美国电力研究所：集成是储能系统故障最常见原因，2018至2023年全球储能事故下降97%

近日，美国电力研究院（EPRI）发布2024年白皮书《美国电力研究院电池储能系统（BESS）故障事件数据库洞察》，基于2011年以来记录的81起故障事件，对故障事件的根源进行分类分析。

 

分析表明，产品生命周期的所有阶段都对BESS的安全性有重大贡献，因此必须进行严格的工程设计和反复的测试。

 

白皮书的关键信息如下：

 

BESS故障事件数据库情况：

 

在2018年至2023年间，全球电网级BESS的故障率下降了97%。

 

2011年至今记录81起事件，仅26起能辨别根本原因和发生故障的元件。

 

在2018年至2019年间数据库记录的30起事件中，有27起发生在韩国。

 

故障发生时间和原因分布：

 

从故障发生年限看，72%的故障时间发生在建设、试运行或运营的前两年内（统计范围是已知系统使用年限的储能系统）。

 

从储能系统设计到运维四大环节看故障根因：设计占比21%，生产制造占比14%，集成组装施工占比36%，操作运维占比29%。

 

从储能系统构成分布看故障根因：电芯/模组占比11%、控制系统占比46%、系统平衡BOS占比43%。

 

缓解措施和建议：

 

设计环节全面风险评估、优化预警设计等；制造过程严格质量控制；集成施工阶段标准化操作，严格验收等；操作维护阶段制定详细规程和计划，实时监控，早期识别潜在故障并及时处理等。

 

2018-2023年间

全球电网级BESS故障率下降97%

 

白皮书数据来源于EPRI的BESS故障事件数据库，数据库于2021年启动，此前韩国发生了一系列锂离子BESS火灾事故，以及美国亚利桑那州Surprise的事件。最早可追溯到2011年的事件，并继续随着新事件的发生而更新。2018年至2019年间数据库记录的30起事件中，有27起发生在韩国。

 

数据显示全球大型电池储能系统（BESS）的装机容量在过去五年中显著增加，但因经验教训已被纳入新的设计和最佳实践，整体事故率已大幅下降。在2018年至2023年间，全球电网级BESS的故障率下降了97%。

 

图：全球电网级BESS部署和故障统计数据

 

注：数据来源（1）EPRI故障数据库，（2）伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）

 

2011年至今数据库记录81起BESS故障事件，仅26起能辨别根本原因和发生故障的元件。

 

图 BESS故障中已识别根因的比例

 

 

 

 

 

在2011年至2017年间，BESS故障事件数据库中记录的9起事件中，没有一起能够被归类，而在2018年至今的事件中，合计有36%的事件找到了根本原因。其中，2019年和2020年有50%的故障事件找到根因。自2018年起，故障根因信息的可用性增加，体现了储能行业的成熟度提升，以及对锂离子BESS安全性的集体行动和审查得到重视。

 

图 历年已识别根本原因的BESS故障情况

 

 

 

 

EPRI故障数据库统计到2021-2023年中国发生的BESS故障事件共3起，白皮书基于Rho Motion咨询公司数据，显示中国的储能装机容量从2021年到2023年增长了约90GWh。

 

图 2021-2023年各国故障事件统计和储能累计部署

 

 

 

 

 

故障发生在储能产品生命周期的所有阶段

涉及储能系统各个组成部分

 

集成是储能系统故障的最常见根本原因

 

故障数据库共包含81起事件。其中26起事件拥有足够的信息来确定根本原因并识别出经历故障的元件，并且部分事件已发布了明确注明故障原因的根本原因分析报告。其余的事件则是根据太平洋西北国家实验室（PNNL）、电力研究协会（EPRI）和TWAICE的主题专家的工程判断进行分类。电池储能系统（BESS）故障原因的透明度有限。电池原始设备制造商（OEM）和BESS集成商通常不愿意披露故障原因，许多调查报告也没有向公众发布。

 

EPRI将故障原因从下面3个维度进行原因归类分析。

 

储能系统从设计到运维四大环节：设计、生产制造、集成组装施工、操作运维。

 

