前言
全球氣候危機下，清潔能源替代化石能源成為人類實現(xiàn)碳中和目標的根本路徑，但隨著不穩(wěn)定的風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)定運行帶來巨大的挑戰(zhàn)。儲能技術通過解決風光清潔能源時空不平衡問題，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，形成了由“源-網(wǎng)-荷-儲”為基本結(jié)構(gòu)的新型電力系統(tǒng)，成為人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展能源解決方案的重要支撐。
展望2023年的儲能行業(yè)，無論是用戶側(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、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)等關鍵部分通過有效的方案集成，最大限度提升系統(tǒng)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革命埋下了伏筆，那么問題來了，現(xiàn)在不同的應用場景到底該選擇怎樣的集成路線?未來的技術路線又將會何去何從?
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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，通過將多個電池簇在直流側(cè)進行并聯(lián)后，同BMS，溫度控制系統(tǒng)，自動消防系統(tǒng)以及交直流配電裝置組成電池集裝箱。同時在變流升壓部分，將PCS和變壓器組成功率集裝箱，兩個集裝箱通過直流電纜連接。
由于低成本和低技術門檻的優(yōu)勢，迅速占領儲能市場，成為了第一代主流儲能集成路線，主要面向源網(wǎng)側(cè)的大型儲能電站。
但集中式方案大量并網(wǎng)運行后，也面臨了眾多問題。這里需要強化一個概念，全生命周期度電成本，影響這個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題，就是無法達到最優(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，各個電池充不滿、放不完，還會帶來嚴重的環(huán)流問題，為了避免環(huán)流帶來的系統(tǒng)安全問題，在充放電時還會各保留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個集中空調(diào)，需設計較長的風道，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)。對于變流環(huán)節(jié)，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(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維持不錯的經(jīng)濟性，但降本也會同步帶來更多的安全性問題，截至目前，發(fā)生安全問題的儲能電站也大多采用了集中式方案。同時，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，這些問題在后期的運行過程中也會逐步顯現(xiàn)出來。
這個階段，儲能行業(yè)仍在追求最優(yōu)的投資成本，降本是技術考量的核心因素，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就是電芯存在不一致性，如果不對每個電池組進行精確控制，必然導致儲放深度、系統(tǒng)效率以及電池壽命的降低。
為了解決這個問題，大家想到在每個電池模塊上連接一個能量優(yōu)化器
電池簇經(jīng)過這個能量優(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，讓整個系統(tǒng)可以精準控制每個電池簇的電量，解決了直流側(cè)并聯(lián)帶來的充不滿、放不完以及環(huán)流問題，大幅提高系統(tǒng)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DC/DC和PCS的兩級逆變降低了系統(tǒng)循環(huán)效率，增加了并網(wǎng)調(diào)試時間。
在物理集成的層面，集散式方案仍采用集裝箱布置，無法實現(xiàn)靈活的設備布局，沒有實現(xiàn)分區(qū)安全隔離，同時單臺PCS接入電池數(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“如何通過儲能電站盈利”。
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第三代儲能集成：分布式方案
無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)進行并聯(lián)匯流后通過PCS進行逆變，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)電價差的不斷增加以及分布式光伏裝機迅速增加，大量的用戶側(cè)需求開始不斷涌現(xiàn)，這個時候集裝箱的物理形態(tài)和工商業(yè)廠房的復雜地形間就出現(xiàn)了難以匹配兼容的痛點，同時集裝箱電池動輒幾MW的容量也無法同用戶的用電負荷相匹配。我們需要靈活度更高的儲能集成方案來解決用戶側(cè)儲能系統(tǒng)痛點。
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(cè)并聯(lián)的方式，還是需要大的PCS柜來完成逆變工作，這里面牽扯了兩個問題。一是大容量PCS占地面積大，對用戶的場地要求太高，很多場景仍不適用;第二點是在工商業(yè)側(cè)伴隨著用戶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(tǒng)效率，在靈活性上也無法滿足用戶的需求。
“產(chǎn)品系統(tǒng)化”成為第三代儲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)來做成一體化的小機柜，讓產(chǎn)品系統(tǒng)化，通過小機柜的方式既掙脫了了應用場景的限制，同時還可以實現(xiàn)靈活擴容，解決了補電問題。每個小機柜由獨立的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(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，因為小柜體的物理設計以及控制精度的增加，一旦出現(xiàn)安全風險，系統(tǒng)可以更加快速精準的定位到問題電池，同時熱失控的風險也控制在單個柜體中，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間去處理起火現(xiàn)場。奇點能源最先提出了分布式方案，現(xiàn)在也成為行業(yè)異軍突起的獨角獸，各個廠家在用戶側(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)，分布式儲能系統(tǒng)不僅廣泛應用于用戶側(cè)，也頻繁在大型的源網(wǎng)側(cè)項目使用。分布式方案帶來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越多的業(yè)主和設計院愿意采用這種新的模式，盡管會帶來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)每個月公開的儲能月報也和機構(gòu)一起參觀過當?shù)睾芏嗟膬δ茈娬?，采用分布式方案的電站當月綜合利用小時數(shù)都處在領先位置，平均交流側(cè)轉(zhuǎn)換效率高于90%。根據(jù)駐場人員、EPC和業(yè)主方的反饋來看，由于采用了分布式系統(tǒng)，監(jiān)控更加精細化，安全性也有提升，其實不需要駐場人員在電站進行值守，真正實現(xiàn)了全面的線上運維。
這一代儲能方案通過“產(chǎn)品即系統(tǒng)”理念的高度集成并通過小機柜的物理形態(tài)實現(xiàn)，不僅在用戶側(cè)完美解決客戶痛點，在源網(wǎng)側(cè)也有相當出彩的應用案例，真正意義上開啟了儲能集成技術新的時代。
結(jié)語
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)設計愈發(fā)便利，運維模式更加簡潔是永恒不變的發(fā)展方向，實現(xiàn)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。
