Quais são as falhas comuns que ocorrem durante a operação de equipamentos relacionados ao armazenamento de energia industrial e comercial?

Como parte importante do novo sistema de energia, a operação estável dos sistemas de armazenamento de energia comercial e industrial está diretamente relacionada à eficiência de utilização de energia e aos benefícios econômicos das empresas. Com o rápido crescimento da capacidade instalada de armazenamento de energia comercial e industrial, a taxa de falha do equipamento tornou-se um fator-chave que afeta os retornos sobre investimentos. De acordo com dados do Conselho de Eletricidade da China, em 2023, a proporção de interrupções não programadas de estações de armazenamento de energia atingiu mais de 57%, e mais de 80% delas foram causadas por problemas como defeitos de equipamentos, anomalias do sistema e integração extensiva. Em meus anos de prática na linha de frente de armazenamento de energia comercial e industrial, lidei com várias falhas de sistema. Agora, analisarei sistematicamente os tipos de falhas comuns, as causas e as soluções de cada subsistema de equipamentos de armazenamento de energia comercial e industrial para fornecer orientações práticas para a operação e manutenção do sistema.

1. Falhas Comuns e Análise de Causas dos Sistemas de Bateria

O sistema de bateria, como a unidade central de armazenamento de energia do sistema de armazenamento, suas falhas afetam diretamente o desempenho geral do sistema.

1.1 Envelhecimento da Bateria

O envelhecimento da bateria é um dos tipos de falha mais comuns nos sistemas de armazenamento de energia comercial e industrial, manifestando-se principalmente como atenuação da vida útil cíclica, aumento da resistência interna e diminuição da densidade de energia. Em minhas investigações no local, de acordo com os dados de 2023, após um ciclo de serviço de 2,5 anos, a atenuação da capacidade das baterias de ferro-fosfato de lítio atinge 28%, e a das baterias de lítio ternário atinge 41%, muito além das expectativas da indústria. Esta atenuação é causada principalmente por fatores como o envelhecimento do material da bateria, mudanças na estrutura do eletrodo e decomposição do eletrolito, resultando em uma diminuição da capacidade de armazenamento de energia da bateria e uma redução na eficiência geral do sistema.

1.2 Fuga Térmica

A fuga térmica é o tipo de falha mais perigoso no sistema de bateria. Uma vez que ocorre, pode levar a incêndios ou até explosões. Em minha experiência em lidar com casos de emergência, a fuga térmica é geralmente causada por gradientes de temperatura anormais. Quando a temperatura interna da bateria excede 120°C, pode ser acionada uma reação em cadeia. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial no qual participei, a diferença de temperatura do módulo de bateria excedeu 15°C, acionando o mecanismo de proteção do BMS e fazendo o sistema parar. As induções da fuga térmica incluem sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito externo, micro-curto-circuito interno e danos mecânicos. Entre elas, a inconsistência interna da bateria é o principal fator de risco.

1.3 Oxidação e Corrosão dos Conectores de Bateria

A oxidação e corrosão dos conectores de bateria são falhas comuns, mas facilmente negligenciadas, nos sistemas de armazenamento de energia comercial e industrial. Em ambientes de alta umidade, que encontrei muitas vezes em projetos costeiros, os conectores de bateria são propensos à oxidação, resultando em aumento da resistência de contato, o que por sua vez causa superaquecimento local e fuga térmica. Por exemplo, durante o "retorno da umidade do sul" em Guangdong, uma grande quantidade de condensação apareceu dentro de alguns gabinetes de armazenamento de energia, causando oxidação dos conectores e desligamentos frequentes do sistema. Além disso, o vazamento de eletrolito e a evolução de gás dentro da bateria também são falhas comuns, que podem levar à degradação do desempenho da bateria e a riscos de segurança.

2. Falhas Comuns e Análise de Causas do Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS)

O BMS é o "cérebro" do sistema de armazenamento de energia, responsável pelo monitoramento, proteção e gerenciamento do estado da bateria.

2.1 Falhas de Comunicação

As falhas de comunicação são o problema mais comum do BMS, representando 34% das falhas relacionadas ao BMS. No meu trabalho diário de depuração, as falhas de comunicação se manifestam principalmente pela incapacidade do BMS de interagir normalmente com o sistema superior, incapaz de transmitir dados de estado da bateria ou receber comandos de controle. Isso é geralmente causado por fatores como interferência na barramento CAN, contato ruim dos conectores e incompatibilidade de protocolo. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial, o protocolo de comunicação entre o BMS e o PLC era incompatível, resultando na incapacidade de executar corretamente comandos de carga e descarga, e a eficiência do sistema diminuiu em mais de 20%.

