大型儲能電站集成技術趨勢分析

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　　電化學儲能系統由包括直流側和交流側兩大部分。直流側為電池倉，包括電池、溫控、消防、匯 流柜、集裝箱等設備，交流側為電器倉，包括儲能變流器、變壓器、集裝箱等。直流側的電池產 生的是直流電，要想與電網實現電能交互，必須通過變流器進行交直流轉換。

　　儲能系統分類：集中式、分布式、智能組串式、高壓級聯、集散式

　　按電氣結構劃分，大型儲能系統可以劃分為：

　　（1）集中式：低壓大功率升壓式集中并網儲能系統，電池多簇并聯后與 PCS 相連，PCS 追求大 功率、高效率，目前在推廣 1500V 的方案。

　　（2）分布式：低壓小功率分布式升壓并網儲能系統，每一簇電池都與一個 PCS 單元鏈接，PCS 采用小功率、分布式布置。

　　（3）智能組串式：基于分布式儲能系統架構，采用電池模組級能量優化、電池單簇能量控制、 數字智能化管理、全模塊化設計等創新技術，實現儲能系統更高效應用。

　　（4）高壓級聯式大功率儲能系統：電池單簇逆變，不經變壓器，直接接入 6/10/35kv 以上電壓等 級電網。單臺容量可達到 5MW/10MWh。

　　（5）集散式：直流側多分支并聯，在電池簇出口增加 DC/DC 變換器將電池簇進行隔離，DC/DC 變換器匯集后接入集中式 PCS 直流側。

　　儲能技術路線迭代圍繞安全、成本和效率

　　安全、成本和效率是儲能發展需要重點解決的關鍵問題，儲能技術的迭代核心也是要提高安全、 降低成本、提高效率。

　　（1） 安全性

　　儲能電站的安全性是產業最關注的問題。電化學儲能電站可能存在的安全隱患包括電氣引發的火 災、電池引發的火災、氫氣遇火發生爆炸、系統異常等。追溯儲能電站的安全問題產生的原因， 通常可以歸咎于電池的熱失控，導致熱失控的誘因包括機械濫用、電濫用、熱濫用。為避免發生 安全問題，需要嚴格監控電池狀態，避免熱失控誘因的產生。

　　（2） 高效率

　　電芯的一致性是影響系統效率的關鍵因素。電芯的一致性取決于電芯的質量及儲能技術方案、電 芯的工作環境。隨著電芯循環次數增加，電芯的差異逐步體現，疊加運行過程中實際工作環境的 差異，將導致多個電芯之間的差異加劇，一致性問題突出，對 BMS管理造成挑戰，甚至面臨安全 風險。電池模組間串聯失配：串聯的電芯可用容量只能達到最弱電池模組的容量，使得其他電池容量無 法被充分利用。電池簇間并聯失配：并聯鏈路上的電池簇可用容量只能達到最弱電池簇的容量，使得其他電池容 量無法被充分利用。電池內阻差異造成環流：電池環流使得電芯溫度升高，加速老化，加大系統散熱，降低系統效率。在儲能電站設計和運行方案中，應當盡量提高電池的一致性以提高系統效率。

　　（3） 低成本

　　儲能系統的成本與初始投資和循環壽命有關。電池材料的老化衰退、充放電制度、電池運行溫度、 單體的一致性都會影響電池的循環壽命。當集裝箱內電池溫差大于 10 度，會導致電池壽命縮短15%以上。模組間溫升差異也會導致整體系統壽命縮短。儲能系統應當通過優化充放電方式、降 低系統間溫差、提高電池一致性來提升系統循環壽命。

儲能集成技術路線：拓撲方案逐漸迭代

　　集中式方案：1500V 取代 1000V 成為趨勢

　　隨著集中式風光電站和儲能向更大容量發展，直流高壓成為降本增效的主要技術方案，直流側電 壓提升到 1500V 的儲能系統逐漸成為趨勢。相比于傳統 1000V 系統，1500V 系統將線纜、BMS 硬件模塊、PCS 等部件的耐壓從不超過 1000V 提高到不超過 1500V。儲能系統 1500V 技術方案 來源于光伏系統，根據 CPIA 統計，2021 年國內光伏系統中直流電壓等級為 1500V 的市場占比約 49.4%，預期未來會逐步提高至近 80%。1500V 的儲能系統將有利于提高與光伏系統的適配度。

