中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了廣州智光儲能科技有限公司技術總監(jiān)湯旭分享主題報告《大容量鋰電池儲能技術發(fā)展及應用》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
湯旭：各位來賓，感謝主辦方的邀請，我是廣州智光儲能科技有限公司的湯旭。今天在這里和大家分享一下我們在大功率鋰電池儲能系統(tǒng)中的技術探索和工程實踐。智光儲能早在2014年就開始了高壓級聯(lián)大功率儲能系統(tǒng)的設計和探索，可以說是最早把高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)工程化的公司，現(xiàn)在是2022年的11月份，我們最早的一套高壓級聯(lián)系統(tǒng)是從2014年運行的，從首次運行到現(xiàn)在已經(jīng)過去了8年的時間。借此機會，我們向大家分享一下在這種高壓級聯(lián)大功率的儲能系統(tǒng)中的建設、運行經(jīng)驗以及運行效果。
我的介紹從鋰電池儲能電站開始，我們目前已經(jīng)投運了數(shù)百兆瓦時的高壓級聯(lián)的儲能電站，使用的電池基本都是磷酸鐵鋰電池，對于這些電站的運營和設計都有了比較豐富的經(jīng)驗。在國內(nèi)“雙碳”的背景下，國內(nèi)的電力裝機和儲能裝機都得到了翻番式的一個發(fā)展，儲能的裝機容量也得到了飛速的一個提高，我們的儲能電站裝機從原來的10兆瓦級別已經(jīng)擴大到現(xiàn)在的百兆瓦甚至吉瓦時的一個級別了，大量的電芯在電站的應用也帶來一個安全性的問題。國內(nèi)外的鋰電池儲能電站安全事故都是大家關心的問題，目前大家也都在安全、消防和運維方面都做了很多的嘗試，比如完善電站的消防和運行規(guī)范，提高火災事故的處理和保護能力?，F(xiàn)在大家更多關心的可能是電池本身的一個本體安全，消防和暖通的方面，包括采用PACK級的一個消防系統(tǒng)，對暖通的控制，還有電池事故的早期檢測手段等等，都做了很多有益的探索。作為PCS的一個生產(chǎn)商，我們更希望通過系統(tǒng)的一個優(yōu)化控制，從源頭的角度來解決電池的過充過放問題，來解決電芯一個均衡控制問題，后面我們會展開向大家做一個簡單的介紹。另一個就是電站長期運行的經(jīng)濟性問題，長期運行以后電芯的衰減，它的一個短板效應，影響電站后期的運行效率，也是大家非常關心的一個問題。如何優(yōu)化系統(tǒng)的控制，我們后面也會進行一個詳細的分析。
在電池的存儲方面，常見的低壓塔式機是采用直接將電池并聯(lián)在直流側，隨著電站PCS和儲能單機容量越來越大，并聯(lián)的電芯也越來越多，并聯(lián)過多的電芯容易產(chǎn)生木桶的短板效應，它也是造成電站運行后期容量下降，衰減速度過快的一個主要原因。在右邊有一個電芯的衰減曲線和整個電站的容量衰減曲線的對比，這條紫色的就是電芯的一個衰減曲線，它展示了一個儲能電站，電芯在運行了4000次以后，容量衰減到80%的這樣一個過程。與此同時整個儲能電站的容量會衰減到初始容量的65%以下，它的衰減速度是遠遠高于電芯的衰減速度，所以這主要是因為電芯的短板效應造成了整個系統(tǒng)的容量衰減速度遠大于電芯的衰減速度。在電芯成組方面，我們是建議盡量減少電芯的一個并聯(lián)或者是電池簇的直接并聯(lián)，這是儲能電站技術方案的一個重要的轉型導向。如果有可能盡量讓電芯獨立運行或者是電池處單獨充放控制，盡量不做這種并聯(lián)的一個方案，這樣它能夠有效的提升系統(tǒng)的一個安全性以及整體壽命。整個電站的容量擴大不能簡單的去把電芯直接并聯(lián)來達到更大的一個容量。