2.2 Desvio na Estimativa de SOC/SOH

O desvio na estimativa de SOC/SOH é outra falha comum do BMS. Nos projetos em que participei, se o erro de estimativa de SOC exceder 8%, isso fará com que a carga seja interrompida muito cedo ou muito tarde, afetando a vida útil da bateria e a eficiência do sistema. O desvio na estimativa de SOC é causado principalmente por fatores como influência da temperatura, inconsistência da bateria, precisão insuficiente dos sensores de corrente e defeitos de algoritmo. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia em ambiente de alta temperatura, o erro de estimativa de SOC do BMS foi de 12%, resultando em a bateria não ser totalmente utilizada e afetando seriamente a receita.

2.3 Conflitos de Versão de Firmware e Defeitos de Software

Conflitos de versão de firmware e defeitos de software também são problemas comuns do BMS. Com o aumento do nível de inteligência dos sistemas de armazenamento de energia, a complexidade do software aumenta, e as vulnerabilidades de software e problemas de compatibilidade se tornam cada vez mais proeminentes. Por exemplo, o Tesla Model 3 já teve uma situação em que a versão de firmware V12.7.1 do BMS era incompatível com o sistema de controle, resultando em carregamento anormal para 12% dos proprietários de carros. Além disso, a degradação da precisão dos sensores do BMS e a coleta anormal de dados também são falhas comuns, que podem ser causadas por fatores como envelhecimento dos sensores, interferência eletromagnética e problemas de transmissão de sinal.

3. Falhas Comuns e Análise de Causas do Sistema de Conversão de Potência (PCS)

O PCS é o equipamento central para a conversão de energia elétrica no sistema de armazenamento de energia, responsável por converter corrente contínua em alternada e vice-versa.

3.1 Declínio de Eficiência

O declínio de eficiência é o problema mais comum do PCS, manifestando-se principalmente como uma diminuição na eficiência de conversão de carga e descarga. No trabalho de medição real que realizei, de acordo com os dados de teste, a eficiência média de conversão de carga de PCS tradicionais de dois níveis é de 95% (acima de 30% de carga), e a eficiência de conversão de descarga é de 96% (acima de 30% de carga); enquanto o PCS usando inversores de três níveis T tem uma eficiência média de conversão de carga de 95,5% (acima de 30% de carga) e uma eficiência de conversão de descarga de 96,5% (acima de 30% de carga). O declínio de eficiência é geralmente causado por fatores como envelhecimento de módulos IGBT/MOSFET, dissipação de calor inadequada e estratégias de controle irrazoáveis. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial, o PCS foi operado em altas temperaturas por um longo tempo, resultando no envelhecimento de módulos IGBT, a eficiência caiu abaixo de 93%, e a receita do sistema diminuiu em 15%.

3.2 Falha na Proteção contra Sobrecarga

A falha na proteção contra sobrecarga é outra falha comum do PCS, que pode levar a danos no equipamento ou até incêndios. Nos casos de tratamento de falhas que experimentei, a falha na proteção contra sobrecarga é geralmente causada por fatores como design irrazoável do circuito de proteção, degradação da precisão dos sensores e erros de lógica de controle. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia, o PCS não conseguiu acionar a proteção contra sobrecarga a tempo quando a carga aumentou repentinamente, resultando no rompimento de capacitores, o sistema ficou fora de serviço por 2 dias, e o prejuízo ultrapassou 100.000 yuan. Além disso, falhas de inversor, harmônicos excessivos e tensão/corrente de saída instável também são problemas comuns do PCS, que podem ser causados por fatores como envelhecimento de componentes, dissipação de calor inadequada e defeitos de algoritmos de controle.

3.3 Grau Insuficiente de Anti-corrosão

Grau insuficiente de anti-corrosão é uma falha especial do PCS em sistemas de armazenamento de energia comercial e industrial, especialmente em áreas costeiras ou de alta umidade. Nos projetos em que estive em Guangdong, grau insuficiente de anti-corrosão leva à corrosão da placa PCB, oxidação dos terminais de fiação e degradação do desempenho dos componentes. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial em Guangdong, devido ao grau insuficiente de anti-corrosão do PCS, durante o "retorno da umidade do sul", a placa PCB foi corroída, resultando em sinais multicanal anormais e o sistema não pôde operar normalmente.

4. Falhas Comuns e Análise de Causas dos Sistemas de Controle de Temperatura

O sistema de controle de temperatura é fundamental para garantir a operação segura do sistema de armazenamento de energia, dividido principalmente em esquemas de resfriamento a ar e líquido.

