中国储能网讯：11月24-26日，由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间，组委会邀请了广州智光储能科技有限公司技术总监汤旭分享主题报告《大容量锂电池储能技术发展及应用》。以下是发言主要内容：

汤旭：各位来宾，感谢主办方的邀请，我是广州智光储能科技有限公司的汤旭。今天在这里和大家分享一下我们在大功率锂电池储能系统中的技术探索和工程实践。智光储能早在2014年就开始了高压级联大功率储能系统的设计和探索，可以说是最早把高压级联储能系统工程化的公司，现在是2022年的11月份，我们最早的一套高压级联系统是从2014年运行的，从首次运行到现在已经过去了8年的时间。借此机会，我们向大家分享一下在这种高压级联大功率的储能系统中的建设、运行经验以及运行效果。

我的介绍从锂电池储能电站开始，我们目前已经投运了数百兆瓦时的高压级联的储能电站，使用的电池基本都是磷酸铁锂电池，对于这些电站的运营和设计都有了比较丰富的经验。在国内“双碳”的背景下，国内的电力装机和储能装机都得到了翻番式的一个发展，储能的装机容量也得到了飞速的一个提高，我们的储能电站装机从原来的10兆瓦级别已经扩大到现在的百兆瓦甚至吉瓦时的一个级别了，大量的电芯在电站的应用也带来一个安全性的问题。国内外的锂电池储能电站安全事故都是大家关心的问题，目前大家也都在安全、消防和运维方面都做了很多的尝试，比如完善电站的消防和运行规范，提高火灾事故的处理和保护能力。现在大家更多关心的可能是电池本身的一个本体安全，消防和暖通的方面，包括采用PACK级的一个消防系统，对暖通的控制，还有电池事故的早期检测手段等等，都做了很多有益的探索。作为PCS的一个生产商，我们更希望通过系统的一个优化控制，从源头的角度来解决电池的过充过放问题，来解决电芯一个均衡控制问题，后面我们会展开向大家做一个简单的介绍。另一个就是电站长期运行的经济性问题，长期运行以后电芯的衰减，它的一个短板效应，影响电站后期的运行效率，也是大家非常关心的一个问题。如何优化系统的控制，我们后面也会进行一个详细的分析。

在电池的存储方面，常见的低压塔式机是采用直接将电池并联在直流侧，随着电站PCS和储能单机容量越来越大，并联的电芯也越来越多，并联过多的电芯容易产生木桶的短板效应，它也是造成电站运行后期容量下降，衰减速度过快的一个主要原因。在右边有一个电芯的衰减曲线和整个电站的容量衰减曲线的对比，这条紫色的就是电芯的一个衰减曲线，它展示了一个储能电站，电芯在运行了4000次以后，容量衰减到80%的这样一个过程。与此同时整个储能电站的容量会衰减到初始容量的65%以下，它的衰减速度是远远高于电芯的衰减速度，所以这主要是因为电芯的短板效应造成了整个系统的容量衰减速度远大于电芯的衰减速度。在电芯成组方面，我们是建议尽量减少电芯的一个并联或者是电池簇的直接并联，这是储能电站技术方案的一个重要的转型导向。如果有可能尽量让电芯独立运行或者是电池处单独充放控制，尽量不做这种并联的一个方案，这样它能够有效的提升系统的一个安全性以及整体寿命。整个电站的容量扩大不能简单的去把电芯直接并联来达到更大的一个容量。

在电站的大型化过程中，储能的PCS以及系统的容量也在越来越大。在我们一个常见的100兆瓦200兆瓦时的电站中，按照传统的方案可能使用的一个2.5兆瓦的单机，会有40套储能系统在电站运行，40套储能系统会形成多个并网点，而且有80台PCS要一起协调运行，运行起来的响应速度就会受到一定的影响。现在储能电站的单机容量已经从原来的630千瓦1000伏直流的这种小容量机型逐渐发展到更大的1725千瓦直流1500伏的这种大容量机型。甚至于后面要提到的我们的这种高压级联的5兆瓦乃至25兆瓦的系统，更大的单机能够组合形成更大的一个储能电站，在我们的系统中可以得到一个更好的应用效果。但是储能电站的容量越大，单机容量越大，也就意味着它的电芯数量越多，安全事故风险也会更大，直接并联在一起，电芯的这种短板效应也会更加的明显，造成经济性变差，而且单机容量如果小，并联的设备更多，二次通讯和协调系统也更加复杂，相关的投入成本也会更高，这是一个与电站容量相矛盾的事实。