在電站的大型化過程中，儲能的PCS以及系統(tǒng)的容量也在越來越大。在我們一個常見的100兆瓦200兆瓦時的電站中，按照傳統(tǒng)的方案可能使用的一個2.5兆瓦的單機，會有40套儲能系統(tǒng)在電站運行，40套儲能系統(tǒng)會形成多個并網(wǎng)點，而且有80臺PCS要一起協(xié)調(diào)運行，運行起來的響應速度就會受到一定的影響?，F(xiàn)在儲能電站的單機容量已經(jīng)從原來的630千瓦1000伏直流的這種小容量機型逐漸發(fā)展到更大的1725千瓦直流1500伏的這種大容量機型。甚至于后面要提到的我們的這種高壓級聯(lián)的5兆瓦乃至25兆瓦的系統(tǒng)，更大的單機能夠組合形成更大的一個儲能電站，在我們的系統(tǒng)中可以得到一個更好的應用效果。但是儲能電站的容量越大，單機容量越大，也就意味著它的電芯數(shù)量越多，安全事故風險也會更大，直接并聯(lián)在一起，電芯的這種短板效應也會更加的明顯，造成經(jīng)濟性變差，而且單機容量如果小，并聯(lián)的設備更多，二次通訊和協(xié)調(diào)系統(tǒng)也更加復雜，相關的投入成本也會更高，這是一個與電站容量相矛盾的事實。
如何讓儲能電站的裝機容量大容量化，單機的容量大容量化，同時我們更加提高系統(tǒng)的一個安全性。我們主要的做法是把電池堆離散化，進行一個獨立的控制。就是把原來并聯(lián)在一起的大量電池改變?yōu)橐粋€個小的電池堆處理，單獨的用PCS進行充放，這個時候就是我們新型的一個電力拓撲結構，具體的做法就是原來并聯(lián)在一起的這種直流系統(tǒng)上，把原來的并聯(lián)在一起的各個電池簇去進行一個解耦，分散到單獨運行的單個的PCS上，最后把PCS的交流輸出端進行一個串聯(lián)疊加，即達到集聯(lián)的效果。串聯(lián)疊加以后，它的輸出電壓也比以前有了顯著提高。最后就可以達到增大輸出功率，提高輸出電壓，同時降低單個直流系統(tǒng)容量的效果。這就是我們創(chuàng)新型的高壓大容量級聯(lián)型的儲能系統(tǒng)結構。這樣的一個系統(tǒng)能做到更大的單機容量，單機容量在35千伏系統(tǒng)里面可以做到25兆瓦左右甚至更高。直流系統(tǒng)的電壓可以降低，比1500伏的直流系統(tǒng)更低，我們這種是1000伏的直流系統(tǒng)，它的直流電壓會低一些。輸出端的交流電壓反而更高，經(jīng)過電壓疊加的方式可以直接連接到6千伏、10千伏甚至35千伏的母線上。這樣設計可以減少變壓變流的次數(shù)，節(jié)省連接的電纜。同時直流母線是更短的，它的電池處和PCS是直接耦合，直流側母線更短，直流的分布參數(shù)也更小，能夠做到更可靠的直流系統(tǒng)的保護。同時這個系統(tǒng)可以選擇風冷和水冷，它的溫控、溫度的一致性也更加好。整體來說，這個系統(tǒng)的運行效率可以達到更高，可以讓成本降低30%以上。通過PCS和BMS雙重的高效均衡控制以后，可以達到電池充放更加均衡，容量的利用率也更高，同時它的保護系統(tǒng)也可以做得更加完善，能夠兼容各種智能的消防系統(tǒng)，達到一個更好的控制目標。
