چه خطاهایی معمولاً در طول عملکرد تجهیزات مربوط به ذخیره سازی انرژی صنعتی و تجاری رخ می دهد

به عنوان بخش مهمی از سیستم نوین تولید انرژی، عملکرد پایدار سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی مستقیماً با کارایی استفاده از انرژی و منافع اقتصادی شرکت‌ها مرتبط است. با رشد سریع ظرفیت نصب شده سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، نرخ خرابی تجهیزات به عامل کلیدی تاثیرگذار بر بازده سرمایه‌گذاری تبدیل شده است. بر اساس داده‌های شورای برق چین، در سال ۲۰۲۳، نسبت قطع برق غیر برنامه‌ریزی شده ایستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی به بیش از ۵۷٪ رسید و بیش از ۸۰٪ آن‌ها به دلیل مشکلاتی مانند نقص تجهیزات، ناهماهنگی سیستم و یکپارچه‌سازی گسترده رخ داد. در سال‌های فعالیتم در خط مقدم ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، با انواع خرابی‌های سیستمی مواجه شده‌ام. حالا، من به طور سیستماتیک به تحلیل نوع‌های رایج خرابی، علل و راه‌حل‌های هر زیرسیستم تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی خواهم پرداخت تا راهنمای عملی برای عملیات و نگهداری سیستم ارائه دهم.

۱. خرابی‌های رایج و تحلیل علل سیستم‌های باتری

سیستم باتری به عنوان واحد اصلی ذخیره‌سازی انرژی در سیستم ذخیره‌سازی انرژی، خرابی‌های آن مستقیماً عملکرد کلی سیستم را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

۱.۱ پیری باتری

پیری باتری یکی از رایج‌ترین نوع‌های خرابی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی است که عمدتاً به صورت کاهش عمر چرخه، افزایش مقاومت داخلی و کاهش چگالی انرژی نمایان می‌شود. در تحقیقات میدانی من، بر اساس داده‌های ۲۰۲۳، پس از دوره خدمات ۲.۵ ساله، کاهش ظرفیت باتری‌های فسفات آهن لیتیوم به ۲۸٪ و باتری‌های لیتیوم سه‌گانه به ۴۱٪ می‌رسد که بسیار بیشتر از انتظارات صنعتی است. این کاهش عمدتاً به دلیل عواملی مانند پیری مواد باتری، تغییرات در ساختار الکترود و تجزیه الکترولیت رخ می‌دهد که منجر به کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی باتری و کاهش کلی کارایی سیستم می‌شود.

۱.۲ رانش حرارتی

رانش حرارتی خطرناک‌ترین نوع خرابی در سیستم باتری است. هنگامی که رخ می‌دهد ممکن است منجر به آتش‌سوزی یا حتی انفجار شود. در تجربیاتم در مدیریت موارد اضطراری، رانش حرارتی معمولاً به دلیل گرادیان‌های دمایی غیرعادی رخ می‌دهد. وقتی دمای داخلی باتری بیش از ۱۲۰°C می‌شود، ممکن است واکنش زنجیره‌ای رخ دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی که در آن شرکت داشتم، تفاوت دمایی ماژول باتری بیش از ۱۵°C بود که منجر به فعال شدن مکانیسم حفاظت BMS و خاموشی سیستم شد. عوامل القاء رانش حرارتی شامل شارژ بیش از حد، خالی شدن بیش از حد، کوتاه‌شدن خارجی، کوتاه‌شدن میکروی داخلی و آسیب مکانیکی می‌شوند. از بین آن‌ها، ناهماهنگی داخلی باتری عامل خطر اصلی است.

۱.۳ اکسیداسیون و فرسودگی اتصالات باتری

اکسیداسیون و فرسودگی اتصالات باتری خرابی‌های رایج اما قابل اغفال در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی هستند. در محیط‌های مرطوب بالا، که در پروژه‌های ساحلی بارها با آن مواجه شده‌ام، اتصالات باتری ممکن است اکسید شوند که منجر به افزایش مقاومت تماس و در نتیجه گرم شدن محلی و رانش حرارتی می‌شود. به عنوان مثال، در طول "بازگشت رطوبت جنوبی" در گوانگ‌دونگ، مقدار زیادی آب معلق در برخی کابینت‌های ذخیره‌سازی انرژی ظاهر شد که منجر به اکسیداسیون اتصالات و توقف‌های مکرر سیستم شد. علاوه بر این، نشت الکترولیت و تولید گاز در داخل باتری نیز خرابی‌های رایج هستند که ممکن است منجر به کاهش عملکرد باتری و خطرات ایمنی شوند.

