電化學儲能系統(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)進行電能交互,就必須通過變流器進行交直流轉(zhuǎn)換。
儲能系統(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轉(zhuǎn)換器將電池簇進行隔離,DC-DC轉(zhuǎn)換器匯集后接入集中式 PCS 直流側(cè)。
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。電化學儲能電站可能存在的安全隱患包括電氣引發(fā)的火 災、電池引發(fā)的火災、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 風險。電池模組間串聯(lián)失配:串聯(lián)的電芯可用容量只能達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。在儲能電站設(shè)計和運行方案中,應當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。當集裝箱內(nèi)電池溫差大于 10 度,會導致電池壽命縮短15%以上。模組間溫升差異也會導致整體系統(tǒng)壽命縮短。儲能系統(tǒng)應當通過優(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。
儲能集成技術(shù)路線:拓撲方案逐漸迭代
集中式方案:1500V 取代 1000V 成為趨勢
隨著集中式風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。
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,運輸、維護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%,巡檢時間縮短 30%。
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,直流拉弧風險預防保護以及電氣絕緣設(shè)計等要求也 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。
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逐漸增加。目前百兆瓦級在運 行的電站選擇寧德時代、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,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),應用到內(nèi)短路檢測場景中, 應用 AI 進行電池狀態(tài)預測,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。
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 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,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%。
高壓級聯(lián)方案作為一種新的技術(shù)路線,有待運行驗證。(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 H 橋連接,ABC 三相交流電,每一相都有多個 H 橋串聯(lián),可靠性降低,為了提 升可靠性,必須進行冗余設(shè)計,如果某個 H 橋故障,可以切換到旁路電路。(2)運營方面, 35kv 儲能系統(tǒng)中直流側(cè)和交流側(cè)放在同一位置,運行維護的難度加大,存在一定的安全風險。當 前高壓級聯(lián)方案滲透率依然較低,需要經(jīng)過多個項目驗證可靠性和穩(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 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。
電化學儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展為能源存儲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,電化學儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電能的高效儲存和靈活調(diào)度,為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和可再生能源的大規(guī)模應用提供了重要支持。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進步,電化學儲能系統(tǒng)將在未來發(fā)揮更加重要的作用,助力推動能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。我們有理由相信,電化學儲能技術(shù)的廣泛應用將為構(gòu)建清潔、智能和可持續(xù)的能源未來做出巨大貢獻。
原標題:淺析大型儲能電站集成技術(shù)趨勢