如何让储能电站的装机容量大容量化，单机的容量大容量化，同时我们更加提高系统的一个安全性。我们主要的做法是把电池堆离散化，进行一个独立的控制。就是把原来并联在一起的大量电池改变为一个个小的电池堆处理，单独的用PCS进行充放，这个时候就是我们新型的一个电力拓扑结构，具体的做法就是原来并联在一起的这种直流系统上，把原来的并联在一起的各个电池簇去进行一个解耦，分散到单独运行的单个的PCS上，最后把PCS的交流输出端进行一个串联叠加，即达到集联的效果。串联叠加以后，它的输出电压也比以前有了显著提高。最后就可以达到增大输出功率，提高输出电压，同时降低单个直流系统容量的效果。这就是我们创新型的高压大容量级联型的储能系统结构。这样的一个系统能做到更大的单机容量，单机容量在35千伏系统里面可以做到25兆瓦左右甚至更高。直流系统的电压可以降低，比1500伏的直流系统更低，我们这种是1000伏的直流系统，它的直流电压会低一些。输出端的交流电压反而更高，经过电压叠加的方式可以直接连接到6千伏、10千伏甚至35千伏的母线上。这样设计可以减少变压变流的次数，节省连接的电缆。同时直流母线是更短的，它的电池处和PCS是直接耦合，直流侧母线更短，直流的分布参数也更小，能够做到更可靠的直流系统的保护。同时这个系统可以选择风冷和水冷，它的温控、温度的一致性也更加好。整体来说，这个系统的运行效率可以达到更高，可以让成本降低30%以上。通过PCS和BMS双重的高效均衡控制以后，可以达到电池充放更加均衡，容量的利用率也更高，同时它的保护系统也可以做得更加完善，能够兼容各种智能的消防系统，达到一个更好的控制目标。

具体它是如何做到的？我们在这里向大家展示一下，这是我们一个高压级联的系统的基本结构。从单个单元上来说，它与我们常见的1000伏的直流系统是比较类似的，它的电池是一个直流1000伏的系统，电池直接连接在单个PCS的直流端，PCS是一个单相的逆变变桥，也就是我们所说的单相的H桥，它的输出电压是300伏到600伏之间，与我们常见的低压PCS也是基本一致的。我们会将多组这样的PCS进行一个级联，就是串联的处理。单个PCS输出400伏电压，我们在10千伏系统里面可以串联15个左右的PCS，每个PCS输出400伏的电压，最后会串联出一个6000伏的换流链，三个这样的换流链进行一个星型连接，对它进行一个相位的控制，它的ABC三相就可以输出10kV的线电压，直接接入10kV的电力系统。35kV系统我们会使用50个左右的单元进行一个串联，50个单元会达到22kV的输出电压，这三个22kV的单相换流链经过星型连接以后，它可以连接到35kV的母线上，直接输出一个35千伏的电压。

在这个系统里，它的直流侧电流都远低于我们常见的1500伏系统，常见1500伏系统的直流侧电流一般都有1000安以上，接近2000安，但是在我们这种高压级联的系统里面，直流侧的电流一般只有200安到300安之间，交流式的电流输出也在200安到300安左右，它的电流是远小于低压的这种并联系统，而且它的一个优势是可以进行单元旁路控制，这样可以有效的降低故障率。当系统发生故障的时候，比如电池故障或者是PCS故障，我们都可以通过单元旁路的状态去进行一个故障的处理。单元旁路就是把它的交流输出端使用真空接触器或其他的一个方式进行旁路，旁路掉以后这一级可以减少，这一级单元就会从系统里面脱离，同时其他的单元会升高电压，最后让系统恢复平衡。在处理的过程中，整个系统的相间电压是保持不变的，相电压会有一个短暂的波动，时间也是非常短，可以达到一个故障及时处理的效果。在这个系统里面，即使是单元发生了短路故障，最终造成的结果也只是单元旁路的一个效果，而不会像低压三相的系统一样。如果在三相的逆变桥系统里边，如果发生了短路，通常会造成 ABC三相的一个直接短路，这样的会造成很大的一个故障电流，系统也会退出运行。在高压级联的系统里边，单个PCS单元的故障最多就是单个单元退出运行，而不会让整个系统来退出运行。在单个单元退出运行以后，它的输出功率可以基本保持不变，它的容量也只减小了5%左右，这样对整个系统的输出影响是比较小的，这是它的基本的结构。