۲. خرابی‌های رایج و تحلیل علل سیستم مدیریت باتری (BMS)

BMS مغز سیستم ذخیره‌سازی انرژی است که مسئول نظارت، محافظت و مدیریت وضعیت باتری است.

۲.۱ خرابی‌های ارتباطی

خرابی‌های ارتباطی مشکل رایج‌ترین BMS است که ۳۴٪ از خرابی‌های مرتبط با BMS را تشکیل می‌دهند. در کارهای روزمره تنظیم و اصلاح من، خرابی‌های ارتباطی عمدتاً به صورت عدم توانایی BMS در تعامل عادی با سیستم بالاتر، عدم انتقال داده‌های وضعیت باتری یا دریافت دستورات کنترلی نمایان می‌شود. این معمولاً به دلیل عواملی مانند تداخل خط CAN، تماس ضعیف اتصالات و ناسازگاری پروتکل رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، پروتکل ارتباطی بین BMS و PLC ناسازگار بود که منجر به عدم توانایی اجرای صحیح دستورات شارژ و خالی شدن شد و کارایی سیستم بیش از ۲۰٪ کاهش یافت.

۲.۲ انحراف تخمین SOC/SOH

انحراف تخمین SOC/SOH خرابی دیگر رایج BMS است. در پروژه‌هایی که در آن‌ها شرکت داشته‌ام، اگر خطای تخمین SOC بیش از ۸٪ باشد، ممکن است شارژ زودتر یا دیرتر متوقف شود که تاثیر می‌گذارد بر عمر باتری و کارایی سیستم. انحراف تخمین SOC معمولاً به دلیل عواملی مانند تاثیر دما، ناهماهنگی باتری، دقت کمتر سنسور جریان و نقص الگوریتم رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انریژی در محیط داغ، خطای تخمین SOC BMS به ۱۲٪ رسید که منجر به عدم استفاده کامل از باتری و تاثیر جدی بر درآمد شد.

۲.۳ تعارض نسخه‌های فرم‌ور و نقص‌های نرم‌افزاری

تعارض نسخه‌های فرم‌ور و نقص‌های نرم‌افزاری نیز مشکلات رایج BMS هستند. با افزایش سطح هوشمندی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، پیچیدگی نرم‌افزاری افزایش می‌یابد و نقص‌های نرم‌افزاری و مسائل سازگاری برجسته‌تر می‌شوند. به عنوان مثال، مدل Tesla Model 3 یک بار با فرم‌ور V12.7.1 BMS ناسازگار با سیستم کنترل بود که منجر به شارژ غیرعادی برای ۱۲٪ صاحبان خودرو شد. علاوه بر این، کاهش دقت سنسور BMS و جمع‌آوری داده‌های غیرعادی نیز خرابی‌های رایج هستند که ممکن است به دلیل عواملی مانند فرسودگی سنسور، تداخل الکترومغناطیسی و مشکلات انتقال سیگنال رخ دهند.

۳. خرابی‌های رایج و تحلیل علل سیستم تبدیل انرژی (PCS)

PCS تجهیزات اصلی برای تبدیل انرژی الکتریکی در سیستم ذخیره‌سازی انرژی است که مسئول تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب یا برعکس است.

۳.۱ کاهش کارایی

کاهش کارایی مشکل رایج‌ترین PCS است که عمدتاً به صورت کاهش کارایی تبدیل شارژ و خالی شدن نمایان می‌شود. در کارهای اندازه‌گیری واقعی که انجام داده‌ام، بر اساس داده‌های تست، کارایی متوسط تبدیل شارژ در PCS سطح دو‌سطحی سنتی ۹۵٪ (بیش از ۳۰٪ بار) و کارایی تبدیل خالی شدن ۹۶٪ (بیش از ۳۰٪ بار) است؛ در حالی که در PCS استفاده از مبدل سه‌سطحی T-tyپ کارایی متوسط تبدیل شارژ ۹۵.۵٪ (بیش از ۳۰٪ بار) و کارایی تبدیل خالی شدن ۹۶.۵٪ (بیش از ۳۰٪ بار) است. کاهش کارایی معمولاً به دلیل عواملی مانند فرسودگی ماژول‌های IGBT/MOSFET، تخلیه حرارتی ضعیف و استراتژی‌های کنترل غیرمناسب رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، PCS برای مدت طولانی در دمای بالا عمل می‌کرد که منجر به فرسودگی ماژول‌های IGBT، کاهش کارایی به زیر ۹۳٪ و کاهش درآمد سیستم به ۱۵٪ شد.