具體它是如何做到的？我們在這里向大家展示一下，這是我們一個高壓級聯(lián)的系統(tǒng)的基本結構。從單個單元上來說，它與我們常見的1000伏的直流系統(tǒng)是比較類似的，它的電池是一個直流1000伏的系統(tǒng)，電池直接連接在單個PCS的直流端，PCS是一個單相的逆變變橋，也就是我們所說的單相的H橋，它的輸出電壓是300伏到600伏之間，與我們常見的低壓PCS也是基本一致的。我們會將多組這樣的PCS進行一個級聯(lián)，就是串聯(lián)的處理。單個PCS輸出400伏電壓，我們在10千伏系統(tǒng)里面可以串聯(lián)15個左右的PCS，每個PCS輸出400伏的電壓，最后會串聯(lián)出一個6000伏的換流鏈，三個這樣的換流鏈進行一個星型連接，對它進行一個相位的控制，它的ABC三相就可以輸出10kV的線電壓，直接接入10kV的電力系統(tǒng)。35kV系統(tǒng)我們會使用50個左右的單元進行一個串聯(lián)，50個單元會達到22kV的輸出電壓，這三個22kV的單相換流鏈經(jīng)過星型連接以后，它可以連接到35kV的母線上，直接輸出一個35千伏的電壓。
在這個系統(tǒng)里，它的直流側電流都遠低于我們常見的1500伏系統(tǒng)，常見1500伏系統(tǒng)的直流側電流一般都有1000安以上，接近2000安，但是在我們這種高壓級聯(lián)的系統(tǒng)里面，直流側的電流一般只有200安到300安之間，交流式的電流輸出也在200安到300安左右，它的電流是遠小于低壓的這種并聯(lián)系統(tǒng)，而且它的一個優(yōu)勢是可以進行單元旁路控制，這樣可以有效的降低故障率。當系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，比如電池故障或者是PCS故障，我們都可以通過單元旁路的狀態(tài)去進行一個故障的處理。單元旁路就是把它的交流輸出端使用真空接觸器或其他的一個方式進行旁路，旁路掉以后這一級可以減少，這一級單元就會從系統(tǒng)里面脫離，同時其他的單元會升高電壓，最后讓系統(tǒng)恢復平衡。在處理的過程中，整個系統(tǒng)的相間電壓是保持不變的，相電壓會有一個短暫的波動，時間也是非常短，可以達到一個故障及時處理的效果。在這個系統(tǒng)里面，即使是單元發(fā)生了短路故障，最終造成的結果也只是單元旁路的一個效果，而不會像低壓三相的系統(tǒng)一樣。如果在三相的逆變橋系統(tǒng)里邊，如果發(fā)生了短路，通常會造成 ABC三相的一個直接短路，這樣的會造成很大的一個故障電流，系統(tǒng)也會退出運行。在高壓級聯(lián)的系統(tǒng)里邊，單個PCS單元的故障最多就是單個單元退出運行，而不會讓整個系統(tǒng)來退出運行。在單個單元退出運行以后，它的輸出功率可以基本保持不變，它的容量也只減小了5%左右，這樣對整個系統(tǒng)的輸出影響是比較小的，這是它的基本的結構。
