中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全球氣候危機(jī)下，清潔能源替代化石能源成為人類實(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)通過解決風(fēng)光清潔能源時(shí)空不平衡問題，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？
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)集裝箱通過直流電纜連接。
由于低成本和低技術(shù)門檻的優(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)流問題，為了避免環(huán)流帶來(lái)的系統(tǒng)安全問題，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)更多的安全性問題，截至目前，發(fā)生安全問題的儲(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，這些問題在后期的運(yùn)行過程中也會(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)。
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)過這個(gè)能量?jī)?yōu)化器（DC/DC）接入直流母線，再通過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題也沒有解決。
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“如何通過儲(chǔ)能電站盈利”。
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，它的核心還是通過在直流側(cè)進(jìn)行并聯(lián)匯流后通過PCS進(jìn)行逆變，集裝箱成為了必要的物理形態(tài)但始終沒能解決系統(tǒng)效率低、全生命周期度電成本高的問題。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，大量的用戶側(cè)需求開始不斷涌現(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)問題。一是大容量PCS占地面積大，對(duì)用戶的場(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，我們看過寧夏電網(wǎng)每個(gè)月公開的儲(chǔ)能月報(bào)也和機(jī)構(gòu)一起參觀過當(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“產(chǎn)品即系統(tǒng)”理念的高度集成并通過小機(jī)柜的物理形態(tài)實(shí)現(xiàn)，不僅在用戶側(cè)完美解決客戶痛點(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。
集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)（CESS）是針對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求開發(fā)的集成化儲(chǔ)能系統(tǒng)，其內(nèi)部集成電池柜、鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）、集裝箱動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，并可根據(jù)客戶需求集成儲(chǔ)能變流器和能量管理系統(tǒng)。
集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)具有簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本、建設(shè)周期短、模塊化程度高、便于運(yùn)輸和安裝等特點(diǎn)，能夠適用于火力、風(fēng)能、太陽(yáng)能等電站或海島、小區(qū)、學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)、工廠、大型負(fù)荷中心等應(yīng)用場(chǎng)合。
集裝箱分類丨按使用材料分類
鋁合金集裝箱：優(yōu)點(diǎn)是重量輕，外表美觀，防腐蝕，彈性好，加工方便以及加工費(fèi)、修理費(fèi)低，使用年限長(zhǎng)；缺點(diǎn)是造價(jià)高，焊接性能差；
鋼制集裝箱：優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)牢，焊接性高，水密性好，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是重量大、防腐性差；
玻璃鋼制集裝箱：優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大，剛性好，內(nèi)容積大，隔熱、防腐、耐化學(xué)性好，易清掃，修理簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是重量大，易老化，擰螺栓處強(qiáng)度降低。
儲(chǔ)能集裝箱的設(shè)計(jì)主要分為兩部分
1、電池倉(cāng)：電池倉(cāng)主要包括電池、電池架、BMS控制柜、七氟丙烷滅火柜、散熱空調(diào)、煙感照明、監(jiān)控?cái)z像頭等。電池需要配備相對(duì)應(yīng)的BMS管理系統(tǒng)。
電池的類型可以是鐵鋰電池、鋰電池、鉛炭電池及鉛酸電池。散熱空調(diào)根據(jù)倉(cāng)里的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。監(jiān)控?cái)z像頭可以遠(yuǎn)端監(jiān)控倉(cāng)里設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?？梢越M成一個(gè)遠(yuǎn)程的客戶端，通過客戶端或者app對(duì)倉(cāng)里設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電池狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。
2、設(shè)備倉(cāng)：設(shè)備倉(cāng)主要包括PCS和EMS控制柜。PCS可控制充電和放電過程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)荷供電。
EMS在儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用里面，功能和作用都比較重要。在配電網(wǎng)方面，EMS主要通過跟智能電表的通訊，采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)功率的狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載功率的變化?？刂谱詣?dòng)發(fā)電，對(duì)電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
