前言

全球氣候危機(jī)下，清潔能源替代化石能源成為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的根本路徑，但隨著不穩(wěn)定的風(fēng)光清潔能源接入電網(wǎng)比例的持續(xù)提升，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)解決風(fēng)光清潔能源時(shí)空不平衡問(wèn)題，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，形成了由“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”為基本結(jié)構(gòu)的新型電力系統(tǒng)，成為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展能源解決方案的重要支撐。

展望2023年的儲(chǔ)能行業(yè)，無(wú)論是用戶(hù)側(cè)還是源網(wǎng)側(cè)，層出不窮的系統(tǒng)集成方案是貫穿始終的主旋律。如何將電池組、儲(chǔ)能變流器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)等關(guān)鍵部分通過(guò)有效的方案集成，最大限度提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性，成為了行業(yè)發(fā)展的第一性原理。儲(chǔ)能復(fù)雜的產(chǎn)品形態(tài)搭配復(fù)雜的應(yīng)用模式為集成技術(shù)革命埋下了伏筆，那么問(wèn)題來(lái)了，現(xiàn)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景到底該選擇怎樣的集成路線?未來(lái)的技術(shù)路線又將會(huì)何去何從?

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初代儲(chǔ)能集成：集中式方案

集中式儲(chǔ)能是行業(yè)第一代主流的集成路線，通過(guò)將多個(gè)電池簇在直流側(cè)進(jìn)行并聯(lián)后，同BMS，溫度控制系統(tǒng)，自動(dòng)消防系統(tǒng)以及交直流配電裝置組成電池集裝箱。同時(shí)在變流升壓部分，將PCS和變壓器組成功率集裝箱，兩個(gè)集裝箱通過(guò)直流電纜連接。

由于低成本和低技術(shù)門(mén)檻的優(yōu)勢(shì)，迅速占領(lǐng)儲(chǔ)能市場(chǎng)，成為了第一代主流儲(chǔ)能集成路線，主要面向源網(wǎng)側(cè)的大型儲(chǔ)能電站。

但集中式方案大量并網(wǎng)運(yùn)行后，也面臨了眾多問(wèn)題。這里需要強(qiáng)化一個(gè)概念，全生命周期度電成本，影響這個(gè)指標(biāo)的兩大核心因素是全生命周期投資成本和全生命周期電量吞吐能力。集中式方案最大的問(wèn)題，就是無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的全生命周期電量吞吐能力。

電池在直流側(cè)并聯(lián)后，由于不同電池間存在電性能差異，各個(gè)電池充不滿、放不完，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)流問(wèn)題，為了避免環(huán)流帶來(lái)的系統(tǒng)安全問(wèn)題，在充放電時(shí)還會(huì)各保留10%的余量，這降低的是儲(chǔ)放深度。在散熱的設(shè)計(jì)上，集裝箱通常采用1-2個(gè)集中空調(diào)，需設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的風(fēng)道，制冷效率低，集裝箱內(nèi)溫差較大，加劇電芯的不一致性，降低系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)。對(duì)于變流環(huán)節(jié)，單臺(tái)PCS接入的電池簇較多，一旦發(fā)生故障，容量損失較大，影響系統(tǒng)效率。全生命周期電量吞吐能力的降低讓集中式方案只能通過(guò)降本來(lái)維持不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)性，但降本也會(huì)同步帶來(lái)更多的安全性問(wèn)題，截至目前，發(fā)生安全問(wèn)題的儲(chǔ)能電站也大多采用了集中式方案。同時(shí)，在運(yùn)維的角度，大型預(yù)制艙單體占地面積大，靈活性差，不支持新舊電池混用，補(bǔ)電困難，這些問(wèn)題在后期的運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)逐步顯現(xiàn)出來(lái)。