۳.۲ خرابی حفاظت از بار بیش از حد

خرابی حفاظت از بار بیش از حد خرابی دیگر رایج PCS است که ممکن است منجر به خرابی تجهیزات یا حتی آتش‌سوزی شود. در موارد مدیریت خرابی که تجربه کرده‌ام، خرابی حفاظت از بار بیش از حد معمولاً به دلیل عواملی مانند طراحی غیرمناسب مدار حفاظت، کاهش دقت سنسور و خطاهای منطق کنترلی رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی، PCS نتوانست به موقع حفاظت از بار بیش از حد را فعال کند وقتی بار به طور ناگهانی افزایش یافت، که منجر به سوختن کندکتور، خاموشی سیستم برای ۲ روز و خسارت بیش از ۱۰۰۰۰۰ یوان شد. علاوه بر این، خرابی‌های مبدل، هارمونیک‌های بیش از حد و ولتاژ/جریان خروجی ناپایدار نیز مشکلات رایج PCS هستند که ممکن است به دلیل عواملی مانند فرسودگی قطعات، تخلیه حرارتی ضعیف و نقص الگوریتم کنترلی رخ دهند.

۳.۳ کمبود درجه مقاومت در برابر فرسودگی

کمبود درجه مقاومت در برابر فرسودگی خرابی خاص PCS در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی است، به ویژه در مناطق ساحلی یا با رطوبت بالا. در پروژه‌هایی که در گوانگ‌دونگ شرکت داشته‌ام، کمبود درجه مقاومت در برابر فرسودگی منجر به فرسودگی تخته PCB، اکسیداسیون اتصالات و کاهش عملکرد قطعات می‌شود. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی در گوانگ‌دونگ، به دلیل کمبود درجه مقاومت در برابر فرسودگی PCS، در طول "بازگشت رطوبت جنوبی"، تخته PCB فرسوده شد که منجر به سیگنال‌های چند کانالی نامتعارف و عدم عملکرد صحیح سیستم شد.

۴. خرابی‌های رایج و تحلیل علل سیستم‌های کنترل دما

سیستم کنترل دما کلیدی برای تضمین عملکرد ایمن سیستم ذخیره‌سازی انرژی است که به طور کلی به دو طرح خنک‌سازی هوا و مایع تقسیم می‌شود.

۴.۱ تخلیه حرارتی ضعیف

تخلیه حرارتی ضعیف مشکل رایج‌ترین سیستم کنترل دما است که ممکن است منجر به افزایش دمای باتری، کاهش کارایی و کوتاه شدن عمر مفید شود. در پروژه‌های مدیریت حرارتی که در آن‌ها شرکت داشته‌ام، بر اساس تحقیقات، برای هر ۱۰°C افزایش در دمای باتری، عمر چرخه آن تقریباً ۵۰٪ کاهش می‌یابد. تخلیه حرارتی ضعیف معمولاً به دلیل عواملی مانند آلودگی رادیاتور، خرابی مراوح، طراحی مجرای هوا غیرمناسب و دمای محیط بالا رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، به دلیل آلودگی رادیاتور، دمای باتری بیش از ۴۵°C رسید که منجر به فعال شدن حفاظت BMS، کاهش ۱۸٪ کارایی سیستم و کاهش درآمد حدود ۸۰۰۰۰ یوان در سال شد.

۴.۲ نشتی سیستم خنک‌سازی مایع

نشتی سیستم خنک‌سازی مایع یکی از خطرناک‌ترین خرابی‌های سیستم کنترل دما است. نشتی نه تنها منجر به کمبود مبرد و تاثیر بر کارایی تخلیه حرارتی می‌شود بلکه ممکن است به دلیل کوتاه شدن باتری و خرابی‌های الکتریکی منجر شود. در کارهای نگهداری سیستم‌های خنک‌سازی مایع که انجام داده‌ام، نشتی سیستم خنک‌سازی مایع معمولاً به دلیل عواملی مانند فرسودگی پوشش، شکستن لوله به دلیل ارتعاش و آزاد شدن اتصالات رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک کابینت ذخیره‌سازی انرژی در یک ایستگاه دریافت LNG، به دلیل فرسودگی پوشش لوله خنک‌سازی مایع، نشتی مبرد رخ داد و مقدار زیادی آب معلق در داخل کابینت ظاهر شد و سیستم مکرراً خاموش شد. بر اساس داده‌های تست، سختی پوشش PTFE از ۶۵ Shore D در دمای اتاق به ۸۵ Shore D در دمای -۷۰°C افزایش می‌یابد و نرخ بازگشت فشار ۴۰٪ کاهش می‌یابد که این عامل اصلی نشتی است.

