中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
打造能源革命發(fā)展新質(zhì)“引擎”
電化學(xué)儲(chǔ)能“華能方案”演進(jìn)與展望
“十四五”以來(lái)，新型儲(chǔ)能快速發(fā)展，有力支撐了我國(guó)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。2025年9月，國(guó)家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)《新型儲(chǔ)能規(guī)?；ㄔO(shè)專項(xiàng)行動(dòng)方案（2025～2027年）》，明確到2027年全國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)達(dá)到1.8億千瓦以上，帶動(dòng)直接投資約2500億元，且技術(shù)路線仍將以鋰離子電池儲(chǔ)能為主。
圍繞碳中和及新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求，清能院儲(chǔ)能技術(shù)部深耕電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)十余年，持續(xù)推進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)革新，構(gòu)建了大規(guī)模智能分散式電池儲(chǔ)能技術(shù)體系，顯著提升了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的可用容量、綜合效率及安全性，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展。
作為國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)能電站建設(shè)的央企單位之一，清能院早在2022年就已躋身國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能集成商頭部陣列，在國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)出貨量排名第7。截至2025年9月，院電化學(xué)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)成果轉(zhuǎn)化業(yè)績(jī)已達(dá)8吉瓦時(shí)。
本文系統(tǒng)梳理清能院儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，聚焦系統(tǒng)架構(gòu)、控制策略與安全管理等核心技術(shù)創(chuàng)新，展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)華能智慧。
一、儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的充放電控制顆粒度、效率、可用容量及可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)具有重要影響。目前，主流的儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)包括集中式、分散式以及高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)。清能院通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新，推動(dòng)儲(chǔ)能架構(gòu)從粗放式集中管理向精細(xì)化分散控制演進(jìn)，最終邁向高壓直掛式先進(jìn)拓?fù)洹?/span>
（一）集中式儲(chǔ)能架構(gòu)
傳統(tǒng)集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)一般將多個(gè)電池簇并聯(lián)匯流，通過(guò)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能變流器（PCS）進(jìn)行集中式能量處理。這種儲(chǔ)能架構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PCS單機(jī)功率相對(duì)較大，初期設(shè)備成本較低。但將大量電池簇直接并聯(lián)的粗放式能量管理會(huì)引發(fā)“木桶效應(yīng)”、簇間環(huán)流等固有缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)可用容量降低，故障易擴(kuò)散，制約大規(guī)模應(yīng)用安全性與經(jīng)濟(jì)性。
（二）分散式儲(chǔ)能架構(gòu)
為攻克集中式儲(chǔ)能架構(gòu)固有的技術(shù)瓶頸，清能院立足自主創(chuàng)新，構(gòu)建了國(guó)際先進(jìn)的分散式電池儲(chǔ)能技術(shù)體系。以分散化、模塊化為核心設(shè)計(jì)理念，通過(guò)簇級(jí)精細(xì)化能量管理，顯著提升了大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的可用容量、綜合效率、運(yùn)行安全性及循環(huán)壽命。
清能院于2017年申請(qǐng)專利“一種光伏電站用直流側(cè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)”，首次將分散化、模塊化理念應(yīng)用于光伏配套儲(chǔ)能。
2018年，進(jìn)一步通過(guò)專利“一種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)”，在行業(yè)內(nèi)首次明確提出“一簇一管理”的兩級(jí)功率變換分散式架構(gòu)，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上根本性消除簇間環(huán)流。