储能系统构成分成三部分：电芯/模组、控制系统、系统平衡BOS。

 

四大环节和三大部分结合分析。

备注：BOS（系统平衡）通常包括但不仅限于母线、电缆、外壳、电力转换系统、变压器、消防抑制系统、暖通空调或液体冷却系统。

 

四大环节

 

BESS故障事件根因统计中，设计占比21%，生产制造占比14%，集成组装施工占比36%，操作运维占比29%。

 

生产制造作为根本原因导致的故障数量最少。这很可能是因为在火灾或爆炸后，物理证据丢失，难以明确识别出制造缺陷作为根本原因。

 

图 BESS故障的根本原因分类

备注：统计26起事故，其中有两起事故被归类为双重根本原因（设计以及集成、组装和施工），图表中事故合计28起。

 

三大构成

 

储能系统构成分布看故障根因：电芯/模组占比11%、控制系统占比46%、平衡系统BOS占比43%。

 

平衡系统（BOS）和控制组件占了故障组件的绝大多数。最近CEA的报告也证实了BOS故障的普遍性，该报告发现近50%的质量保证项目都在BOS中。26%的储能系统消防系统上存在缺陷，而18%在热管理系统上存在缺陷。

 

图 电池储能系统（BESS）故障按故障元件细分

 

 

四大环节和三大部分结合分析

 

集成是储能系统故障的最常见根本原因，而这一类别的绝大多数事件都涉及到了BOS（平衡系统）。锂离子储能系统包含了来自多个供应商的组件，这些组件并不一定是设计来协同工作的。报告中提到2021年在澳大利亚维多利亚大型电池设施发生的一起事件，该事件为由于组装质量问题导致的BOS故障的典型案例。该事件中，储能设备在调试期间，冷却系统的泄漏导致了一场火灾，火势蔓延到了两个储能单元。

 

操作是储能系统故障的第二大常见根本原因，在所有案例中，操作故障都发生在控制系统中。这些事件中有七起发生在2018-2019年的韩国，反映了早期在确定电池储能系统的正常运行限制（如电压和SOC参数）方面缺乏经验，面临较大挑战。

 

图 设计到运维各环节根因与故障元件之间的关系

 

 

另外，大部分操作故障发生在2018-2019年，主要由于当时韩国安装的大量电池储能系统发生火灾导致。由于事故发生前的SOC（剩余电量状态）高于推荐限制，这些事故大多被归类为操作故障。

 

随着全球储能系统部署的增加，越来越多新用户/企业投入到储能产业，没有长期运行历史记录的新产品正在进入市场。在集成和组装方面缺乏经验和培训，可能是导致近年来与组装和施工相关的故障的原因。

 

储能系统在设计方面也可能存在缺陷，其可能没有考虑到所有的操作和环境条件。例如，2023年四起与设计相关的故障中有三起是由于某BESS产品的同一BOS设计缺陷造成的。

 

图 设计到运维各环节根因与故障元件历年变化趋势

 

必须在项目的每一个层面/阶段全面考虑安全性

集成、组装和施工是储能系统降低风险的关键阶段

 

减少与锂离子电池储能系统相关的风险是一项复杂的任务。安全性必须在项目的每一个层面上得到体现，涵盖了从电池单元层面的材料选择到社区层面的公共健康影响等各个环节。

 

白皮书指出，安全性也必须在项目生命周期的每一个阶段得到考虑，从设计到运行再到拆除。尤其是项目在建设、试运行或运营的前两年内（根据EPRI统计72%的故障时间发生在这一期间）。集成、组装和施工是储能系统降低风险的关键阶段。

 

图 BESS故障发生时的使用年限

 

 

 

注：统计范围是已知系统使用年限的储能系统

 

基于对故障事件的根因分析，白皮书从提出了一系列缓解措施和建议，包括设计环节全面风险评估、优化预警设计等；制造过程严格质量控制；集成施工阶段标准化操作，严格验收；操作维护阶段制定详细规程和计划，实时监控，早期识别潜在故障并及时处理等。