前言
全球氣候危機下，清潔能源替代化石能源成為人類(lèi)實(shí)現碳中和目標的根本路徑，但隨著(zhù)不穩定的風(fēng)光清潔能源接入電網(wǎng)比例的持續提升，給電網(wǎng)的穩定運行帶來(lái)巨大的挑戰。儲能技術(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)安全穩定運行，形成了由“源-網(wǎng)-荷-儲”為基本結構的新型電力系統，成為人類(lèi)實(shí)現可持續發(fā)展能源解決方案的重要支撐。
展望2023年的儲能行業(yè)，無(wú)論是用戶(hù)側還是源網(wǎng)側，層出不窮的系統集成方案是貫穿始終的主旋律。如何將電池組、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(BMS)、能量管理系統(EMS)等關(guān)鍵部分通過(guò)有效的方案集成，最大限度提升系統經(jīng)濟性和安全性，成為了行業(yè)發(fā)展的第一性原理。儲能復雜的產(chǎn)品形態(tài)搭配復雜的應用模式為集成技術(shù)革命埋下了伏筆，那么問(wèn)題來(lái)了，現在不同的應用場(chǎng)景到底該選擇怎樣的集成路線(xiàn)?未來(lái)的技術(shù)路線(xiàn)又將會(huì )何去何從?
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初代儲能集成：集中式方案
集中式儲能是行業(yè)第一代主流的集成路線(xiàn)，通過(guò)將多個(gè)電池簇在直流側進(jìn)行并聯(lián)后，同BMS，溫度控制系統，自動(dòng)消防系統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，迅速占領(lǐng)儲能市場(chǎng)，成為了第一代主流儲能集成路線(xiàn)，主要面向源網(wǎng)側的大型儲能電站。
但集中式方案大量并網(wǎng)運行后，也面臨了眾多問(wèn)題。這里需要強化一個(gè)概念，全生命周期度電成本，影響這個(gè)指標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)法達到最優(yōu)的全生命周期電量吞吐能力。
電池在直流側并聯(lián)后，由于不同電池間存在電性能差異，各個(gè)電池充不滿(mǎn)、放不完，還會(huì )帶來(lái)嚴重的環(huán)流問(wèn)題，為了避免環(huán)流帶來(lái)的系統安全問(wèn)題，在充放電時(shí)還會(huì )各保留10%的余量，這降低的是儲放深度。在散熱的設計上，集裝箱通常采用1-2個(gè)集中空調，需設計較長(cháng)的風(fēng)道，制冷效率低，集裝箱內溫差較大，加劇電芯的不一致性，降低系統循環(huán)次數。對于變流環(huán)節，單臺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)維持不錯的經(jīng)濟性，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)題的儲能電站也大多采用了集中式方案。同時(shí)，在運維的角度，大型預制艙單體占地面積大，靈活性差，不支持新舊電池混用，補電困難，這些問(wèn)題在后期的運行過(guò)程中也會(huì )逐步顯現出來(lái)。
這個(gè)階段，儲能行業(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為儲能盈利模式的不清晰，二是因為大部分項目都是新能源配儲，很多電站都是為了完成對應的指標。
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第二代儲能集成：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，如果不對每個(gè)電池組進(jìn)行精確控制，必然導致儲放深度、系統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?jì)?yōu)化器
電池簇經(jīng)過(guò)這個(gè)能量?jì)?yōu)化器(DC/DC)接入直流母線(xiàn)，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)系統可以精準控制每個(gè)電池簇的電量，解決了直流側并聯(lián)帶來(lái)的充不滿(mǎn)、放不完以及環(huán)流問(wèn)題，大幅提高系統的儲放深度，也保證了電池壽命。但由于加入了DC/DC模塊，造成了設備成本增加，同時(shí)DC/DC和PCS的兩級逆變降低了系統循環(huán)效率，增加了并網(wǎng)調試時(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)現靈活的設備布局，沒(méi)有實(shí)現分區安全隔離，同時(shí)單臺PCS接入電池數量較多，故障后容量損失較大的問(wèn)題也沒(méi)有解決。