这是我们在工厂里进行检验的高压级联的35千伏的系统，在工厂试验运行的时候，我们可以看到它的直流侧、电池处和PCS单元是安装在一起的，是直流系统的一个直接耦合，三相的换流链经过串联以后，最后形成了35千伏的系统，通过三台空芯电抗器直接接入35千伏的系统。在现场实际运行的时候，这些储能装置都会安装在集装箱里面，安装在现场。这样的一个系统可以做到20MW/40MWH的容量或者25MW/50MWH这样的一个容量。所以我们在一个百兆瓦级的的储能电站里面只需要5台这样的高容量高压级联储能装置，就可以达到一个百兆瓦级别的储能电站。主要优势是它没有升压变压器，直接是通过换流链接入高压35千伏系统的。它的单机功率特别大，而且它的直流侧电压也不会超过1200伏，它是一个电压相对比较低的这样的一个直流系统。它的综合效率非常高，接近90%-91%，冷却方式可以使用风冷和水冷。它的过载能力可以达到110%十分钟，120%一分钟。它最突出的一个特点就是整个储能系统的响应时间非常短，因为所有的单元都是串联在一起，同时进行级联运行工作的，他们工作的协调一致性非常高，响应时间是小于5毫秒，所以它的响应速度也是非常快的。最后它可以通过 PCS和BMS的一个动态均衡，来达到对电池均衡充放的这样的一个效果，能更有效的利用电池容量，以及避免过充过放。

这是一个典型的60兆瓦120兆瓦时储能系统的一个现场布置，只需要三套储能系统就可以达到这样的一个输出。三套系统每一套的容量是20兆瓦40兆瓦时，这三套系统我们会安装在三组集装箱里边，每一组集装箱都是15台，每台里面大约是能放10级的单元，最后这些单元经过串联以后，接入我们的35千伏电抗器，最后连接到35千伏母线接入这个系统。这样的一个系统它的占地非常小，长宽大约是65米×55米这样的一个面积，可以达到一个更紧凑的状态。对于它的安全设计我们是这么考虑的，以一个5兆瓦10兆瓦时这样的一个储能系统为例，像这样的一个系统，我们使用280安时的电芯，风能的系统我们是一并16串的PACK，18个PACK成一个簇，每一相有14级单元串联，最后一共是三相有42级单元，也就是42簇电池配42级单元，这种配置也是非常灵活，可以进行一个容量的超配来达到更大的容量。最后可以直接输出10千伏电压，直接接入我们的10千伏母线，而且这个系统里面它是没有电芯的并联，所有的电芯都是串联配置的，每一簇电池容量只有200多千瓦时，这样单簇电池的容量比较小，它的保护也能做到更加优良，可以进行一个相关的保护，可以对电芯进行一个有效的充放，可以达到对电池容量的有效利用，完全的对这些电芯进行一个充放的控制，这是它的一个安全设计方面的一些特点。

刚才介绍了我们的安全考虑理念就是把并联在一起的大量直流电池进行一个解耦，解耦以后单个电芯的单个电池簇的容量降到了250千瓦时，与原来并在一起的几兆瓦时的电池堆的容量相比降低到1/10，降低它的容量以后，大大减小了单个电池簇，也就是单个电池堆它的一个短路电流，而且控制起来也更加容易。当发生故障的时候，它的故障范围也非常小，在日后进行一个维护更换也更加方便。充放控制也是可以对单簇电芯进行一个独立的充放，我们200多千瓦时的电芯都是串联在一起的，一台PCS对这些电芯都是一个串联进行一个充电或者放电的过程，每一个电芯它的充放电的电流都完全一致，而且可以严格控制在额定的倍率以下。如果是并联的系统，它的充/放电流会受到内阻的影响，电芯的内阻小，它的充电电流可能会就偏大，所以有部分电芯在充电的过程中，有可能会超过它的额定倍率进行一个充放。在单电芯这种控制的条件下，它的充放电电流是可以做到完全一致的，而且是可以严格控制在我们需要的一个电流值上。在这种情况下，所有电芯的运行一致性非常好，SOC的差值也可以做得很小，所以我们能够最大程度的利用电芯的容量。在交流侧安装相同电池的情况下，我们可以达到更大的一个输出，如果说我们是输出相同的一个容量的情况下，我们也可以使用较少的电芯，这样可以降低用户的一个初始投资。

下图展示的就是我们这种分组控制以后电池的充放电的一个状态。当电池充满以后是保持在92%这样的一个SOC状态。电池完全充满了以后，所有电池簇的SOC值都是91%-92%之间，电池簇间的 SOC差异小于2%，它是一个非常均衡的状态。放电也是一样，当电芯完全放电以后都能保持在1%左右，它的充放一致性可以达到一个非常好的效果，对电芯的容量利用也可以达到更高。在它的全生命周期里边，由于我们这种充放的独立控制，它不存在着短板效应，也不存在着局部过充的这种电芯，不会由短板效应的容量影响整个电池堆寿命的这种情况出现，所以在级联型的这种多单元控制的条件下，它的整个系统寿命与单个电芯的容量衰减曲线是基本保持一致的。如果是低压的这种并联型式，它的容量衰减曲线是相对比较快，而我们这种高压级联的方式，它通过对电芯的这种均衡控制，能够使系统保持与电芯相同的一个衰减速度，这样整个生命周期内它的运行效率也可以达到更高，可以得到更高的一个经济性。

