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電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)是由直流側(cè)和交流側(cè)兩大部分組成的。直流側(cè)主要包括電池倉，其中包含電池、溫控設(shè)備、消防設(shè)備、匯流柜以及集裝箱等設(shè)備。而交流側(cè)則是電器倉，包括儲(chǔ)能變流器、變壓器以及集裝箱等設(shè)備。直流側(cè)的電池產(chǎn)生的是直流電，如果想要與電網(wǎng)進(jìn)行電能交互，就必須通過變流器進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換。

儲(chǔ)能系統(tǒng)分類：集中式、分布式、智能組串式、高壓級聯(lián)、集散式

按電氣結(jié)構(gòu)劃分，大型儲(chǔ)能系統(tǒng)可以劃分為：

（1）集中式：低壓大功率升壓式集中并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池多簇并聯(lián)后與 PCS 相連，PCS 追求大 功率、高效率，目前在推廣 1500V 的方案。

（2）分布式：低壓小功率分布式升壓并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，每一簇電池都與一個(gè) PCS 單元鏈接，PCS 采用小功率、分布式布置。



（3）智能組串式：基于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)，采用電池模組級能量優(yōu)化、電池單簇能量控制、 數(shù)字智能化管理、全模塊化設(shè)計(jì)等創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)更高效應(yīng)用。

（4）高壓級聯(lián)式大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)：電池單簇逆變，不經(jīng)變壓器，直接接入 6/10/35kv 以上電壓等 級電網(wǎng)。單臺(tái)容量可達(dá)到 5MW/10MWh。

（5）集散式：直流側(cè)多分支并聯(lián)，在電池簇出口增加 DC-DC轉(zhuǎn)換器將電池簇進(jìn)行隔離，DC-DC轉(zhuǎn)換器匯集后接入集中式 PCS 直流側(cè)。

儲(chǔ)能技術(shù)路線迭代圍繞安全、成本和效率

安全、成本和效率是儲(chǔ)能發(fā)展需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題，儲(chǔ)能技術(shù)的迭代核心也是要提高安全、 降低成本、提高效率。

（1） 安全性

儲(chǔ)能電站的安全性是產(chǎn)業(yè)最關(guān)注的問題。電化學(xué)儲(chǔ)能電站可能存在的安全隱患包括電氣引發(fā)的火 災(zāi)、電池引發(fā)的火災(zāi)、氫氣遇火發(fā)生爆炸、系統(tǒng)異常等。追溯儲(chǔ)能電站的安全問題產(chǎn)生的原因， 通常可以歸咎于電池的熱失控，導(dǎo)致熱失控的誘因包括機(jī)械濫用、電濫用、熱濫用。為避免發(fā)生 安全問題，需要嚴(yán)格監(jiān)控電池狀態(tài)，避免熱失控誘因的產(chǎn)生。

（2） 高效率

電芯的一致性是影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。電芯的一致性取決于電芯的質(zhì)量及儲(chǔ)能技術(shù)方案、電 芯的工作環(huán)境。隨著電芯循環(huán)次數(shù)增加，電芯的差異逐步體現(xiàn)，疊加運(yùn)行過程中實(shí)際工作環(huán)境的 差異，將導(dǎo)致多個(gè)電芯之間的差異加劇，一致性問題突出，對 BMS管理造成挑戰(zhàn)，甚至面臨安全 風(fēng)險(xiǎn)。電池模組間串聯(lián)失配：串聯(lián)的電芯可用容量只能達(dá)到最弱電池模組的容量，使得其他電池容量無 法被充分利用。電池簇間并聯(lián)失配：并聯(lián)鏈路上的電池簇可用容量只能達(dá)到最弱電池簇的容量，使得其他電池容 量無法被充分利用。電池內(nèi)阻差異造成環(huán)流：電池環(huán)流使得電芯溫度升高，加速老化，加大系統(tǒng)散熱，降低系統(tǒng)效率。在儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案中，應(yīng)當(dāng)盡量提高電池的一致性以提高系統(tǒng)效率。



（3） 低成本

儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本與初始投資和循環(huán)壽命有關(guān)。電池材料的老化衰退、充放電制度、電池運(yùn)行溫度、 單體的一致性都會(huì)影響電池的循環(huán)壽命。當(dāng)集裝箱內(nèi)電池溫差大于 10 度，會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短15%以上。模組間溫升差異也會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)壽命縮短。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通過優(yōu)化充放電方式、降 低系統(tǒng)間溫差、提高電池一致性來提升系統(tǒng)循環(huán)壽命。