　　回顧光伏系統發展，將直流側電壓做到 1500V，通過更高的輸入、輸出電壓等級，可以降低交直 流側線損及變壓器低壓側繞組的損耗，提高電站系統效率，設備（逆變器、變壓器）的功率密度 提高，體積減小，運輸、維護等方面工作量也減少，有利于降低系統成本。以特變電工2016年發 布的 1500V 光伏系統解決方案為例，與傳統 1000V 系統相比，1500V 系統效率提升至少 1.7%， 初始投資降低 0.1438 元/W，設備數量減少 30-50%，巡檢時間縮短 30%。

　　1500V儲能系統方案對比 1000V方案在性能方面亦有提升。以陽光電源的方案為例，與 1000V系 統相比，電池系統能量密度與功率密度均提升了 35%以上，相同容量電站，設備更少，電池系統、 PCS、BMS 及線纜等設備成本大幅降低，基建和土地投資成本也同步減少。據測算，相較傳統 方案，1500V 儲能系統僅初始投資成本就降低了 10%以上。但同時，1500V 儲能系統電壓升高后電池串聯數量增加，其一致性控制難度增大，直流拉弧風險預防保護以及電氣絕緣設計等要求也 更高。

　　分布式方案：效率高，方案成熟

　　分布式方案又稱作交流側多分支并聯。與集中式技術方案對比，分布式方案將電池簇的直流側并 聯通過分布式組串逆變器變換為交流側并聯，避免了直流側并聯產生并聯環流、容量損失、直流 拉弧風險，提升運營安全。同時控制精度從多個電池簇變為單個電池簇，控制效率更高。

　　山東華能黃臺儲能電站是全球首座百兆瓦級分散控制的儲能電站。黃臺儲能電站使用寧德時代的 電池+上能電氣的 PCS 系統。根據測算，儲能電站投運后，整站電池容量使用率可達 92%左右， 高于目前業內平均水平 7 個百分點。此外，通過電池簇的分散控制，可實現電池荷電狀態（SOC） 的自動校準，顯著降低運維工作量。并網測試效率最高達 87.8%。從目前的項目報價來看，分散 式系統并沒有比集中式系統成本更高。

　　分布式方案效率最高、成本增加有限，我們判斷未來的市場份額會逐漸增加。目前百兆瓦級在運 行的電站選擇寧德時代、上能電氣的設備。與集中式方案相比，需要把 630kw 或 1.725MW 的集 中式逆變器換成小功率組串式逆變器，對于逆變器制造廠商而言，如果其有組串式逆變器產品， 疊加較強的研發能力，可以快速切入分布式方案。

　　智能組串式方案：一包一優化、一簇一管理

　　華為提出的智能組串式方案，針對集中式方案中三個主要問題進行解決：（1）容量衰減。傳統 方案中，電池使用具有明顯的“短板效應”，電池模塊之間并聯，充電時一個電池單體充滿，充 電停止，放電時一個電池單體放空，放電停止，系統的整體壽命取決于壽命最短的電池。（2） 一致性。在儲能系統的運行應用中，由于具體環境不同，電池一致性存在偏差，導致系統容量的 指數級衰減。（3）容量失配。電池并聯容易造成容量失配，電池的實際使用容量遠低于標準容 量。

　　智能組串式解決方案通過組串化、智能化、模塊化的設計，解決集中式方案的上述三個問題：（1）組串化。采用能量優化器實現電池模組級管理，采用電池簇控制器實現簇間均衡，分布式 空調減少簇間溫差。（2）智能化。將 AI、云 BMS 等先進 ICT 技術，應用到內短路檢測場景中， 應用 AI 進行電池狀態預測，采用多模型聯動智能溫控策略保證充放電狀態最優。（3）模塊化。電池系統模塊化設計，可單獨切離故障模組，不影響簇內其它模組正常工作。將 PCS 模塊化設計， 單臺 PCS 故障時，其它 PCS 可繼續工作，多臺 PCS 故障時，系統仍可保持運行。

　　高壓級聯方案：無并聯結構的高效方案

　　高壓級聯的儲能方案通過電力電子設計，實現無需經過變壓器即可達到 6-35kv 并網電壓。以新風 光35kv解決方案為例，單臺儲能系統為12.5MW/25MWh系統，系統電氣結構與高壓SVG類似， 由 A、B、C 三相組成。每相包含 42 個 H 橋功率單元配套 42 個電池簇。三相總共 126 個 H 橋功 率單元共 126 簇電池簇，共存儲 25.288MWh 電量。每簇電池包含 224 個電芯串聯而成。

