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储能集成技术的不断演进:坚持第一性原理 - 乐鱼APP官方网站

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日期:2023-11-20

前言

全球气候危机下,清洁能源替代化石能源成为人类实现碳中和目标的根本路径,但随着不稳定的风光清洁能源接入电网比例的持续提升,给电网的稳定运行带来巨大的挑战。储能技术通过解决风光清洁能源时空不平衡问题,保障电网安全稳定运行,形成了由“源-网-荷-储”为基本结构的新型电力系统,成为人类实现可持续发展能源解决方案的重要支撑。

展望2023年的储能行业,无论是用户侧还是源网侧,层出不穷的系统集成方案是贯穿始终的主旋律。如何将电池组、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)等关键部分通过有效的方案集成,最大限度提升系统经济性和安全性,成为了行业发展的第一性原理。储能复杂的产品形态搭配复杂的应用模式为集成技术革命埋下了伏笔,那么问题来了,现在不同的应用场景到底该选择怎样的集成路线?未来的技术路线又将会何去何从?

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初代储能集成:集中式方案

集中式储能是行业第一代主流的集成路线,通过将多个电池簇在直流侧进行并联后,同BMS,温度控制系统,自动消防系统以及交直流配电装置组成电池集装箱。同时在变流升压部分,将PCS和变压器组成功率集装箱,两个集装箱通过直流电缆连接。

由于低成本和低技术门槛的优势,迅速占领储能市场,成为了第一代主流储能集成路线,主要面向源网侧的大型储能电站。

但集中式方案大量并网运行后,也面临了众多问题。这里需要强化一个概念,全生命周期度电成本,影响这个指标的两大核心因素是全生命周期投资成本和全生命周期电量吞吐能力。集中式方案最大的问题,就是无法达到最优的全生命周期电量吞吐能力。

电池在直流侧并联后,由于不同电池间存在电性能差异,各个电池充不满、放不完,还会带来严重的环流问题,为了避免环流带来的系统安全问题,在充放电时还会各保留10%的余量,这降低的是储放深度。在散热的设计上,集装箱通常采用1-2个集中空调,需设计较长的风道,制冷效率低,集装箱内温差较大,加剧电芯的不一致性,降低系统循环次数。对于变流环节,单台PCS接入的电池簇较多,一旦发生故障,容量损失较大,影响系统效率。全生命周期电量吞吐能力的降低让集中式方案只能通过降本来维持不错的经济性,但降本也会同步带来更多的安全性问题,截至目前,发生安全问题的储能电站也大多采用了集中式方案。同时,在运维的角度,大型预制舱单体占地面积大,灵活性差,不支持新旧电池混用,补电困难,这些问题在后期的运行过程中也会逐步显现出来。

这个阶段,储能行业仍在追求最优的投资成本,降本是技术考量的核心因素,这背后的原因一是因为储能盈利模式的不清晰,二是因为大部分项目都是新能源配储,很多电站都是为了完成对应的指标。

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第二代储能集成:集散式方案

集中式方案全生命周期的电量吞吐能力低的核心原因其实就是电芯存在不一致性,如果不对每个电池组进行精确控制,必然导致储放深度、系统效率以及电池寿命的降低。

为了解决这个问题,大家想到在每个电池模块上连接一个能量优化器

电池簇经过这个能量优化器(DC/DC)接入直流母线,再通过PCS接入电网,这就是集散式方案。从集中到集散,让整个系统可以精准控制每个电池簇的电量,解决了直流侧并联带来的充不满、放不完以及环流问题,大幅提高系统的储放深度,也保证了电池寿命。但由于加入了DC/DC模块,造成了设备成本增加,同时DC/DC和PCS的两级逆变降低了系统循环效率,增加了并网调试时间。

