倍。为了UPS有更好可靠性，其输出负载应控制在60%左右最佳。
2.2蓄电池使用注意事项
2.2.1蓄电池的安装注意事项
蓄电池的在安装时，电池间距应为15 mm以上，应放置在远离易燃物和可能有爆燃危险的潮湿地方，并尽量置于避免有阳光强烈直射及具有大量易燃有机溶剂气体混合物的高温环境中[10]；安全距离为0.5 m。蓄电池室应配备各类环境控制设备，例如通风机、除湿空调等，保证蓄电池有良好的工作环境。蓄电池室内必须配备应有的报警装置。
蓄电池安装时要充分做好环境检查，要尽可能避免在蓄电池安装完成后的使用过程中，发生电池浸水和腐蚀事故。电池架是蓄电池安装的重要部件，电池架的设计安装须尽量方便现场巡检人员操作和全方位地观察电池外部状况，层间距离也应尽量留有充分的空间方便平时现场维护人员对电池进行维修和保养，电池架的使用还有利于电池组的通风，有效保证电池安全的正常运行。为了防止因电池组在安装和运输过程中出现漏液短路，电池架应避免接地。
关于蓄电池安装过程中使用的连接线，一般要求线材应尽可能地短，而且线材的截面积要大于所有负载所用线材截面积的1倍。工作人员在进行连接线连接作业时，应佩戴好绝缘防护手套。连接过程中使用金属工具时，应禁止金属工具两端靠近电池的正负两个端子并做好绝缘包装，防止因金属工具的导电而发生危险状况。蓄电池电池极柱安装前，连接处表面应按照要求清理干净，并保持良好的清洁程度。为了防止电池打火，完成连接后还要必须用扭矩扳手将螺栓全部进行紧固。外部设备在与蓄电池相连之前应保持断开状态，外部设备与蓄电池完成连接后应对连接线进行紧固。
2.2.2蓄电池的使用注意事项
蓄电池安装完成后，应及时做好《首次运行检查记录》，对于电池的首次运行检查应特别检查电池是否有漏液现象。因为电池安装和运输的过程中，有许多不可控的因素可能会损伤到电池，造成电池漏液，如果电池出现漏液应及时通知有关厂家进行电池更换。电池的首次运行应在安装完成后48~72 h内完成。
蓄电池的允许工作温度为-20~+50℃。请勿将新旧程度、容量、性能用途不同的蓄电池混用。使用蓄电池应避免过充过放，这会大大减少电池寿命。禁止使用有机溶剂擦拭和能产生大量静电的物品靠近蓄电池。
2.2.3蓄电池保养
为尽可能地的发挥电池的使用寿命，应做到尽量定期地对系统进行检查和保养[11]，定期保养电池和维护电路；要做到定期检查维护蓄电池，使系统保持安全的运转状态。保持好整个电池系统工作环境的整洁,紧固易松动部位的螺丝。尽量保持电池系统的环境温度始终维持在15~25℃之间，温度保持在这个区间可以使得电池有较长的循环寿命；若突然发现电池组的供电能力大幅缩短，联系电池生产厂家更换电池时，需要注意新的电池规格必须要与原电池的出厂参数性能和规格保持一致。
2.3水冷却机维护事项
水冷却机维护的主要应从设备运行状态、振动情况、噪声、运行数据等分析设备是否存在安全隐患。设备巡检一般是在系统停运时对其进行维护，对于日常运行中无法在线解决的事项，在年检维护时进行，每两年交替巡检。
2.3.1每年巡检
每年巡检时，对控制系统的检查应注意巡视控制柜面板上的信号灯指示是否正确，检查上位机的对水冷却的报警数据信息。对管道、液箱类进行巡检时，主要检查冷却水流量是否正常：供水回水压力是否正常；循环泵、风扇运行是否正常，各类电机散热片除尘；各进出水口、连接口和水泵是否有漏水；循环冷却液是否需要更换。检查换热器时需要注意冷凝器，表面是否有污垢，并及时清理，确保进风良好。
2.3.2每两年巡检
第二年巡检一般是包含每第一年巡检内容并在每年最后一周巡检时增加内容。控制类检查时需要增加电控柜及各机电部件电气绝缘检查；输出开关量信号的中间继电器通电检查；紧固各电气元件接线端子；输出开关量信号的中间继电器通电检查；检测控制开关是否能正常工作。检查机械结构和管道时增加更换老化保温棉；更换密封垫，如：各阀门、快速接头、流量计、罐体连接处、法兰密封圈等；更换循环泵机封；检查仪表接口是否松动；检查螺栓紧固程度；各机械部件工作性能检查；水冷却机内外除尘去污，对框架表面除锈补漆；对以上检查内容进行确认并记录。
3储能系统的风险分析与预防
储能系统的储能元件采用的是磷酸铁锂电池，该电池在使用过程中会产生电化学、化学、热力学等类型的反应。磷酸铁锂电池意外事故主要是由于外部被动加热或内部过度放热反应所致。对蓄电池的风险分析主要有电击风险、燃烧爆炸风险、气体蔓延风险、外部风险等。
3.1电击风险