　　高壓級聯方案的優勢體現在：（1）安全性。系統中無電芯并聯，部分電池損壞，更換范圍窄， 影響范圍小，維護成本低。（2）一致性。電池組之間不直接連接，而是經過 AC/DC 后連接，因 此所有電池組之間可以通過 AC/DC 進行 SOC 均衡控制。電池組內部只是單個電池簇，不存在電 池簇并聯現象，不會出現均流問題。電池簇內部通過 BMS實現電芯之間的均衡控制。因此，該方 案可以最大程度利用電芯容量，在交流側同等并網電量情況下，可以安裝較少的電芯，降低初始 投資。（3）高效率。由于系統無電芯/電池簇并聯運行，不存在短板效應，系統壽命約等同于單 電芯壽命，能最大限度提升儲能裝置的運行經濟性。系統無需升壓變壓器，現場實際系統循環效 率達到 90%。

　　高壓級聯方案作為一種新的技術路線，有待運行驗證。（1）技術方面，一方面，高壓級聯方案 每一相都是 35kv，電磁環境惡劣，對 BMS 控制提出更高要求。另一方面，高壓級聯方案為交流 側并聯，選擇多個 H 橋連接，ABC 三相交流電，每一相都有多個 H 橋串聯，可靠性降低，為了提 升可靠性，必須進行冗余設計，如果某個 H 橋故障，可以切換到旁路電路。（2）運營方面， 35kv 儲能系統中直流側和交流側放在同一位置，運行維護的難度加大，存在一定的安全風險。當 前高壓級聯方案滲透率依然較低，需要經過多個項目驗證可靠性和穩定性。

　　從項目價格來看，高壓級聯方案的儲能項目報價與傳統項目價格相近。2022 年 4 月，金盤科技和 天津瑞源電氣聯合體中標的中廣核海南白沙邦溪 25MW/50MWh 儲能項目投標價格 6499.9166 萬 元，單價 1.30 元/wh。

　　集散式方案：直流隔離+集中逆變

　　集散式方案又稱作直流側多分支并聯，在傳統集中式方案的基礎上，在電池簇出口增加 DC/DC變 換器將電池簇進行隔離，DC/DC 變換器匯集后接入集中式 PCS 直流側，2~4 臺 PCS 并聯接入一 臺就地變壓器，經變壓器升壓后并網。系統中通過增加 DC/DC直流隔離，避免直流并聯產生的直 流拉弧、環流、容量損失，大大提高了系統的安全性，從而提升系統效率。但由于系統需要經過 兩級逆變，對系統效率有反向影響。

相關公司

　　金盤科技：變壓器切入高壓級聯儲能方案

　　營業收入持續增長，變壓器業務地位穩固。金盤科技專注于干式變壓器系列、儲能系列、開關柜 系列、箱式變電站系列、電力電子設備系列、數字化整體解決方案等產品的研發、生產及銷售， 是領先的電力配套設備提供商。2021 年金盤科技的營業收入為 33.03 億元，同比增長 36%。其 中，變壓器業務是金盤科技主要的收入來源：從 2018 年到 2021 年，變壓器系列營業收入占比 維持 70%以上。

　　公司致力于積累儲能技術，開辟儲能新市場。金盤科技是行業內少有的能夠實現高中低壓儲能變 流器、能量管理系統、電池管理系統等儲能系統關鍵部件及配套配電設備和變壓器的自主研發、 設計、制造，以及儲能系統集成的企業，其涵蓋儲能系統除電芯以外的關鍵部件全產業鏈。截至 2022 年上半年，金盤科技依靠多年的儲能相關技術及產品研發技術積累，已經形成了 14 項儲能 系列產品核心技術。2022 年 7 月，金盤科技發布了全球首例中高壓直掛全液冷熱管理技術的儲能 系統，同時推出低壓儲能系統等系列產品，這意味著金盤科技的儲能數字化工廠已經投入運行， 涵蓋高壓、中壓、低壓全系列儲能產品，產品在電網側、發電側、工商業側全場景應用。