此后，清能院優(yōu)化提出單級(jí)變換架構(gòu)專利，實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池簇經(jīng)獨(dú)立小功率PCS處理能量，在保留精細(xì)控制優(yōu)勢(shì)的同時(shí)進(jìn)一步提升效率和經(jīng)濟(jì)性。目前該架構(gòu)已成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的主流應(yīng)用架構(gòu)。
圖1 單級(jí)功率變換的分散式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)
相較于集中式儲(chǔ)能，分散式儲(chǔ)能的核心優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了簇級(jí)獨(dú)立控制，徹底解決了并聯(lián)環(huán)流、“木桶效應(yīng)”等痛點(diǎn)。系統(tǒng)對(duì)電池一致性要求降低，兼容性更強(qiáng)，運(yùn)維操作得以簡(jiǎn)化，在容量可用率、循環(huán)壽命及整體安全性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
某省2021年同期建成的兩座百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站規(guī)模均為100兆瓦/200兆瓦時(shí)，均采用同品牌280安時(shí)電池，但分別采用了分散式與集中式技術(shù)。經(jīng)過(guò)近兩年半的運(yùn)行后，分散式電站的可用容量比例仍高出集中式5個(gè)百分點(diǎn)，凸顯了分散式技術(shù)高可用容量的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比情況如表1所示。
表1 兩種技術(shù)路線的儲(chǔ)能電站可用容量情況
由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，分散式電站電池簇荷電狀態(tài)（SOC）最大不平衡度為4.2%，遠(yuǎn)低于集中式電站的27%，表明分散式技術(shù)能通過(guò)簇間均衡控制有效維持SOC一致，使系統(tǒng)可用容量顯著優(yōu)于集中式方案。
在電池簇電流分布情況上，分散式電站中各電池簇電流分布均衡，而集中式電站則差異顯著，尤其在充放電始末階段。這種不均衡會(huì)導(dǎo)致簇間功率分配不均，加速電池老化和系統(tǒng)容量衰減。
清能院還自主研發(fā)了分散式儲(chǔ)能專用的電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）和模塊化PCS等關(guān)鍵設(shè)備，先后建成全球首座百兆瓦級(jí)分散式獨(dú)立儲(chǔ)能電站、全球首座百兆瓦級(jí)分散控制構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能電站、國(guó)內(nèi)容量最大的單層站房式儲(chǔ)能電站等多項(xiàng)標(biāo)桿工程，彰顯了清能院在行業(yè)技術(shù)發(fā)展中的引領(lǐng)地位。
（三）高壓直掛式儲(chǔ)能架構(gòu)
盡管分散式儲(chǔ)能有效解決了環(huán)流與“木桶效應(yīng)”等問(wèn)題，但在面向吉瓦時(shí)級(jí)超大規(guī)模儲(chǔ)能電站建設(shè)時(shí)，仍面臨單機(jī)容量有限、系統(tǒng)集成復(fù)雜度高、依賴工頻變壓器導(dǎo)致效率與穩(wěn)定性受限、散熱與防護(hù)矛盾突出等挑戰(zhàn)。
為突破上述瓶頸，清能院于2021年成功牽頭研制全球單機(jī)容量最大的35千伏/25兆瓦高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)H橋變換器拓?fù)?，?shí)現(xiàn)電池簇經(jīng)功率單元逆變后串聯(lián)形成高壓，直接掛接35千伏電網(wǎng)，省去工頻變壓器環(huán)節(jié)。此舉在顯著提升單機(jī)容量、系統(tǒng)效率及響應(yīng)速度的同時(shí)，延續(xù)了分散式架構(gòu)對(duì)電池簇的精細(xì)化管理優(yōu)勢(shì)。
圖2 高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)
2023年，該技術(shù)示范應(yīng)用于北方上都風(fēng)電基地儲(chǔ)能項(xiàng)目一期，實(shí)測(cè)充放電效率達(dá)91.85%，較低壓儲(chǔ)能系統(tǒng)提升約4個(gè)百分點(diǎn)。2024年，在青海海南州建成全球海拔最高（3000米）、規(guī)模最大（600兆瓦時(shí)）的高壓直掛儲(chǔ)能電站，標(biāo)志著該技術(shù)進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。2024年6月，經(jīng)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)鑒定，認(rèn)為“35千伏/25兆瓦高壓直掛電池儲(chǔ)能系統(tǒng)”成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
二、構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能
隨著新能源與電力電子設(shè)備滲透率持續(xù)提升，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)慣性降低、強(qiáng)度減弱的趨勢(shì)，電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能可模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，具備自主構(gòu)建電壓和頻率的能力，可主動(dòng)支撐電網(wǎng)電壓與頻率，提升系統(tǒng)慣量與短路容量，成為增強(qiáng)高比例新能源電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性的關(guān)鍵手段。
清能院持續(xù)深入構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，先后成功研制構(gòu)網(wǎng)型模塊化PCS和自適應(yīng)主動(dòng)支撐型高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)，牽頭發(fā)布了《構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能變流器技術(shù)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。