這是我們在工廠里進行檢驗的高壓級聯(lián)的35千伏的系統(tǒng)，在工廠試驗運行的時候，我們可以看到它的直流側、電池處和PCS單元是安裝在一起的，是直流系統(tǒng)的一個直接耦合，三相的換流鏈經(jīng)過串聯(lián)以后，最后形成了35千伏的系統(tǒng)，通過三臺空芯電抗器直接接入35千伏的系統(tǒng)。在現(xiàn)場實際運行的時候，這些儲能裝置都會安裝在集裝箱里面，安裝在現(xiàn)場。這樣的一個系統(tǒng)可以做到20MW/40MWH的容量或者25MW/50MWH這樣的一個容量。所以我們在一個百兆瓦級的的儲能電站里面只需要5臺這樣的高容量高壓級聯(lián)儲能裝置，就可以達到一個百兆瓦級別的儲能電站。主要優(yōu)勢是它沒有升壓變壓器，直接是通過換流鏈接入高壓35千伏系統(tǒng)的。它的單機功率特別大，而且它的直流側電壓也不會超過1200伏，它是一個電壓相對比較低的這樣的一個直流系統(tǒng)。它的綜合效率非常高，接近90%-91%，冷卻方式可以使用風冷和水冷。它的過載能力可以達到110%十分鐘，120%一分鐘。它最突出的一個特點就是整個儲能系統(tǒng)的響應時間非常短，因為所有的單元都是串聯(lián)在一起，同時進行級聯(lián)運行工作的，他們工作的協(xié)調(diào)一致性非常高，響應時間是小于5毫秒，所以它的響應速度也是非?？斓摹Ｗ詈笏梢酝ㄟ^ PCS和BMS的一個動態(tài)均衡，來達到對電池均衡充放的這樣的一個效果，能更有效的利用電池容量，以及避免過充過放。
這是一個典型的60兆瓦120兆瓦時儲能系統(tǒng)的一個現(xiàn)場布置，只需要三套儲能系統(tǒng)就可以達到這樣的一個輸出。三套系統(tǒng)每一套的容量是20兆瓦40兆瓦時，這三套系統(tǒng)我們會安裝在三組集裝箱里邊，每一組集裝箱都是15臺，每臺里面大約是能放10級的單元，最后這些單元經(jīng)過串聯(lián)以后，接入我們的35千伏電抗器，最后連接到35千伏母線接入這個系統(tǒng)。這樣的一個系統(tǒng)它的占地非常小，長寬大約是65米×55米這樣的一個面積，可以達到一個更緊湊的狀態(tài)。對于它的安全設計我們是這么考慮的，以一個5兆瓦10兆瓦時這樣的一個儲能系統(tǒng)為例，像這樣的一個系統(tǒng)，我們使用280安時的電芯，風能的系統(tǒng)我們是一并16串的PACK，18個PACK成一個簇，每一相有14級單元串聯(lián)，最后一共是三相有42級單元，也就是42簇電池配42級單元，這種配置也是非常靈活，可以進行一個容量的超配來達到更大的容量。最后可以直接輸出10千伏電壓，直接接入我們的10千伏母線，而且這個系統(tǒng)里面它是沒有電芯的并聯(lián)，所有的電芯都是串聯(lián)配置的，每一簇電池容量只有200多千瓦時，這樣單簇電池的容量比較小，它的保護也能做到更加優(yōu)良，可以進行一個相關的保護，可以對電芯進行一個有效的充放，可以達到對電池容量的有效利用，完全的對這些電芯進行一個充放的控制，這是它的一個安全設計方面的一些特點。
剛才介紹了我們的安全考慮理念就是把并聯(lián)在一起的大量直流電池進行一個解耦，解耦以后單個電芯的單個電池簇的容量降到了250千瓦時，與原來并在一起的幾兆瓦時的電池堆的容量相比降低到1/10，降低它的容量以后，大大減小了單個電池簇，也就是單個電池堆它的一個短路電流，而且控制起來也更加容易。當發(fā)生故障的時候，它的故障范圍也非常小，在日后進行一個維護更換也更加方便。充放控制也是可以對單簇電芯進行一個獨立的充放，我們200多千瓦時的電芯都是串聯(lián)在一起的，一臺PCS對這些電芯都是一個串聯(lián)進行一個充電或者放電的過程，每一個電芯它的充放電的電流都完全一致，而且可以嚴格控制在額定的倍率以下。如果是并聯(lián)的系統(tǒng)，它的充/放電流會受到內(nèi)阻的影響，電芯的內(nèi)阻小，它的充電電流可能會就偏大，所以有部分電芯在充電的過程中，有可能會超過它的額定倍率進行一個充放。在單電芯這種控制的條件下，它的充放電電流是可以做到完全一致的，而且是可以嚴格控制在我們需要的一個電流值上。在這種情況下，所有電芯的運行一致性非常好，SOC的差值也可以做得很小，所以我們能夠最大程度的利用電芯的容量。在交流側安裝相同電池的情況下，我們可以達到更大的一個輸出，如果說我們是輸出相同的一個容量的情況下，我們也可以使用較少的電芯，這樣可以降低用戶的一個初始投資。