　　新風光：儲能產品營收高增，高壓級聯技術先進

　　公司是專業從事大功率電力電子節能控制技術及相關產品研發、生產、銷售和服務的高新技術企 業。主要產品包括高壓動態無功補償裝置、各類高中低壓變頻器、智慧儲能系統裝置、軌道交通 能量回饋裝置、煤礦防爆和智能控制裝備等。2021 年，公司實現營業收入 9.43 億元，同比增長 12%，實現歸母凈利潤 1.16 億元，同比增長 8.77%。其中，SVG 和變頻器是公司的主要收入來 源，2021 年 SVG 收入占比 58%，變頻器收入占比 32%。

　　儲能是新風光的重要業務板塊之一，推出的產品包括低壓智慧儲能系統（儲能變流升壓一體機、 三相儲能變流器、低壓儲能變流器、戶外儲能變流器等）和高壓級聯儲能并網產品。公司儲能產 品于 2021 年開始投入市場，2022 年上半年迎來高速增長。2021 年儲能系統的收入為 0.3 億元， 2022 年僅上半年儲能產品收入 0.7 億元，占公司營收 14%。

　　新風光儲能系統技術先進，儲能研發項目取得重要成果。公司研發的“500KW 超導儲能逆變器及 其與電網切換系統”成功應用于中科院電工所“863”項目“超導儲能系統”；研發的“超導儲能-限流功 率調節系統”應用于國家“863”計劃課題“超導儲能-限流功率調節系統”。在第十二屆中國國際儲能 大會上，公司介紹了新推出的6-35kV高壓直掛級聯式儲能系統技術、1000V低壓儲能技術方案、 1500V 低壓儲能技術方案，并獲得了 2022 年度中國儲能產業最佳儲能裝置供應商和 2022 年度中 國儲能產業最具影響力企業獎兩項大獎。公司儲能系統高壓級聯 PCS 技術儲備堅實，高壓直掛級 聯式儲能系統技術可實現 6-35kV 電壓等級的級聯儲能裝置的各種控制功能，可擴展性強和易于 升級，主控制器與功率模塊和 BMS 系統之間通過光纖連接，EMC 性能優異。公司高壓級聯 PCS 產品于 2021 年開始投放市場，全面參與到發電側儲能、用戶側儲能等領域。

　　智光電氣：高壓級聯先驅，設備與服務雙管齊下

　　公司主打電氣設備與綜合能源服務。公司成立于 1999 年，于 2007 年在深交所上市，主要的業務 板塊可以分為兩大板塊，分別是電氣設備以及綜合能源服務，其中電氣設備包括電氣控制、電力 電纜、數字電源以及儲能板塊，而綜合能源服務主要包括綜合節能以及用電服務板塊。2021 年公 司營業收入為 18.89億元，同比增長-11.85%，其中電氣設備為 11.76 億元，綜合能源服務為 7.14 億元，營業收入自 2018 年迎來較大幅度增長后，2018 年至 2021 年呈現下降趨勢。

　　高壓級聯儲能行業的積極引領者。2013 年公司研究發展了“級聯型高壓儲能”技術，引領了儲能行 業技術的發展方向。公司于2018年正式設立智光儲能，全面拓展儲能業務。公司整體的儲能業務 包括了儲能技術咨詢、儲能系統集成、儲能設備銷售，同時可以向廣大儲能系統集成商提供儲能 電池 PACK 集成、BMS、PCS 及 EMS、電芯及電池 PACK 測試等核心關鍵技術服務及設備支持。

　　公司的儲能產品包括電站型儲能系統（高壓直掛級聯型高壓儲能）、需求側儲能系統（多模組分 布式集成儲能）、移動儲能產品及移動儲能測試車（35kV)等，可以滿足不同應用場景的客戶定 制化對于高效率、高可靠性及高安全性的儲能系統技術及裝備的需求。公司的級聯型直接高壓大 容量儲能技術的客戶主要有國家電網、南方電網、華能集團、華電集團、廣東省能源投資集團、粵芯半導體等典型客戶，相關性能在實際應用中得到了驗證，公司的產品的穩定性以及經濟性受 到了客戶的廣泛認可。

　　儲能業務初露鋒芒，積極開發部署儲能項目。公司的儲能業務快速增長，由 2020 年的 0.53 億元 增長到 2021年的1.23億元，同比增長了 132.33%，占公司2021年度合并口徑營業收入的 6.50%， 但是受到鋰電池以及芯片等集成材料價格波動的影響，儲能業務凈利潤有所下降。即使疫情肆虐 以及部分原材料價格上漲，公司也能完成很多項目的交付。