傳統(tǒng)低壓儲(chǔ)能受限于PCS單機(jī)容量小，在構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需協(xié)調(diào)數(shù)百臺(tái)電壓源型PCS實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)協(xié)同控制，技術(shù)難度極大。而高壓直掛儲(chǔ)能單機(jī)容量可突破20兆瓦，百兆瓦級(jí)電站僅需數(shù)套系統(tǒng)即可構(gòu)建，極大簡(jiǎn)化了整站控制架構(gòu)，顯著提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性。憑借與主電網(wǎng)電氣距離更近、響應(yīng)速度快、控制穩(wěn)定、無(wú)需變壓器等優(yōu)勢(shì)，高壓直掛儲(chǔ)能高度契合新型電力系統(tǒng)對(duì)高功率、快速主動(dòng)支撐的構(gòu)網(wǎng)儲(chǔ)能需求，有望成為構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的主要發(fā)展方向。
三、儲(chǔ)能系統(tǒng)安全
（一）消防安全
電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)是儲(chǔ)能行業(yè)的共性挑戰(zhàn)。為抑制熱失控蔓延，電站普遍配備專用消防系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)氣體滅火劑如七氟丙烷、全氟己酮存在降溫效果差、抗復(fù)燃能力弱等問(wèn)題；液氮雖可快速降溫和隔絕氧氣，存在泄露、成本高、部署復(fù)雜等缺點(diǎn)；水基滅火劑雖具備高效降溫、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)，卻受限于絕緣性能較差。
針對(duì)以上痛點(diǎn)，清能院自主研發(fā)了壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)生成低含水量的氣液兩相滅火介質(zhì)，有效融合氣體與液體滅火優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)滅火、快速降溫，并能保證12小時(shí)以上持續(xù)抗復(fù)燃。該系統(tǒng)所產(chǎn)泡沫電導(dǎo)率極低，對(duì)電池電學(xué)性能無(wú)影響，從根本上避免了因絕緣問(wèn)題引發(fā)的二次電氣事故。
圖3 壓縮空氣泡沫滅火降溫效果及絕緣安全性實(shí)驗(yàn)
清能院壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)已在萊蕪、上都等多個(gè)儲(chǔ)能電站推廣應(yīng)用，并于2024年獲工信部能源電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大賽新型儲(chǔ)能賽道一等獎(jiǎng)。未來(lái)，儲(chǔ)能消防將朝著高效降溫、長(zhǎng)時(shí)抑燃、安全環(huán)保的水基消防方向持續(xù)發(fā)展。
（二）儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)
隨著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，熱管理已成為保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，若不能及時(shí)均勻?qū)С?，易?dǎo)致局部過(guò)熱，引發(fā)熱失控甚至火災(zāi)，同時(shí)散熱不均還會(huì)造成電池間溫度差異，產(chǎn)生“短板效應(yīng)”，嚴(yán)重影響系統(tǒng)整體性能與壽命。
當(dāng)前熱管理主要面臨兩大挑戰(zhàn)：系統(tǒng)功率密度高、布局緊密，散熱空間有限；電網(wǎng)調(diào)頻等高倍率應(yīng)用對(duì)散熱效率要求極為嚴(yán)苛。
風(fēng)冷技術(shù)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低曾得到廣泛應(yīng)用，但其換熱效率低、均溫性差，市場(chǎng)份額已顯著萎縮。液冷技術(shù)憑借更高的換熱效率和可靠性已成為當(dāng)前主流方案，普遍采用底板液冷方式，通過(guò)冷卻液循環(huán)帶走熱量，但其主要對(duì)電池底面散熱，難以保證電池內(nèi)部溫度均勻性。
浸沒式冷卻是一種直接液冷方案，將電池直接浸沒在絕緣且高導(dǎo)熱的冷卻液中，實(shí)現(xiàn)電池全表面與冷卻液連續(xù)直接接觸和持續(xù)散熱，有效提升了散熱均勻性。隨著其可靠性和經(jīng)濟(jì)性顯著提升，浸沒式冷卻成為下一代電池?zé)峁芾碇髁骷夹g(shù)并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
（三）運(yùn)維安全——儲(chǔ)能智慧運(yùn)維