۴.۳ کنترل دما نامساوی

کنترل دما نامساوی مشکل رایج در سیستم‌های خنک‌سازی مایع است که ممکن است منجر به تشدید ناهماهنگی داخلی باتری شود. در پروژه‌های طراحی سیستم‌های خنک‌سازی مایع که در آن‌ها شرکت داشته‌ام، کنترل دما نامساوی معمولاً به دلیل عواملی مانند طراحی غیرمناسب لوله‌های خنک‌سازی مایع، توزیع جریان نامساوی و نقص الگوریتم کنترلی رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، طراحی غیرمناسب لوله‌های خنک‌سازی مایع منجر به تفاوت دما بیش از ۱۰°C در باتری شد که عمر سیستم را تا ۳۰٪ کاهش داد.

۵. خرابی‌های رایج و تحلیل علل سیستم مدیریت انرژی (EMS)

EMS فرمانده سیستم ذخیره‌سازی انرژی است که مسئول بهینه‌سازی استراتژی عملیاتی سیستم و تخصیص انرژی است.

۵.۱ نقص‌های الگوریتمی

نقص‌های الگوریتمی مشکل رایج‌ترین EMS است که ممکن است منجر به استراتژی‌های شارژ و خالی شدن غیرمناسب و کاهش درآمد شود. در پروژه‌های بهینه‌سازی مدیریت انرژی که در آن‌ها شرکت داشته‌ام، به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، نقص‌های الگوریتمی EMS منجر به عدم توانایی پیش‌بینی دقیق زمان‌های بهینه شارژ و خالی شدن در شرایط تغییرات مکرر قیمت برق شد و درآمد سالانه حدود ۱۵٪ کاهش یافت. نقص‌های الگوریتمی معمولاً به دلیل عواملی مانند مدل‌های غیردقیق، داده‌های تاریخی ناکافی و تنظیمات پارامتر غیرمناسب رخ می‌دهند.

۵.۲ قطع ارتباط

قطع ارتباط خرابی دیگر رایج EMS است که ممکن است منجر به عدم توانایی سیستم در دریافت دستورات بالاتر یا بارگذاری داده‌های عملیاتی شود. در کارهای تنظیم ارتباطی که انجام داده‌ام، قطع ارتباط معمولاً به دلیل عواملی مانند ناسازگاری پروتکل، تداخل شبکه و خرابی‌های سخت‌افزاری رخ می‌دهد. به عنوان مثال، در یک پروژه ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، پروتکل ارتباطی بین EMS و سیستم تنظیم برق شبکه ناسازگار بود.

وقتی قیمت برق به طور واقعی تغییر می‌کرد، استراتژی‌های شارژ و خالی شدن نتوانستند به موقع تنظیم شوند که منجر به کاهش بیش از ۲۰٪ درآمد دلالی شد. علاوه بر این، آسیب‌پذیری‌های امنیتی داده نیز مشکلات رایج EMS هستند که ممکن است منجر به حملات سیستم یا نشت داده شوند. بر اساس داده‌های ۲۰۲۳، سه حادثه نشت داده مرتبط با حملات MOVEit در میان ده حادثه نشت داده بزرگ قرار گرفتند که بیش از یک میلیون نفر را تحت تاثیر قرار دادند.

در عملیات و نگهداری واقعی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، ما محققان خط مقدم نیاز داریم تا به طور دقیق این نوع‌های خرابی را شناسایی کنیم، عمق دلایل آن‌ها را درک کنیم و سپس راه‌حل‌های موجه را اتخاذ کنیم. فقط به این ترتیب می‌توانیم عملکرد پایدار سیستم را تضمین کنیم، کارایی استفاده از انرژی را افزایش دهیم و به شرکت‌ها کمک کنیم تا بهترین منافع اقتصادی را به دست آورند و در ساخت سیستم تولید انرژی جدید نقش داشته باشند.