　　陽光電源：光儲并駕齊驅，布局全球市場

　　陽光電源成立于 1997 年，2011 年于深交所上市。公司主營業務包括光伏逆變器等電力轉換設備、 電站投資開發和儲能系統及其他業務。（1） 光伏逆變器產品包括應用于組串式光伏逆變器、集中式光伏逆變器和戶用光伏逆變器， 涵蓋 3~8800KW 功率范圍，應用于戶內、戶外、大中小型光伏發電系統；（2） 電站投資開發業務依托于陽光新能源公司建設開發超過 2500 萬 KW 光伏/風力發電站；（3） 儲能業務主要產品為儲能變流器、鋰電池、能量管理系統等儲能核心設備；（4） 其他業務包括新能源汽車驅動系統、風電變流器、水面光伏系統、充電設備、氫能業務 等。

　　陽光電源 2021 年公司營業收入 241.4 億元（yoy+25.2%），歸母凈利潤 15.8 億元。2021 年公司 整體毛利率 22.25%，凈利率為 7.06%。2021 年營收占比最大的業務為電站投資開發和光伏逆變 器等電力轉換設備，分別占 40.1%和 37.5%，儲能系統占比 13%，營業收入同比增長 168.5%。

　　陽光電源是國內最早切入儲能行業的企業之一，其儲能系統廣泛應用于中國、美國、歐洲、印度 等眾多國家。儲能行業營收 2017-2021 年以 CAGR 164.3%的速度增加，隨著行業的快速發展， 2021 年公司定增募集資金建造年產 100GW 的新能源發電裝備制造基地項目，其中儲能變流器占 15GW。根據 CNESA 統計，2021 年中國企業中，全球儲能 PCS 出貨量第一名為陽光電源。

　　上能電氣：儲能 PCS 高性價比，國內項目中標領先

　　聚焦光伏儲能業務，業績快速發展。公司主營業務為電力電子設備的研發、生產、銷售，主要的 產品包括光伏逆變器、儲能雙向變流器及儲能系統集成、電能質量治理產品、電站監控設備及智 慧能源管理系統等。2021 年，公司實現營業收入 10.92 億元，同比增長 8.76%，實現歸母凈利潤 0.59 億元，同比下降 23.94%。其中，光伏逆變器是公司的主要收入來源，2021 年光伏逆變器收 入占比 80.86%。

　　公司聚焦國內儲能領域，產品包括交流儲能變流器、直流儲能變流器及儲能集成系統。2021 年公 司儲能雙向變流器及系統集成產品營業收入為 1.4 億，營收占比 12.96%，2022 年上半年該項營 業收入為 0.38 億，營收占比為 9.03%，與上一年同期增加 1.35pct。2021 年公司在國內儲能 PCS 供應商排名中市占率第一。

　　公司儲能相關產品已大規模應用在發電側、電網側、用戶側及微電網等儲能領域，集成系統采用 磷酸鐵鋰電池，優勢是循環壽命長、一致性高、環境適應性好；且系統具備故障早期預警及定位、 智能溫控、分級聯動，全面保障儲能電池系統安全；集成度高、智能、高效、安全。2021 年公司 中標國內多個大型儲能項目，其中山東海陽 100MW/200MWh 儲能電站項目和山東慶云 100MW/200MWh 儲能項目評為 2021 年山東省的儲能調峰項目。在慶云電站中，上能電氣提供了 32 套 1500V 3.15MW 儲能變流一體機。項目規劃總容量 300MW/600MWh，首期建設 100MW/200MWh，正式投產后每年可增加新能源電力消納量 1 億千瓦時，推動“新能源+儲能” 協同發展。

　　上能電氣 3.15MW 儲能變流升壓一體機運用 1500V 系統集成設計，具有高能量密度與功率密度， 能夠實現設備更少、占地面積更小，運維更便捷高效，降低 LCOS 成本。此外，EH-3150-HAUD-35 集中式儲能變流器采用兩組電池接口設計，可獨立進行充放電管理，有效提升系統性能與 安全性；搭載智能強制風冷散熱設計，可保障系統在 50℃環境條件下不降額運行保障了儲能項目 安全穩定運行。