伴隨著(zhù)集散式方案的出現，大家已經(jīng)從單純的追求最優(yōu)投資成本轉向追求最優(yōu)度電成本，全生命周期電量吞吐能力變得愈發(fā)重要，儲能盈利模式的逐步清晰也讓行業(yè)需求從“完成配儲指標”升級到“如何通過(guò)儲能電站盈利”。
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第三代儲能集成：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迅速增加，大量的用戶(hù)側需求開(kāi)始不斷涌現，這個(gè)時(shí)候集裝箱的物理形態(tài)和工商業(yè)廠(chǎng)房的復雜地形間就出現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)的用電負荷相匹配。我們需要靈活度更高的儲能集成方案來(lái)解決用戶(hù)側儲能系統痛點(diǎn)。
小機柜成為了第三代儲能集成方案的物理形態(tài)
在小機柜的基礎上，如果仍采用直流側并聯(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)側伴隨著(zhù)用戶(hù)用電負荷的不斷變化，需要提升補電和擴容操作的靈活度，大容量PCS很難維持補電擴容后的系統效率，在靈活性上也無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
“產(chǎn)品系統化”成為第三代儲能集成方案的核心理念
因此，便有廠(chǎng)家提出了通過(guò)高度集成電池簇+PCS+BMS+溫控消防系統來(lái)做成一體化的小機柜，讓產(chǎn)品系統化，通過(guò)小機柜的方式既掙脫了了應用場(chǎng)景的限制，同時(shí)還可以實(shí)現靈活擴容，解決了補電問(wèn)題。每個(gè)小機柜由獨立的BMS和PCS控制，儲放深度可以做到100%，PCS和電池簇間的高度配合讓系統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，因為小柜體的物理設計以及控制精度的增加，一旦出現安全風(fēng)險，系統可以更加快速精準的定位到問(wèn)題電池，同時(shí)熱失控的風(fēng)險也控制在單個(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)間去處理起火現場(chǎng)。奇點(diǎn)能源最先提出了分布式方案，現在也成為行業(yè)異軍突起的獨角獸，各個(gè)廠(chǎng)家在用戶(hù)側新品也陸續采用了分布式集成方案。
伴隨著(zhù)第三代集成方案的出現，分布式儲能系統不僅廣泛應用于用戶(hù)側，也頻繁在大型的源網(wǎng)側項目使用。分布式方案帶來(lái)的全生命周期儲放電量提升、安全性提升以及運維便利性的提升讓越來(lái)越多的業(yè)主和設計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)側儲能新增量最多的寧夏自治區為例，我們看過(guò)寧夏電網(wǎng)每個(gè)月公開(kāi)的儲能月報也和機構一起參觀(guān)過(guò)當地很多的儲能電站，采用分布式方案的電站當月綜合利用小時(shí)數都處在領(lǐng)先位置，平均交流側轉換效率高于90%。根據駐場(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，監控更加精細化，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)現了全面的線(xiàn)上運維。
這一代儲能方案通過(guò)“產(chǎn)品即系統”理念的高度集成并通過(guò)小機柜的物理形態(tài)實(shí)現，不僅在用戶(hù)側完美解決客戶(hù)痛點(diǎn)，在源網(wǎng)側也有相當出彩的應用案例，真正意義上開(kāi)啟了儲能集成技術(shù)新的時(shí)代。
結語(yǔ)
伴隨儲能行業(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)，也永遠不會(huì )出現最終形態(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)電量持續提升，控制精度不斷提高，系統設計愈發(fā)便利，運維模式更加簡(jiǎn)潔是永恒不變的發(fā)展方向，實(shí)現經(jīng)濟性和安全性的不斷突破是儲能行業(yè)發(fā)展的第一性原理。