這個(gè)階段，儲(chǔ)能行業(yè)仍在追求最優(yōu)的投資成本，降本是技術(shù)考量的核心因素，這背后的原因一是因?yàn)閮?chǔ)能盈利模式的不清晰，二是因?yàn)榇蟛糠猪?xiàng)目都是新能源配儲(chǔ)，很多電站都是為了完成對(duì)應(yīng)的指標(biāo)。

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第二代儲(chǔ)能集成：集散式方案

集中式方案全生命周期的電量吞吐能力低的核心原因其實(shí)就是電芯存在不一致性，如果不對(duì)每個(gè)電池組進(jìn)行精確控制，必然導(dǎo)致儲(chǔ)放深度、系統(tǒng)效率以及電池壽命的降低。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，大家想到在每個(gè)電池模塊上連接一個(gè)能量?jī)?yōu)化器

電池簇經(jīng)過(guò)這個(gè)能量?jī)?yōu)化器(DC/DC)接入直流母線，再通過(guò)PCS接入電網(wǎng)，這就是集散式方案。從集中到集散，讓整個(gè)系統(tǒng)可以精準(zhǔn)控制每個(gè)電池簇的電量，解決了直流側(cè)并聯(lián)帶來(lái)的充不滿、放不完以及環(huán)流問(wèn)題，大幅提高系統(tǒng)的儲(chǔ)放深度，也保證了電池壽命。但由于加入了DC/DC模塊，造成了設(shè)備成本增加，同時(shí)DC/DC和PCS的兩級(jí)逆變降低了系統(tǒng)循環(huán)效率，增加了并網(wǎng)調(diào)試時(shí)間。

在物理集成的層面，集散式方案仍采用集裝箱布置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)備布局，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)分區(qū)安全隔離，同時(shí)單臺(tái)PCS接入電池?cái)?shù)量較多，故障后容量損失較大的問(wèn)題也沒(méi)有解決。

伴隨著集散式方案的出現(xiàn)，大家已經(jīng)從單純的追求最優(yōu)投資成本轉(zhuǎn)向追求最優(yōu)度電成本，全生命周期電量吞吐能力變得愈發(fā)重要，儲(chǔ)能盈利模式的逐步清晰也讓行業(yè)需求從“完成配儲(chǔ)指標(biāo)”升級(jí)到“如何通過(guò)儲(chǔ)能電站盈利”。

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第三代儲(chǔ)能集成：分布式方案

無(wú)論是集中式還是集散式方案，它的核心還是通過(guò)在直流側(cè)進(jìn)行并聯(lián)匯流后通過(guò)PCS進(jìn)行逆變，集裝箱成為了必要的物理形態(tài)但始終沒(méi)能解決系統(tǒng)效率低、全生命周期度電成本高的問(wèn)題。另一方面，伴隨工商業(yè)電價(jià)差的不斷增加以及分布式光伏裝機(jī)迅速增加，大量的用戶(hù)側(cè)需求開(kāi)始不斷涌現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候集裝箱的物理形態(tài)和工商業(yè)廠房的復(fù)雜地形間就出現(xiàn)了難以匹配兼容的痛點(diǎn)，同時(shí)集裝箱電池動(dòng)輒幾MW的容量也無(wú)法同用戶(hù)的用電負(fù)荷相匹配。我們需要靈活度更高的儲(chǔ)能集成方案來(lái)解決用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)痛點(diǎn)。

小機(jī)柜成為了第三代儲(chǔ)能集成方案的物理形態(tài)

在小機(jī)柜的基礎(chǔ)上，如果仍采用直流側(cè)并聯(lián)的方式，還是需要大的PCS柜來(lái)完成逆變工作，這里面牽扯了兩個(gè)問(wèn)題。一是大容量PCS占地面積大，對(duì)用戶(hù)的場(chǎng)地要求太高，很多場(chǎng)景仍不適用;第二點(diǎn)是在工商業(yè)側(cè)伴隨著用戶(hù)用電負(fù)荷的不斷變化，需要提升補(bǔ)電和擴(kuò)容操作的靈活度，大容量PCS很難維持補(bǔ)電擴(kuò)容后的系統(tǒng)效率，在靈活性上也無(wú)法滿足用戶(hù)的需求。