1MWh的系統(tǒng)里面，PCS和電池的比例可以是1:1或者1:4（儲(chǔ)能PCS250kWh，電池1MWh）。
3、1MW集裝箱式變流器散熱設(shè)計(jì)采用前進(jìn)分后出風(fēng)的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)適用于將所有PCS全部放置在同一個(gè)集裝箱的儲(chǔ)能電站。將集裝箱內(nèi)部配電系統(tǒng)的走線、維護(hù)通道及散熱設(shè)計(jì)整體一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，減少事后維護(hù)的成本。
集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)組成
以1MW/1MWh集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，系統(tǒng)一般由儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電池管理單元、專用消防系統(tǒng)、專用空調(diào)、儲(chǔ)能變流器及隔離變壓器組成，并最終集成在一個(gè)40英尺集裝箱內(nèi)。
電池系統(tǒng):主要由電芯串并聯(lián)構(gòu)成，首先十幾組電芯通過串并聯(lián)組成電池箱，然后電池箱通過串聯(lián)組成電池組串并提升系統(tǒng)電壓，最終將電池組串進(jìn)行并聯(lián)提升系統(tǒng)容量，并集成安裝在電池柜內(nèi)。
監(jiān)控系統(tǒng):主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外通訊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、分析和處理的功能，保證數(shù)據(jù)監(jiān)控準(zhǔn)確、電壓電流采樣精度高、數(shù)據(jù)同步率及遙控命令執(zhí)行速度快，電池管理單元擁有高精度的單體電壓檢測(cè)與電流檢測(cè)功能，保證電芯模塊的電壓均衡，避免電池模塊間產(chǎn)生環(huán)流，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。
消防系統(tǒng):為了保證系統(tǒng)的安全，集裝箱內(nèi)配置了專用的消防及空調(diào)系統(tǒng)。
通過煙霧傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、應(yīng)急燈等安全設(shè)備感知火警，并自動(dòng)滅火;專用空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)外部環(huán)境溫度，通過熱管理策略控制空調(diào)冷熱系統(tǒng)，保證集裝箱內(nèi)溫度處于合適區(qū)間，延長(zhǎng)電池使用壽命。
儲(chǔ)能變流器:是將電池直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電的能量轉(zhuǎn)換單元，其可運(yùn)行于并網(wǎng)及離網(wǎng)模式，并網(wǎng)模式下變流器按照上層調(diào)度下發(fā)的功率指令與電網(wǎng)進(jìn)行能量交互;
離網(wǎng)模式下儲(chǔ)能變流器可為廠區(qū)負(fù)荷提供電壓頻率支撐，并為部分可再生能源提供黑啟動(dòng)電源。
儲(chǔ)能變流器出口與隔離變壓器連接，使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，最大程度保證集裝箱系統(tǒng)的安全。
集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
儲(chǔ)能集裝箱具備良好的防腐、防火、防水、防塵（防風(fēng)沙）、防震、防紫外線、防盜等功能，保證25年內(nèi)不會(huì)因腐蝕。
2.集裝箱外殼結(jié)構(gòu)、隔熱保溫材料、內(nèi)外部裝飾材料等全部使用阻燃材料。
3.集裝箱的進(jìn)、出風(fēng)口和設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口加裝可方便更換標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)過濾網(wǎng)，同時(shí)，在遭遇大風(fēng)揚(yáng)沙電氣時(shí)可以有效阻止灰塵進(jìn)入集裝箱內(nèi)部。
4.防震功能須保證運(yùn)輸和地震條件下集裝箱及其內(nèi)部設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度滿足要求，不出現(xiàn)變形、功能異常、震動(dòng)后不運(yùn)行等故障。
5.防紫外線功能須保證集裝箱內(nèi)外材料的性質(zhì)不會(huì)因?yàn)樽贤饩€的照射發(fā)生劣化、不會(huì)吸收紫外線的熱量等
6.防盜功能須保證集裝箱在室外露天條件下不會(huì)被偷盜者打開，須保證在偷盜者試圖打開集裝箱時(shí)產(chǎn)生威脅性報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，通過遠(yuǎn)程通信方式向后臺(tái)報(bào)警，該報(bào)警功能可以由用戶屏蔽。
7.集裝箱標(biāo)準(zhǔn)單元擁有自己獨(dú)立的供電系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、隔熱系統(tǒng)、阻燃系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、機(jī)械連鎖系統(tǒng)、逃生系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等自動(dòng)控制和保障系統(tǒng)。
鋰電池集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)
鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)裝機(jī)形式的不同，分為柜式儲(chǔ)能系統(tǒng)和集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)。
隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，采購(gòu)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的客戶將加強(qiáng)對(duì)能源和電力的需求。鋰電集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)基于先進(jìn)的鋰電池技術(shù)，配置標(biāo)準(zhǔn)化變流設(shè)備和監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以更好地滿足不斷增長(zhǎng)的儲(chǔ)能需求。