下圖展示的就是我們這種分組控制以后電池的充放電的一個狀態(tài)。當電池充滿以后是保持在92%這樣的一個SOC狀態(tài)。電池完全充滿了以后，所有電池簇的SOC值都是91%-92%之間，電池簇間的 SOC差異小于2%，它是一個非常均衡的狀態(tài)。放電也是一樣，當電芯完全放電以后都能保持在1%左右，它的充放一致性可以達到一個非常好的效果，對電芯的容量利用也可以達到更高。在它的全生命周期里邊，由于我們這種充放的獨立控制，它不存在著短板效應，也不存在著局部過充的這種電芯，不會由短板效應的容量影響整個電池堆壽命的這種情況出現(xiàn)，所以在級聯(lián)型的這種多單元控制的條件下，它的整個系統(tǒng)壽命與單個電芯的容量衰減曲線是基本保持一致的。如果是低壓的這種并聯(lián)型式，它的容量衰減曲線是相對比較快，而我們這種高壓級聯(lián)的方式，它通過對電芯的這種均衡控制，能夠使系統(tǒng)保持與電芯相同的一個衰減速度，這樣整個生命周期內(nèi)它的運行效率也可以達到更高，可以得到更高的一個經(jīng)濟性。
在百兆瓦級別的電站里邊，高壓級聯(lián)的這種方案，由于單機容量大，PCS的臺數(shù)非常少，接入點的數(shù)量也大幅減少。適合于組建于我們這種百兆瓦級的電站。我們與常規(guī)的電站進行一個對比，如果是用2.5兆瓦的這樣的一個單元，需要40臺2.5兆瓦的單元才能組成一個百兆瓦的電站。而高壓級聯(lián)的這種方式，我們用20兆瓦40兆瓦時的高壓級聯(lián)直掛方案，只需要5臺就可以組成一個35千伏的這種100兆瓦200兆瓦時的電站，它的臺數(shù)是大量減少，它的控制層級也會減少，可以從調(diào)度指令直接到EMS，直接到PCS的進行一個控制，所以說它的響應時間也非常的快。
這邊是我們在一臺4.5兆瓦的這種儲能PCS的工況轉換的一個響應時間，它從零功率運行到滿功率放電，以及從滿充電到滿放電的這些狀態(tài)，中間的轉換時間都只有1.5毫秒到2毫秒之間，系統(tǒng)的轉換速度是非?？欤梢詫崿F(xiàn)一個快速的頻率支撐。對于電網(wǎng)的這種并網(wǎng)、孤網(wǎng)以及無擾的切換運行是非常有利的，也能夠更大程度上對電網(wǎng)進行一個有效的支撐。
大容量高壓級聯(lián)電站的另一個優(yōu)點就是運行效率特別高，長期運行效率可以比常規(guī)的低壓儲能系統(tǒng)提高4%-10%，電站的長期運行的綜合效率能達到90%左右，主要是由于第一它沒有升壓變壓器，不存在變壓器的損耗，一個充放的循環(huán)可以提高2%以上的效率，因為變壓器在長期待機的運行過程中也有一定的損耗。第二就是它的輸出是一個非常完美的正弦波，不需要大量的濾波裝置，同時它是一個多電平的輸出，它輸出的這種波形非常接近正弦波，而且它可以做到開關頻率降到比較低，這個時候能夠有效的降低開關損耗。最重要的一點就是它是高壓輸出，內(nèi)部的電流比較小，就可以做到內(nèi)部的各種損耗都比較低，因為損耗是和電流的平方成正比，所以在各個方面的優(yōu)勢加持下，與容量相同低壓系統(tǒng)相比，高壓級聯(lián)系統(tǒng)的效率可以提高4%-10%以上。