清能院持續(xù)推進(jìn)儲(chǔ)能數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過(guò)深化大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用，有效提升電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性與運(yùn)行效率，并助力商業(yè)模式創(chuàng)新。2021年，建成大型群組電池儲(chǔ)能電站智慧運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警，接入規(guī)模達(dá)725兆瓦時(shí)。2023年，“GWh級(jí)儲(chǔ)能電站海量數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算與云邊協(xié)同智能管理系統(tǒng)”49項(xiàng)核心功能通過(guò)中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）、中國(guó)計(jì)量（CMA）認(rèn)證，其電化學(xué)儲(chǔ)能智慧運(yùn)維系統(tǒng)獲“整體國(guó)際領(lǐng)先水平”鑒定，并入選華能首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備。2024年，系統(tǒng)完成升級(jí)迭代，新增設(shè)備健康分析、超溫預(yù)警與一致性優(yōu)化等功能，進(jìn)一步提升電站可靠性與經(jīng)濟(jì)性。2025年，“電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)智能預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”再獲“國(guó)際領(lǐng)先水平”鑒定。未來(lái)，儲(chǔ)能數(shù)字化將深度融合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全生命周期智能管理，持續(xù)提升運(yùn)營(yíng)效率與經(jīng)濟(jì)效益。
四、儲(chǔ)能核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化
為應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能關(guān)鍵設(shè)備核心芯片及器件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，清能院積極履行央企責(zé)任，著力提升設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率，保障產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全。通過(guò)持續(xù)推進(jìn)國(guó)產(chǎn)元器件的性能測(cè)試與應(yīng)用研究，成功研發(fā)出基于國(guó)產(chǎn)芯片的“3S”（BMS、PCS、EMS）一體化系統(tǒng)，構(gòu)建起自主可控的儲(chǔ)能系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化方案。
在BMS方面，清能院實(shí)現(xiàn)了從控核心采樣模擬前端芯片（AFE）、主控微控制器（MCU）至總控中央處理器（CPU）的全國(guó)產(chǎn)化替代，完全滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理、通信和控制的各項(xiàng)需求。其開發(fā)的“巧歷”智能EMS，基于國(guó)產(chǎn)海光、飛騰等處理器平臺(tái)及Linux系統(tǒng)，具備海量數(shù)據(jù)處理、分時(shí)分區(qū)動(dòng)態(tài)控制、邊緣計(jì)算和電站全景分析優(yōu)化等先進(jìn)功能。此外，在PCS功率半導(dǎo)體器件與控制芯片的國(guó)產(chǎn)化替代研究方面已取得階段性進(jìn)展。
五、先進(jìn)儲(chǔ)能電池
為應(yīng)對(duì)鋰資源供需波動(dòng)與供應(yīng)鏈安全挑戰(zhàn)，發(fā)展多元化先進(jìn)儲(chǔ)能電池技術(shù)，形成對(duì)鋰離子電池的有效補(bǔ)充，已成為行業(yè)重要方向。鈉離子電池因其工作原理與鋰離子電池相近，在發(fā)揮建設(shè)周期短、選址靈活等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，更具資源儲(chǔ)量豐富、低溫性能優(yōu)異、安全性高等特點(diǎn)，被視為當(dāng)前最具前景的替代路線。
在鈉電方面布局上，清能院首創(chuàng)高壓直掛鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)，系統(tǒng)綜合能量效率較低壓方案提升約3%，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。清能院將建成國(guó)內(nèi)首個(gè)50MWh級(jí)高壓直掛鋰鈉混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（其中鈉離子電池容量為20MWh），具有重要的示范意義。
隨著我國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模持續(xù)快速提升，電化學(xué)儲(chǔ)能作為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐，正朝著高能量密度、精細(xì)化控制、智能化管理、高安全可靠的方向加速演進(jìn)。面向未來(lái)吉瓦時(shí)級(jí)超大規(guī)模儲(chǔ)能電站的建設(shè)需求，系統(tǒng)架構(gòu)、熱管理、消防預(yù)警與智慧運(yùn)維等環(huán)節(jié)仍存在優(yōu)化空間。
十余年來(lái)，清能院堅(jiān)持自主創(chuàng)新，在國(guó)內(nèi)率先布局電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，逐步構(gòu)建起覆蓋儲(chǔ)能電站、智慧運(yùn)維、檢測(cè)認(rèn)證及換電重卡等多維業(yè)務(wù)的技術(shù)體系。先后突破分散式控制、構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能、高壓直掛架構(gòu)、儲(chǔ)能安全消防等關(guān)鍵技術(shù)，先后建設(shè)引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向的標(biāo)桿性儲(chǔ)能電站。
立足新起點(diǎn)，清能院愿與各界攜手，在國(guó)家和集團(tuán)戰(zhàn)略引領(lǐng)下，共同推進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)協(xié)同，為構(gòu)建新型能源體系、保障國(guó)家能源安全持續(xù)貢獻(xiàn)“華能方案”。