“產(chǎn)品系統(tǒng)化”成為第三代儲(chǔ)能集成方案的核心理念

因此，便有廠家提出了通過(guò)高度集成電池簇+PCS+BMS+溫控消防系統(tǒng)來(lái)做成一體化的小機(jī)柜，讓產(chǎn)品系統(tǒng)化，通過(guò)小機(jī)柜的方式既掙脫了了應(yīng)用場(chǎng)景的限制，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)容，解決了補(bǔ)電問(wèn)題。每個(gè)小機(jī)柜由獨(dú)立的BMS和PCS控制，儲(chǔ)放深度可以做到100%，PCS和電池簇間的高度配合讓系統(tǒng)效率也突破了新的高度。

分布式方案在安全性上也有較大突破，因?yàn)樾」耋w的物理設(shè)計(jì)以及控制精度的增加，一旦出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)可以更加快速精準(zhǔn)的定位到問(wèn)題電池，同時(shí)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)也控制在單個(gè)柜體中，只要提升柜體的耐火和防爆性能，就可以有效縮小影響面積，讓消防人員有足夠時(shí)間去處理起火現(xiàn)場(chǎng)。奇點(diǎn)能源最先提出了分布式方案，現(xiàn)在也成為行業(yè)異軍突起的獨(dú)角獸，各個(gè)廠家在用戶(hù)側(cè)新品也陸續(xù)采用了分布式集成方案。

伴隨著第三代集成方案的出現(xiàn)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅廣泛應(yīng)用于用戶(hù)側(cè)，也頻繁在大型的源網(wǎng)側(cè)項(xiàng)目使用。分布式方案帶來(lái)的全生命周期儲(chǔ)放電量提升、安全性提升以及運(yùn)維便利性的提升讓越來(lái)越多的業(yè)主和設(shè)計(jì)院愿意采用這種新的模式，盡管會(huì)帶來(lái)一些初始投資的提高，但全生命周期的收益還是優(yōu)于集裝箱方案。以2022年源網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能新增量最多的寧夏自治區(qū)為例，我們看過(guò)寧夏電網(wǎng)每個(gè)月公開(kāi)的儲(chǔ)能月報(bào)也和機(jī)構(gòu)一起參觀過(guò)當(dāng)?shù)睾芏嗟膬?chǔ)能電站，采用分布式方案的電站當(dāng)月綜合利用小時(shí)數(shù)都處在領(lǐng)先位置，平均交流側(cè)轉(zhuǎn)換效率高于90%。根據(jù)駐場(chǎng)人員、EPC和業(yè)主方的反饋來(lái)看，由于采用了分布式系統(tǒng)，監(jiān)控更加精細(xì)化，安全性也有提升，其實(shí)不需要駐場(chǎng)人員在電站進(jìn)行值守，真正實(shí)現(xiàn)了全面的線上運(yùn)維。

這一代儲(chǔ)能方案通過(guò)“產(chǎn)品即系統(tǒng)”理念的高度集成并通過(guò)小機(jī)柜的物理形態(tài)實(shí)現(xiàn)，不僅在用戶(hù)側(cè)完美解決客戶(hù)痛點(diǎn)，在源網(wǎng)側(cè)也有相當(dāng)出彩的應(yīng)用案例，真正意義上開(kāi)啟了儲(chǔ)能集成技術(shù)新的時(shí)代。

結(jié)語(yǔ)

伴隨儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展，筆者相信我們目前看到的集成方案都不是最終形態(tài)，也永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)最終形態(tài)。但從整體的發(fā)展歷史我們也可以看到，全生命周期發(fā)電量持續(xù)提升，控制精度不斷提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)愈發(fā)便利，運(yùn)維模式更加簡(jiǎn)潔是永恒不變的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和安全性的不斷突破是儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的第一性原理。