下面是我們的案例對比，我們在四個儲能電站里面有一個站使用的是我們的高壓級聯(lián)的這種儲能裝置，它的長期運行效率可以達到89%，接近90%。與它同期投運的其他幾個儲能電站采用常規(guī)的1000伏PCS的方案，以及采用1500PCS的方案，運行效率最高的大約是84%，它比高壓級聯(lián)的方式要低5個百分點。對于電池的超配比也有一個明顯的區(qū)別，這幾個電站輸出相同電量的時候，這種高壓級聯(lián)站的電池安裝容量只超配16%，而其他幾個電站由于充放電效率相對比較低，而且電池的利用率相對比較低，它的超配比都在20%以上，明顯要高于高壓級聯(lián)的這種方式。
后面我再跟大家分享一下我們這些大容量儲能相關的應用情況，一些檢測報告以及高低壓的相關測試結果，都能達到一個非常有優(yōu)秀的技術狀態(tài)。實際應用的時候我們也有很多相關的應用案例，在用戶測的項目中，由于高壓級聯(lián)系統(tǒng)的運行效率高，電池的容量利用率高，所以項目的經(jīng)濟性比較好，項目的回收周期短，能夠更加有效的加快項目的落地。同時它的無擾切換可以支持更多的一個運行方式。我們在廣州的某個芯片廠，它的供電可靠性項目里面也配套了這種高壓級聯(lián)的儲能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)復合的無擾切換以及供電的一個可靠切換效果。同時它也支持在正常運行的時候進行削峰填谷、分時電價套利以及多種運行模式，能夠得到更有效的一個利用。在電網(wǎng)側的場景里邊，我們這種高壓級聯(lián)的系統(tǒng)，它由于容量大，響應速度快，可以更有效的支撐電網(wǎng)，用于電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻，優(yōu)化新能源的傳輸和消納，優(yōu)化這種電網(wǎng)的售電端的這種安全功率，提供頻率支撐以及應對各種電網(wǎng)的安全事故。
在發(fā)電側的場景里邊，由于我們這種高壓直連的這種PCS響應速度非?？欤瑫r單機的容量比較大，更能有效的在這種調(diào)頻應用的場景里面得到一個相關的應用，所以我們在調(diào)頻的這種系統(tǒng)里面應用得非常多，我們目前做的最大的1C火電調(diào)頻系統(tǒng)可以做到60MW/60MWH，應用于百萬千瓦的這種機組。
在新能源的應用場景里邊，我們這種高壓級聯(lián)的大容量儲能系統(tǒng)能夠更有效的改善新能源的出力平衡，改善新能源電站的容量可信度，以及提高系統(tǒng)對新能源的消納能力，在我們的西北以及各個新能源場站都有很廣泛的一個應用。在當前百兆瓦乃至吉瓦時的大規(guī)模儲能電站的應用需求下，對我們的儲能系統(tǒng)單機也提出了更高的需求。從目前大容量的儲能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，是要求的更高的電壓，更大的功率，更長的壽命以及更高的效率，這成為儲能系統(tǒng)的一個發(fā)展的主要趨勢。相對于目前我們應用的比較多的低壓集中式的這種儲能系統(tǒng)來說，新的大容量的高壓級聯(lián)系統(tǒng)能夠得到更高的一個輸出功率，更高的效率以及更安全充放的這種控制，在吉瓦時級別的電站里得到更廣泛的應用。
以上就是我跟大家分享的內(nèi)容，謝謝大家！