导致电池系统发生触电的原因一般有两种：电芯外壳或高压端口的接触防护失效；正负极与壳体的绝缘失效，动力电池系统的外壳不同部位带电且电位不等。
针对电击事故，主要以预防为主，阻断为辅。电池系统组要由电池包构成，每个电池包正负极都是由插件连接，不存在裸露的正负极，人体不易直接接触到电池系统正负极。
BMS管理系统在上高压前都会自主检测电池系统绝缘性能，确保上高压前无绝缘故障，上高压后，由后端负载实时监测绝缘性能值，并实时与BMS系统发送检测结果，当绝缘值低于安全标准时，电池系统将会切断电池系统，禁止进行充放电，保证安全裕量。
3.2燃烧爆炸风险
大容量储能系统使用过程中，电池存在发生瞬间爆燃的事故风险[12]，常见的爆燃事故原因有以下这3类：电池内部产生放热副反应时会导致电池过热，引燃了部分电解液和电池中其他的可燃物质；电池系统的连接部分出现局部阻抗过大，进而导致电流通过时产生过多的热量，引燃电池内部的可燃物质；电池外部环境温度过高，使得电池内部的可热物质达到着火点，引起电池内部燃烧和爆炸。
针对燃烧事故，预防、阻断和降损有效结合。良好的系统防护实设计，减少外部接触机会，电池包、BMS、汇流柜等部件外壳均为阻燃材质，具有不助燃等特性；良好的散热性能，降低内部热积累速度，电池包有液冷循环设计，使用液冷技术，有效带走电池包内部产生的热量，使电池包内部不易堆积热量；BMS从控可以实时监控电池内部温度电压变化，当温度失控时，可及时发出报警信息。
针对爆炸事故，预防为主，降损为辅：预防热失控事故的发生，避免内外部压力失衡；电池包外壳安装有泄压阀，当电池包发生热失控时，泄压阀装置快速释放高温高压气体，降低电池包发生爆炸的风险。被动安全防护措施：电池包外壳具有足够的结构强度，并通过国际振动测试，箱盖具有加强设计，防止电池包壳体变形。主动安全防护措施：电池系统可以主动监测温度、电压、电流，当电池系统检测到系统过充电、过放电、高温、低温、绝缘状态低时均会主动保护电池系统。
3.3气体蔓延风险
电芯热失控是导致气体蔓延的主要原因。电芯发生热失控时会喷出高温气体和颗粒混合物，这些气体易燃、有毒，极易发生起火爆炸，随后引发大量气体蔓延，危害人身安全[13]。
针对气体蔓延事故，关键是预防、阻断热失控，从材料、机械、电气、舱室设计4个方面进行。在材料方面，电池包外壳为钣金件，该材料具有良好的散热、阻燃、防爆能力；机械方面，电芯外壳为铝塑膜封边，当内外压力失衡时，铝塑膜会被挤压涨破，及时释放内部气体，防止电芯爆炸，引发气体剧烈释放和蔓延；在电气方面，电池管理系统实时进行电芯温度、电压、电流，实时过温过压保护及报警，能够有效预防热失控以及所致的气体蔓延；电池舱室设计装配可燃气体探测装置、感温、感烟探测装置，当热失控发生时，可及时启动应急排气系统，释放出可燃气体，进入事故舱室时，应佩戴防毒面具等设备，预防毒气伤害。
3.4外部风险
针对外部火灾风险，预防与阻断相结合：电池管理系统可及时监控电池包内部电池温度，蓄电池舱室内配备火灾防控装置，该装置能对可能引发火灾的危险源征兆进行探测，并发出报警，自动或手动启动喷放抑制介质。同时也配备灭火系统，在火灾初期进行灭火降温，蓄电池包及其电池系统相关设备的外壳为不易燃材料，可尽量阻止火灾蔓延，为工作人员争取紧急处理和逃生的时间。
针对外部水侵入风险，预防与阻断相结合：蓄电池包的防护等级为IP67，防水等级为7级，具有防短时浸泡能力，当外壳暂时浸泡在1 m深的水里将不会造成有害影响，保证即使外部浸水也可以有效对电池系统进行防护。
4结束语
本文以某自升自航式海上风电安装平台上所安装的大容量储能系统为例，首先介绍了该大容量储能系统在风电安装平台上的安装流程以及系统的相关参数，电池管理系统BMS的功能和电池管理过程中的注意事项。归纳了大容量储能系统在日常使用过程中需要做到的维护与保养。分析电池系统运行中存在的风险并给出了相关的预防措施，给今后更多想将大容量储能系统应用风电安装平台上的设计者们提供参考。未来根据风电平台的需求该套储能系统还可以利用平台下降时产生的动能对蓄电池进行充电，起重机作业时产生的逆功，进一步降低发电机的使用，减少污染排放，推动风电安装事业的绿色发展。随着大容量储能技术的快速发展，以大容量储能系统为主要供电系统的海上船只将越来越多，今后在海上风电安装平台行业中大容量储能系统的应用也将逐步成为主流。
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