4.1 Dissipação de Calor Inadequada

Dissipação de calor inadequada é o problema mais comum do sistema de controle de temperatura, podendo levar a um aumento na temperatura da bateria, diminuição da eficiência e redução da vida útil. Nos projetos de gestão térmica em que participei, de acordo com pesquisas, para cada aumento de 10°C na temperatura da bateria, sua vida útil cíclica será reduzida em cerca de 50%. A dissipação de calor inadequada é geralmente causada por fatores como sujeira nos radiadores, falhas de ventilador, design de dutos de ar irrazoável e temperatura ambiente elevada. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial, devido à sujeira nos radiadores, a temperatura da bateria excedeu 45°C, acionando a proteção do BMS, a eficiência do sistema diminuiu em 18%, e a receita diminuiu em cerca de 80.000 yuan/ano.

4.2 Vazamento no Sistema de Resfriamento a Líquido

Vazamento no sistema de resfriamento a líquido é uma das falhas mais perigosas no sistema de controle de temperatura. O vazamento não apenas levará a falta de fluido refrigerante e afetará o efeito de dissipação de calor, mas também pode causar curto-circuito e falhas elétricas na bateria. No trabalho de manutenção de sistemas de resfriamento a líquido que realizei, o vazamento é geralmente causado por fatores como envelhecimento de vedantes, ruptura de tubulação devido a vibração e afrouxamento de conectores. Por exemplo, em um gabinete de armazenamento de energia de uma estação de recebimento de GNL, devido ao envelhecimento dos vedantes de tubulação de resfriamento a líquido, ocorreu vazamento de fluido refrigerante, uma grande quantidade de condensação apareceu dentro do gabinete, e o sistema parava frequentemente. De acordo com os dados de teste, a dureza de vedantes de PTFE aumenta de 65 Shore D em temperatura ambiente para 85 Shore D a -70°C, e a taxa de recuperação de compressão diminui em 40%, sendo a principal causa do vazamento.

4.3 Controle de Temperatura Desigual

Controle de temperatura desigual é um problema comum em sistemas de resfriamento a líquido, que pode levar ao agravamento da inconsistência interna do pacote de bateria. Nos projetos de design de sistemas de resfriamento a líquido em que participei, o controle de temperatura desigual é geralmente causado por fatores como design irrazoável de tubulações de resfriamento a líquido, distribuição irregular do fluxo e defeitos de algoritmo de controle. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial, o design irrazoável de tubulações de resfriamento a líquido levou a uma diferença de temperatura de mais de 10°C no pacote de bateria, acelerando o envelhecimento da bateria e reduzindo a vida útil do sistema em 30%.

5. Falhas Comuns e Análise de Causas do Sistema de Gestão de Energia (EMS)

O EMS é o "comandante" do sistema de armazenamento de energia, responsável pela otimização da estratégia de operação do sistema e despacho de energia.

5.1 Defeitos de Algoritmo

Defeitos de algoritmo são o problema mais comum do EMS, podendo levar a estratégias de carga e descarga irrazoáveis e redução da receita. Nos projetos de otimização de gestão de energia em que participei, por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial, os defeitos de algoritmo do EMS levaram à incapacidade de prever com precisão o momento ótimo de carga e descarga quando os preços de eletricidade flutuavam frequentemente, e a receita anual diminuiu em cerca de 15%. Os defeitos de algoritmo são geralmente causados por fatores como modelos imprecisos, dados históricos insuficientes e configurações de parâmetros irrazoáveis.

5.2 Interrupção de Comunicação

Interrupção de comunicação é outra falha comum do EMS, que pode levar ao sistema ser incapaz de receber comandos superiores ou enviar dados de operação. No trabalho de depuração de comunicação que realizei, a interrupção de comunicação é geralmente causada por fatores como incompatibilidade de protocolo, interferência de rede e falhas de hardware. Por exemplo, em um projeto de armazenamento de energia comercial e industrial, o protocolo de comunicação entre o EMS e o sistema de despacho de energia da rede era incompatível. Quando os preços de eletricidade mudavam em tempo real, as estratégias de carga e descarga não podiam ser ajustadas a tempo, resultando em uma redução de mais de 20% na receita de arbitragem. Além disso, vulnerabilidades de segurança de dados também são problemas comuns do EMS, que podem levar a ataques ao sistema ou vazamento de dados. De acordo com os dados de 2023, três incidentes de vazamento de dados relacionados a ataques MOVEit figuraram entre os dez principais incidentes de vazamento de dados, afetando mais de um milhão de pessoas.

Na operação e manutenção real de sistemas de armazenamento de energia comercial e industrial, nós, profissionais de primeira linha, precisamos identificar com precisão esses tipos de falhas, compreender profundamente suas causas e, em seguida, adotar soluções direcionadas. Somente assim podemos garantir a operação estável do sistema, melhorar a eficiência de utilização de energia e ajudar as empresas a alcançar melhores benefícios econômicos, contribuindo para a construção de um novo sistema de energia.