大型儲能電站集成技術(shù)趨勢分析

  一、儲能系統(tǒng)分類

  按電氣結(jié)構(gòu)劃分，大型儲能系統(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)儲能系統(tǒng)，每一簇電池都與一個PCS單元連接，PCS采用小功率、分布式布置。

  （3）智能組串式：基于分布式儲能系統(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)計等創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)更高效應(yīng)用。

  （4）高壓級聯(lián)式大功率儲能系統(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)。單臺容量可達到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變換器將電池簇進行隔離，DC/DC變換器匯集后接入集中式PCS直流側(cè)。

  二、儲能技術(shù)路線迭代圍繞安全、成本和效率

  安全、成本和效率是儲能發(fā)展需要重點解決的關(guān)鍵問題，儲能技術(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

  儲能電站的安全性是產(chǎn)業(yè)最關(guān)注的問題。電化學(xué)儲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。追溯儲能電站的安全問題產(chǎn)生的原因，通�？梢詺w咎于電池的熱失控，導(dǎo)致熱失控的誘因包括機械濫用、電濫用、熱濫用。為避免發(fā)生安全問題，需要嚴格監(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)，疊加運行過程中實際工作環(huán)境的差異，將導(dǎo)致多個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。在儲能電站設(shè)計和運行方案中，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、電池運行溫度、單體的一致性都會影響電池的循環(huán)壽命。當(dāng)集裝箱內(nèi)電池溫差大于10度，會導(dǎo)致電池壽命縮短15%以上。模組間溫升差異也會導(dǎo)致整體系統(tǒng)壽命縮短。儲能系統(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。

  三、儲能集成技術(shù)路線：拓撲方案逐漸迭代

  （1）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，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)期未來會逐步提高至近80%。1500V的儲能系統(tǒng)將有利于提高與光伏系統(tǒng)的適配度。

  1500V儲能系統(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儲能系統(tǒng)僅初始投資成本就降低了10%以上。但同時，1500V儲能系統(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)險預(yù)防保護以及電氣絕緣設(shè)計等要求也更高。

  （2）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，提升運營安全。同時控制精度從多個電池簇變?yōu)閱蝹�電池簇，控制效率更高。

  山東華能黃臺儲能電站是全球首座百兆瓦級分散控制的儲能電站。黃臺儲能電站使用寧德時代的電池+上能電氣的PCS系統(tǒng)。根據(jù)測算，儲能電站投運后，整站電池容量使用率可達92%左右，高于目前業(yè)內(nèi)平均水平7個百分點。此外，通過電池簇的分散控制，可實現(xiàn)電池荷電狀態(tài)（SOC）的自動校準，顯著降低運維工作量。并網(wǎng)測試效率最高達87.8%。從目前的項目報價來看，分散式系統(tǒng)并沒有比集中式系統(tǒng)成本更高。

  （3）智能組串式方案：一包一優(yōu)化、一簇一管理

  華為提出的智能組串式方案，針對集中式方案中三個主要問題進行解決：（1）容量衰減。傳統(tǒng)方案中，電池使用具有明顯的“短板效應(yīng)”，電池模塊之間并聯(lián)，充電時一個電池單體充滿，充電停止，放電時一個電池單體放空，放電停止，系統(tǒng)的整體壽命取決于壽命最短的電池。（2）一致性。在儲能系統(tǒng)的運行應(yīng)用中，由于具體環(huán)境不同，電池一致性存在偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)容量的指數(shù)級衰減。（3）容量失配。電池并聯(lián)容易造成容量失配，電池的實際使用容量遠低于標(biāo)準容量。

  智能組串式解決方案通過組串化、智能化、模塊化的設(shè)計，解決集中式方案的上述三個問題：（1）組串化。采用能量優(yōu)化器實現(xiàn)電池模組級管理，采用電池簇控制器實現(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ICT技術(shù)，應(yīng)用到內(nèi)短路檢測場景中，應(yīng)用AI進行電池狀態(tài)預(yù)測，采用多模型聯(lián)動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，可單獨切離故障模組，不影響簇內(nèi)其它模組正常工作。將PCS模塊化設(shè)計，單臺PCS故障時，其它PCS可繼續(xù)工作，多臺PCS故障時，系統(tǒng)仍可保持運行。

  （4）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)的儲能方案通過電力電子設(shè)計，實現(xiàn)無需經(jīng)過變壓器即可達到6-35kv并網(wǎng)電壓。以新風(fēng)光35kv解決方案為例，單臺儲能系統(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H橋功率單元配套42個電池簇。三相總共126個H橋功率單元共126簇電池簇，共存儲25.288MWh電量。每簇電池包含224個電芯串聯(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)，部分電池損壞，更換范圍窄，影響范圍小，維護成本低。（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進行SOC均衡控制。電池組內(nèi)部只是單個電池簇，不存在電池簇并聯(lián)現(xiàn)象，不會出現(xiàn)均流問題。電池簇內(nèi)部通過BMS實現(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，能最大限度提升儲能裝置的運行經(jīng)濟性。系統(tǒng)無需升壓變壓器，現(xiàn)場實際系統(tǒng)循環(huán)效率達到90%。

  （5）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變換器將電池簇進行隔離，DC/DC變換器匯集后接入集中式PCS直流側(cè)，2~4臺PCS并聯(lián)接入一臺就地變壓器，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。