産業および商用エネルギー貯蔵に関連する設備の運転中に発生する一般的な故障は何ですか

新電力システムの重要な部分として、商業および工業用エネルギー貯蔵システムの安定稼働はエネルギー利用効率と企業経済的利益に直接関係しています。商業および工業用エネルギー貯蔵の設備容量が急速に増加するにつれて、設備の故障率は投資収益に影響を与える主要な要因となっています。中国電力協会のデータによると、2023年にはエネルギー貯蔵発電所の計画外停止の割合が57％以上に達し、そのうち80％以上が設備欠陥、システム異常、広範な統合などの問題によって引き起こされました。商業および工業用エネルギー貯蔵の最前線での実践経験の中で、私は様々なシステム障害に対処してきました。ここでは、商業および工業用エネルギー貯蔵装置の各サブシステムにおける一般的な故障タイプ、原因、および解決策を系統的に分析し、システム運用保守のための実践的な指導を提供します。

1. バッテリーシステムの一般的な故障と原因分析

バッテリーシステムはエネルギー貯蔵システムの中心的なエネルギー貯蔵ユニットであり、その故障はシステム全体のパフォーマンスに直接影響を与えます。

1.1 バッテリーの劣化

バッテリーの劣化は、商業および工業用エネルギー貯蔵システムで最も一般的な故障タイプの一つであり、主にサイクル寿命の低下、内部抵抗の増加、エネルギー密度の減少という形で現れます。私の現場調査によると、2023年のデータでは、2.5年間の使用後、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの容量減衰率は28%、三元系リチウムイオンバッテリーは41%に達し、業界の期待値を大きく上回っています。この減衰は主にバッテリー材料の劣化、電極構造の変化、電解液の分解などにより引き起こされ、結果としてバッテリーのエネルギー貯蔵能力が低下し、システム全体の効率も低下します。

1.2 熱暴走

熱暴走はバッテリーシステムで最も危険な故障タイプです。一度発生すると火災や爆発につながる可能性があります。私の緊急事態対応経験によれば、熱暴走は通常温度勾配の異常によって引き起こされます。バッテリー内部の温度が120℃を超えると連鎖反応が起こる可能性があります。例えば私が関わった商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトにおいて、バッテリーモジュールの温度差が15℃を超えたことでBMS保護メカニズムがトリガーされ、システムがシャットダウンしました。熱暴走の誘因には過充電、過放電、外部ショート、内部マイクロショート、機械的損傷などが含まれますが、バッテリー内の不均一性が主なリスク因子です。

1.3 バッテリーコネクタの酸化と腐食

バッテリーコネクタの酸化と腐食は、商業および工業用エネルギー貯蔵システムで一般的だが見落とされやすい故障です。私が多くの沿岸プロジェクトで遭遇した高湿度環境では、バッテリーコネクタが酸化しやすく、接触抵抗が増加し、これが局所的な過熱と熱暴走を引き起こします。例えば、広東省の「南の湿気」の時期には、一部のエネルギー貯蔵キャビネット内に大量の凝縮水が現れ、コネクタの酸化と頻繁なシステム停止を引き起こしました。さらに、バッテリー内の電解液漏れやガス発生も一般的な故障であり、これらはバッテリー性能の低下や安全上の危険を引き起こす可能性があります。

2. バッテリーマネジメントシステム（BMS）の一般的な故障と原因分析

BMSはエネルギー貯蔵システムの「脳」として、バッテリー状態の監視、保護、管理を担当します。

2.1 通信障害

通信障害はBMSで最も一般的な問題であり、BMS関連の障害の34%を占めています。私の日常的なデバッグ作業では、通信障害は主にBMSが上位システムとの正常なやり取りができず、バッテリー状態データの送信や制御命令の受信ができなくなる形で現れます。これは通常CANバスの干渉、コネクタの接触不良、プロトコルの互換性不足などの要因によって引き起こされます。例えばある商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、BMSとPLC間の通信プロトコルが互換性がなく、充放電命令を正しく実行できず、システム効率が20%以上低下しました。