儲(chǔ)能集成技術(shù)路線：拓?fù)浞桨钢饾u迭代

集中式方案：1500V 取代 1000V 成為趨勢

隨著集中式風(fēng)光電站和儲(chǔ)能向更大容量發(fā)展，直流高壓成為降本增效的主要技術(shù)方案，直流側(cè)電 壓提升到 1500V 的儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸成為趨勢。相比于傳統(tǒng) 1000V 系統(tǒng)，1500V 系統(tǒng)將線纜、BMS 硬件模塊、PCS 等部件的耐壓從不超過 1000V 提高到不超過 1500V。儲(chǔ)能系統(tǒng) 1500V 技術(shù)方案 來源于光伏系統(tǒng)，根據(jù) CPIA 統(tǒng)計(jì)，2021 年國內(nèi)光伏系統(tǒng)中直流電壓等級為 1500V 的市場占比約 49.4%，預(yù)期未來會(huì)逐步提高至近 80%。1500V 的儲(chǔ)能系統(tǒng)將有利于提高與光伏系統(tǒng)的適配度。

回顧光伏系統(tǒng)發(fā)展，將直流側(cè)電壓做到 1500V，通過更高的輸入、輸出電壓等級，可以降低交直 流側(cè)線損及變壓器低壓側(cè)繞組的損耗，提高電站系統(tǒng)效率，設(shè)備（逆變器、變壓器）的功率密度 提高，體積減小，運(yùn)輸、維護(hù)等方面工作量也減少，有利于降低系統(tǒng)成本。以特變電工2016年發(fā) 布的 1500V 光伏系統(tǒng)解決方案為例，與傳統(tǒng) 1000V 系統(tǒng)相比，1500V 系統(tǒng)效率提升至少 1.7%， 初始投資降低 0.1438 元/W，設(shè)備數(shù)量減少 30-50%，巡檢時(shí)間縮短 30%。



1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)方案對比 1000V方案在性能方面亦有提升。以陽光電源的方案為例，與 1000V系 統(tǒng)相比，電池系統(tǒng)能量密度與功率密度均提升了 35%以上，相同容量電站，設(shè)備更少，電池系統(tǒng)、 PCS、BMS 及線纜等設(shè)備成本大幅降低，基建和土地投資成本也同步減少。據(jù)測算，相較傳統(tǒng) 方案，1500V 儲(chǔ)能系統(tǒng)僅初始投資成本就降低了 10%以上。但同時(shí)，1500V 儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓升高后電池串聯(lián)數(shù)量增加，其一致性控制難度增大，直流拉弧風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防保護(hù)以及電氣絕緣設(shè)計(jì)等要求也 更高。

分布式方案：效率高，方案成熟

分布式方案又稱作交流側(cè)多分支并聯(lián)。與集中式技術(shù)方案對比，分布式方案將電池簇的直流側(cè)并 聯(lián)通過分布式組串逆變器變換為交流側(cè)并聯(lián)，避免了直流側(cè)并聯(lián)產(chǎn)生并聯(lián)環(huán)流、容量損失、直流 拉弧風(fēng)險(xiǎn)，提升運(yùn)營安全。同時(shí)控制精度從多個(gè)電池簇變?yōu)閱蝹€(gè)電池簇，控制效率更高。

山東華能黃臺(tái)儲(chǔ)能電站是全球首座百兆瓦級分散控制的儲(chǔ)能電站。黃臺(tái)儲(chǔ)能電站使用寧德時(shí)代的 電池+上能電氣的 PCS 系統(tǒng)。根據(jù)測算，儲(chǔ)能電站投運(yùn)后，整站電池容量使用率可達(dá) 92%左右， 高于目前業(yè)內(nèi)平均水平 7 個(gè)百分點(diǎn)。此外，通過電池簇的分散控制，可實(shí)現(xiàn)電池荷電狀態(tài)（SOC） 的自動(dòng)校準(zhǔn)，顯著降低運(yùn)維工作量。并網(wǎng)測試效率最高達(dá) 87.8%。從目前的項(xiàng)目報(bào)價(jià)來看，分散 式系統(tǒng)并沒有比集中式系統(tǒng)成本更高。

分布式方案效率最高、成本增加有限，我們判斷未來的市場份額會(huì)逐漸增加。目前百兆瓦級在運(yùn) 行的電站選擇寧德時(shí)代、上能電氣的設(shè)備。與集中式方案相比，需要把 630kw 或 1.725MW 的集 中式逆變器換成小功率組串式逆變器，對于逆變器制造廠商而言，如果其有組串式逆變器產(chǎn)品， 疊加較強(qiáng)的研發(fā)能力，可以快速切入分布式方案。