在物理集成的层面,集散式方案仍采用集装箱布置,无法实现灵活的设备布局,没有实现分区安全隔离,同时单台PCS接入电池数量较多,故障后容量损失较大的问题也没有解决。

伴随着集散式方案的出现,大家已经从单纯的追求最优投资成本转向追求最优度电成本,全生命周期电量吞吐能力变得愈发重要,储能盈利模式的逐步清晰也让行业需求从“完成配储指标”升级到“如何通过储能电站盈利”。

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第三代储能集成:分布式方案

无论是集中式还是集散式方案,它的核心还是通过在直流侧进行并联汇流后通过PCS进行逆变,集装箱成为了必要的物理形态但始终没能解决系统效率低、全生命周期度电成本高的问题。另一方面,伴随工商业电价差的不断增加以及分布式光伏装机迅速增加,大量的用户侧需求开始不断涌现,这个时候集装箱的物理形态和工商业厂房的复杂地形间就出现了难以匹配兼容的痛点,同时集装箱电池动辄几MW的容量也无法同用户的用电负荷相匹配。我们需要灵活度更高的储能集成方案来解决用户侧储能系统痛点。

小机柜成为了第三代储能集成方案的物理形态

在小机柜的基础上,如果仍采用直流侧并联的方式,还是需要大的PCS柜来完成逆变工作,这里面牵扯了两个问题。一是大容量PCS占地面积大,对用户的场地要求太高,很多场景仍不适用;第二点是在工商业侧伴随着用户用电负荷的不断变化,需要提升补电和扩容操作的灵活度,大容量PCS很难维持补电扩容后的系统效率,在灵活性上也无法满足用户的需求。

“产品系统化”成为第三代储能集成方案的核心理念

因此,便有厂家提出了通过高度集成电池簇+PCS+BMS+温控消防系统来做成一体化的小机柜,让产品系统化,通过小机柜的方式既挣脱了了应用场景的限制,同时还可以实现灵活扩容,解决了补电问题。每个小机柜由独立的BMS和PCS控制,储放深度可以做到100%,PCS和电池簇间的高度配合让系统效率也突破了新的高度。

分布式方案在安全性上也有较大突破,因为小柜体的物理设计以及控制精度的增加,一旦出现安全风险,系统可以更加快速精准的定位到问题电池,同时热失控的风险也控制在单个柜体中,只要提升柜体的耐火和防爆性能,就可以有效缩小影响面积,让消防人员有足够时间去处理起火现场。奇点能源最先提出了分布式方案,现在也成为行业异军突起的独角兽,各个厂家在用户侧新品也陆续采用了分布式集成方案。

伴随着第三代集成方案的出现,分布式储能系统不仅广泛应用于用户侧,也频繁在大型的源网侧项目使用。分布式方案带来的全生命周期储放电量提升、安全性提升以及运维便利性的提升让越来越多的业主和设计院愿意采用这种新的模式,尽管会带来一些初始投资的提高,但全生命周期的收益还是优于集装箱方案。以2022年源网侧储能新增量最多的宁夏自治区为例,我们看过宁夏电网每个月公开的储能月报也和机构一起参观过当地很多的储能电站,采用分布式方案的电站当月综合利用小时数都处在领先位置,平均交流侧转换效率高于90%。根据驻场人员、EPC和业主方的反馈来看,由于采用了分布式系统,监控更加精细化,安全性也有提升,其实不需要驻场人员在电站进行值守,真正实现了全面的线上运维。

这一代储能方案通过“产品即系统”理念的高度集成并通过小机柜的物理形态实现,不仅在用户侧完美解决客户痛点,在源网侧也有相当出彩的应用案例,真正意义上开启了储能集成技术新的时代。

结语

伴随储能行业的发展,笔者相信我们目前看到的集成方案都不是最终形态,也永远不会出现最终形态。但从整体的发展历史我们也可以看到,全生命周期发电量持续提升,控制精度不断提高,系统设计愈发便利,运维模式更加简洁是永恒不变的发展方向,实现经济性和安全性的不断突破是储能行业发展的第一性原理。

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