2.2 SOC/SOH推定誤差

SOC/SOH推定誤差はBMSのもう一つの一般的な故障です。私が参加したプロジェクトでは、SOC推定誤差が8%を超えると充電が早すぎたり遅すぎたりするため、バッテリー寿命とシステム効率に影響を与えます。SOC推定誤差は主に温度の影響、バッテリーの不均一性、電流センサーの精度不足、アルゴリズムの欠陥などの要因によって引き起こされます。例えば高温環境下のエネルギー貯蔵プロジェクトでは、BMSのSOC推定誤差が12%に達し、バッテリーが十分に活用されず収益に大きな影響を与えました。

2.3 ファームウェアバージョンの競合とソフトウェア欠陥

ファームウェアバージョンの競合とソフトウェア欠陥もBMSの一般的な問題です。エネルギー貯蔵システムの知能化レベルが向上するにつれてソフトウェアの複雑さも増し、ソフトウェアの脆弱性と互換性の問題が顕著になっています。例えばTesla Model 3では、BMSファームウェアバージョンV12.7.1が制御システムと互換性がなく、12%の車両所有者が異常充電を経験しました。さらにBMSセンサーの精度低下やデータ収集の異常も一般的な故障であり、センサーの老化、電磁干渉、信号伝送の問題などが原因となることがあります。

3. 電力変換システム（PCS）の一般的な故障と原因分析

PCSはエネルギー貯蔵システムで直流と交流を相互に変換する中心的な設備です。

3.1 効率低下

効率低下はPCSで最も一般的な問題であり、主に充放電変換効率の低下として現れます。私が行った実測作業では、テストデータによると、従来の二段階PCSの平均充電変換効率は95%（負荷30%以上）、放電変換効率は96%（負荷30%以上）でした。一方、T型三段階インバータを使用したPCSの平均充電変換効率は95.5%（負荷30%以上）、放電変換効率は96.5%（負荷30%以上）でした。効率低下は通常IGBT/MOSFETモジュールの劣化、冷却不良、制御戦略の不合理さなどの要因によって引き起こされます。例えばある商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、PCSが長時間高温で動作し、IGBTモジュールが劣化し、効率が93%以下に低下し、システム収益が15%減少しました。

3.2 過負荷保護機能の失敗

過負荷保護機能の失敗はPCSのもう一つの一般的な故障であり、設備の損傷や火災につながる可能性があります。私が経験した故障対応ケースでは、過負荷保護機能の失敗は通常保護回路設計の不合理さ、センサー精度の低下、制御論理の誤りなどの要因によって引き起こされます。例えばあるエネルギー貯蔵プロジェクトでは、負荷が急激に増加した際、PCSが適時に過負荷保護をトリガーできず、コンデンサが焼損し、システムが2日間停止し、損失は10万円を超えました。また、インバータの故障、過大な高調波、不安定な出力電圧/電流もPCSの一般的な問題であり、部品の劣化、冷却不良、制御アルゴリズムの欠陥などが原因となります。

3.3 耐食性不足

耐食性不足は商業および工業用エネルギー貯蔵システムのPCSで特に沿岸地域や高湿度地域で見られる特殊な故障です。私が訪れた広東省のプロジェクトでは、耐食性不足はPCB基板の腐食、端子の酸化、部品の性能低下を引き起こします。例えば広東省の商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、PCSの耐食性不足により、「南の湿気」の時期にPCB基板が腐食し、多重信号が異常となり、システムが正常に動作しなくなりました。