在百兆瓦级别的电站里边，高压级联的这种方案，由于单机容量大，PCS的台数非常少，接入点的数量也大幅减少。适合于组建于我们这种百兆瓦级的电站。我们与常规的电站进行一个对比，如果是用2.5兆瓦的这样的一个单元，需要40台2.5兆瓦的单元才能组成一个百兆瓦的电站。而高压级联的这种方式，我们用20兆瓦40兆瓦时的高压级联直挂方案，只需要5台就可以组成一个35千伏的这种100兆瓦200兆瓦时的电站，它的台数是大量减少，它的控制层级也会减少，可以从调度指令直接到EMS，直接到PCS的进行一个控制，所以说它的响应时间也非常的快。

这边是我们在一台4.5兆瓦的这种储能PCS的工况转换的一个响应时间，它从零功率运行到满功率放电，以及从满充电到满放电的这些状态，中间的转换时间都只有1.5毫秒到2毫秒之间，系统的转换速度是非常快，可以实现一个快速的频率支撑。对于电网的这种并网、孤网以及无扰的切换运行是非常有利的，也能够更大程度上对电网进行一个有效的支撑。

大容量高压级联电站的另一个优点就是运行效率特别高，长期运行效率可以比常规的低压储能系统提高4%-10%，电站的长期运行的综合效率能达到90%左右，主要是由于第一它没有升压变压器，不存在变压器的损耗，一个充放的循环可以提高2%以上的效率，因为变压器在长期待机的运行过程中也有一定的损耗。第二就是它的输出是一个非常完美的正弦波，不需要大量的滤波装置，同时它是一个多电平的输出，它输出的这种波形非常接近正弦波，而且它可以做到开关频率降到比较低，这个时候能够有效的降低开关损耗。最重要的一点就是它是高压输出，内部的电流比较小，就可以做到内部的各种损耗都比较低，因为损耗是和电流的平方成正比，所以在各个方面的优势加持下，与容量相同低压系统相比，高压级联系统的效率可以提高4%-10%以上。

下面是我们的案例对比，我们在四个储能电站里面有一个站使用的是我们的高压级联的这种储能装置，它的长期运行效率可以达到89%，接近90%。与它同期投运的其他几个储能电站采用常规的1000伏PCS的方案，以及采用1500PCS的方案，运行效率最高的大约是84%，它比高压级联的方式要低5个百分点。对于电池的超配比也有一个明显的区别，这几个电站输出相同电量的时候，这种高压级联站的电池安装容量只超配16%，而其他几个电站由于充放电效率相对比较低，而且电池的利用率相对比较低，它的超配比都在20%以上，明显要高于高压级联的这种方式。

后面我再跟大家分享一下我们这些大容量储能相关的应用情况，一些检测报告以及高低压的相关测试结果，都能达到一个非常有优秀的技术状态。实际应用的时候我们也有很多相关的应用案例，在用户测的项目中，由于高压级联系统的运行效率高，电池的容量利用率高，所以项目的经济性比较好，项目的回收周期短，能够更加有效的加快项目的落地。同时它的无扰切换可以支持更多的一个运行方式。我们在广州的某个芯片厂，它的供电可靠性项目里面也配套了这种高压级联的储能系统，可以实现复合的无扰切换以及供电的一个可靠切换效果。同时它也支持在正常运行的时候进行削峰填谷、分时电价套利以及多种运行模式，能够得到更有效的一个利用。在电网侧的场景里边，我们这种高压级联的系统，它由于容量大，响应速度快，可以更有效的支撑电网，用于电网的调峰调频，优化新能源的传输和消纳，优化这种电网的售电端的这种安全功率，提供频率支撑以及应对各种电网的安全事故。

在发电侧的场景里边，由于我们这种高压直连的这种PCS响应速度非常快，同时单机的容量比较大，更能有效的在这种调频应用的场景里面得到一个相关的应用，所以我们在调频的这种系统里面应用得非常多，我们目前做的最大的1C火电调频系统可以做到60MW/60MWH，应用于百万千瓦的这种机组。

在新能源的应用场景里边，我们这种高压级联的大容量储能系统能够更有效的改善新能源的出力平衡，改善新能源电站的容量可信度，以及提高系统对新能源的消纳能力，在我们的西北以及各个新能源场站都有很广泛的一个应用。在当前百兆瓦乃至吉瓦时的大规模储能电站的应用需求下，对我们的储能系统单机也提出了更高的需求。从目前大容量的储能系统的发展趋势来看，是要求的更高的电压，更大的功率，更长的寿命以及更高的效率，这成为储能系统的一个发展的主要趋势。相对于目前我们应用的比较多的低压集中式的这种储能系统来说，新的大容量的高压级联系统能够得到更高的一个输出功率，更高的效率以及更安全充放的这种控制，在吉瓦时级别的电站里得到更广泛的应用。

以上就是我跟大家分享的内容，谢谢大家！