智能組串式方案：一包一優(yōu)化、一簇一管理

智能組串式解決方案通過組串化、智能化、模塊化的設(shè)計(jì)，解決集中式方案的上述三個(gè)問題：（1）組串化。采用能量優(yōu)化器實(shí)現(xiàn)電池模組級管理，采用電池簇控制器實(shí)現(xiàn)簇間均衡，分布式 空調(diào)減少簇間溫差。（2）智能化。將 AI、云 BMS 等先進(jìn) ICT 技術(shù)，應(yīng)用到內(nèi)短路檢測場景中， 應(yīng)用 AI 進(jìn)行電池狀態(tài)預(yù)測，采用多模型聯(lián)動(dòng)智能溫控策略保證充放電狀態(tài)最優(yōu)。（3）模塊化。電池系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，可單獨(dú)切離故障模組，不影響簇內(nèi)其它模組正常工作。將 PCS 模塊化設(shè)計(jì)， 單臺(tái) PCS 故障時(shí)，其它 PCS 可繼續(xù)工作，多臺(tái) PCS 故障時(shí)，系統(tǒng)仍可保持運(yùn)行。

高壓級聯(lián)方案：無并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高效方案

高壓級聯(lián)的儲(chǔ)能方案通過電力電子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無需經(jīng)過變壓器即可達(dá)到 6-35kv 并網(wǎng)電壓。以新風(fēng) 光35kv解決方案為例，單臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)為12.5MW/25MWh系統(tǒng)，系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)與高壓SVG類似， 由 A、B、C 三相組成。每相包含 42 個(gè) H 橋功率單元配套 42 個(gè)電池簇。三相總共 126 個(gè) H 橋功 率單元共 126 簇電池簇，共存儲(chǔ) 25.288MWh 電量。每簇電池包含 224 個(gè)電芯串聯(lián)而成。



高壓級聯(lián)方案的優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）安全性。系統(tǒng)中無電芯并聯(lián)，部分電池?fù)p壞，更換范圍窄， 影響范圍小，維護(hù)成本低。（2）一致性。電池組之間不直接連接，而是經(jīng)過 AC/DC 后連接，因 此所有電池組之間可以通過 AC/DC 進(jìn)行 SOC 均衡控制。電池組內(nèi)部只是單個(gè)電池簇，不存在電 池簇并聯(lián)現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)均流問題。電池簇內(nèi)部通過 BMS實(shí)現(xiàn)電芯之間的均衡控制。因此，該方 案可以最大程度利用電芯容量，在交流側(cè)同等并網(wǎng)電量情況下，可以安裝較少的電芯，降低初始 投資。（3）高效率。由于系統(tǒng)無電芯/電池簇并聯(lián)運(yùn)行，不存在短板效應(yīng)，系統(tǒng)壽命約等同于單 電芯壽命，能最大限度提升儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)無需升壓變壓器，現(xiàn)場實(shí)際系統(tǒng)循環(huán)效 率達(dá)到 90%。

高壓級聯(lián)方案作為一種新的技術(shù)路線，有待運(yùn)行驗(yàn)證。（1）技術(shù)方面，一方面，高壓級聯(lián)方案 每一相都是 35kv，電磁環(huán)境惡劣，對 BMS 控制提出更高要求。另一方面，高壓級聯(lián)方案為交流 側(cè)并聯(lián)，選擇多個(gè) H 橋連接，ABC 三相交流電，每一相都有多個(gè) H 橋串聯(lián)，可靠性降低，為了提 升可靠性，必須進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，如果某個(gè) H 橋故障，可以切換到旁路電路。（2）運(yùn)營方面， 35kv 儲(chǔ)能系統(tǒng)中直流側(cè)和交流側(cè)放在同一位置，運(yùn)行維護(hù)的難度加大，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng) 前高壓級聯(lián)方案滲透率依然較低，需要經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證可靠性和穩(wěn)定性。

集散式方案：直流隔離+集中逆變

集散式方案又稱作直流側(cè)多分支并聯(lián)，在傳統(tǒng)集中式方案的基礎(chǔ)上，在電池簇出口增加 DC/DC變 換器將電池簇進(jìn)行隔離，DC-DC轉(zhuǎn)換器匯集后接入集中式 PCS 直流側(cè)，2~4 臺(tái) PCS 并聯(lián)接入一 臺(tái)就地變壓器，經(jīng)變壓器升壓后并網(wǎng)。系統(tǒng)中通過增加 DC/DC直流隔離，避免直流并聯(lián)產(chǎn)生的直 流拉弧、環(huán)流、容量損失，大大提高了系統(tǒng)的安全性，從而提升系統(tǒng)效率。但由于系統(tǒng)需要經(jīng)過 兩級逆變，對系統(tǒng)效率有反向影響。



電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展為能源存儲(chǔ)和利用提供了一種高效可行的解決方案。通過直流側(cè)和交流側(cè)的配合，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電能的高效儲(chǔ)存和靈活調(diào)度，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供了重要支持。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)將在未來發(fā)揮更加重要的作用，助力推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。我們有理由相信，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用將為構(gòu)建清潔、智能和可持續(xù)的能源未來做出巨大貢獻(xiàn)。

原標(biāo)題：淺析大型儲(chǔ)能電站集成技術(shù)趨勢