4. 温度制御システムの一般的な故障と原因分析

温度制御システムはエネルギー貯蔵システムの安全運転を確保する鍵であり、主に空冷と液冷の2つの方式に分かれます。

4.1 冷却不良

冷却不良は温度制御システムで最も一般的な問題であり、バッテリーの温度上昇、効率低下、寿命短縮につながります。私が参加した熱管理プロジェクトでは、研究によるとバッテリーの温度が10℃上昇するごとにそのサイクル寿命は約50%短くなります。冷却不良は通常ラジエーターの汚染、ファンの故障、不合理なエアダクト設計、高い周囲温度などの要因によって引き起こされます。例えばある商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、ラジエーターの汚染によりバッテリーの温度が45℃を超え、BMS保護がトリガーされ、システム効率が18%低下し、年間収益が約8万円減少しました。

4.2 液冷システムの漏洩

液冷システムの漏洩は温度制御システムで最も危険な故障の一つです。漏洩は冷却剤不足を引き起こし、冷却効果に影響を与え、さらにはバッテリーのショート回路や電気障害を引き起こす可能性があります。私が行った液冷システムのメンテナンス作業では、液冷システムの漏洩は通常シールの劣化、パイプラインの振動による破断、コネクタの緩みなどの要因によって引き起こされます。例えばLNG受入基地のエネルギー貯蔵キャビネットでは、液冷パイプラインのシールが劣化し、冷却剤が漏れ出し、キャビネット内に大量の凝縮水が現れ、システムが頻繁に停止しました。テストデータによると、PTFEシールの硬度は室温時の65 Shore Dから-70℃では85 Shore Dに上昇し、圧縮復元率は40%低下し、これが漏洩の主な原因となっています。

4.3 温度制御の不均一性

温度制御の不均一性は液冷システムで一般的な問題であり、バッテリーパック内部の不均一性を悪化させる可能性があります。私が参加した液冷システム設計プロジェクトでは、温度制御の不均一性は通常液冷パイプライン設計の不合理さ、流量分布の不均一性、制御アルゴリズムの欠陥などの要因によって引き起こされます。例えばある商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、液冷パイプライン設計の不合理さによりバッテリーパック内の温度差が10℃以上になり、バッテリーの劣化が加速し、システム寿命が30%短縮されました。

5. エネルギー管理システム（EMS）の一般的な故障と原因分析

EMSはエネルギー貯蔵システムの「司令官」として、システム運転戦略の最適化とエネルギー配分を担当します。

5.1 アルゴリズムの欠陥

アルゴリズムの欠陥はEMSで最も一般的な問題であり、充放電戦略が不合理になり収益が減少する可能性があります。私が参加したエネルギー管理最適化プロジェクトでは、例えばある商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、EMSのアルゴリズム欠陥により電価が頻繁に変動する際に最適な充放電タイミングを正確に予測できず、年間収益が約15%減少しました。アルゴリズムの欠陥は通常モデルの不正確さ、過去データの不足、パラメータ設定の不合理さなどの要因によって引き起こされます。

5.2 通信途絶

通信途絶はEMSのもう一つの一般的な故障であり、システムが上位からの命令を受け取れずまたは動作データをアップロードできない可能性があります。私が行った通信デバッグ作業では、通信途絶は通常プロトコルの互換性不足、ネットワーク干渉、ハードウェア故障などの要因によって引き起こされます。例えばある商業および工業用エネルギー貯蔵プロジェクトでは、EMSと電力網調整システム間の通信プロトコルが互換性がありませんでした。

電価がリアルタイムで変動する際、充放電戦略を適時に調整できず、アービトラージ収益が20%以上減少しました。またデータセキュリティの脆弱性もEMSの一般的な問題であり、システム攻撃やデータ漏洩につながる可能性があります。2023年のデータによると、MOVEit攻撃に関連するデータ漏洩事件がトップ10のデータ漏洩事件のうち3件を占め、100万人以上に影響を与えました。

商業および工業用エネルギー貯蔵システムの実際の運用保守において、我々最前線の実践者はこれらの故障タイプを正確に特定し、その原因を深く理解し、対象的な解決策を講じる必要があります。これによりシステムの安定稼働を確保し、エネルギー利用効率を向上させ、企業がより良い経済的利益を得ながら新しい電力システムの構築に貢献することができます。