先进的高压级联型电化学储能技术简介

级联型储能技术简介

广州智光储能科技有限公司

2019年01月

目 录

1. 传统电池储能的技术痛点 (3)

2.级联型储能方案减少电池堆电芯数量 (4)

3.级联型储能系统关键技术指标 (4)

4.级联型储能方案提升电池利用率 (5)

5.级联型储能方案降低电池一致性要求 (8)

6.级联型储能方案无滤波即保持高电能质量 (9)

7.级联型储能方案毫秒级全功率切换 (9)

8.级联型储能方案安全保护设计 (13)

9.储能系统布局 (15)

10. 关于智光储能 (16)

1.传统电池储能的技术痛点

传统电池储能电站常以500kW/1000kWh（电池安装容量1200kWh左右）为最小储能单元。每个储能单元配置一台500kW的PCS和一个安装电量1200kWh的电池堆（通过硬导线串/并联连接在一起，共用AC/DC转换设备的电池单体集合），一般设计直流电压为700V左右，交流电压不到400V，须采用变压器升压以后接入大电网。传统储能技术具有技术门槛低，配置灵活等优点，但是同时也存在供应商技术水平参差不齐，电池系统安全问题突出，电池并联数量过多，单套系统容量小等缺点。

图1-1 典型的传统电池储能系统拓扑结构

从在电网侧已经实施的大规模储能项目应用情况看，传统的电池储能方案主要存在以下技术痛点：

1）电池堆内电池单体数量庞大（数千电池单体），单体并联数量多，单体间耦合性强，单体异常时切除电量1MWh以上；

2）电池堆内单体SOC离散程度高，电池容量利用率偏低（1MWh使用容量实际需要1.2MWh以上安装容量）；

3）电池堆体积大（常规40尺集装箱体积约75m3），堆内温度难以保持一致，电池单体衰减速度差异大，SOH离散速度快；

4）堆内电池数量庞大，簇间SOH离散后，“短板效应”突出，电池系统可利用容量衰减快；

5）单系统输出电压低、功率小，变压器和高压开关柜多，系统效率偏低、占地面积较大；

6）电站内储能系统数量大，系统间协调困难，调度响应时间过长，难以满足电网紧急调度使用需求；

深入分析以上痛点可知：电池堆电池单体数量庞大是造成电池问题的根本原因；单系统输出电压低、功率小是造成设备数量庞大，调度响应速度慢的主要原因。因此，需要研究既可以减少电池堆电池单体数量，又可以提高单系统电压和功率的储能技术。

2.级联型储能方案减少电池堆电芯数量

级联型储能系统采用“能量裂解”技术，可以将大电量电池堆和大功率PCS裂解为小电量电池堆和小功率AC/DC功率单元，有效解决传统储能技术存在的技术痛点，更适用于大规模储能应用场景和电池梯次利用的场景。

级联型储能系统采用三相星形连接的级联H桥拓扑结构，可直接输出0.4-35kV三相交流电压，无变压器接入交流电网，单系统输出功率可达10MW以上。10kV级联型储能系统典型拓扑结构如图2-1所示。

图2-1 级联型高压储能系级单元拓扑结构图

由图2-1可知，级联型储能系统由多个储能单元构成，每个储能单元包括1个AC/DC 功率单元和1个独立小电池堆。每个储能单元输出几十至几百伏的交流电压，根据电压叠加原理，理论上足够数量的储能单元串联即可满足任何电压等级的输出要求。众多小功率、小电量的储能单元共同构成一套系统，可满足大功率、大电量的储能应用要求。

以满足5MW/10MWh储能应用为例，对比两种储能技术方案：采用传统储能技术，单套系统容量为500kW/1MWh，电池堆安装容量约1.2MWh，需要10套系统并联（直接并联或经变压器并联）；采用54个储能单元组成的级联型储能系统，可无变压器接入10kV 电网，电池堆安装电量约200kWh（电池堆内单体数量约传统方案的16%），单套系统容量达到5MW/10MWh，无需系统并联。

通过以上分析可知：级联型储能技术既大幅度降低了电池堆电量，减少了电池堆内电池单体数量，又大幅度提高了单套系统容量。

3.级联型储能系统关键技术指标

表3-1 级联型储能系统主要技术指标

项目参数备注

电气技术指标电网侧额定电压10KV

额定频率50 Hz

正常工作频率范围48-51.5 Hz

额定功率2-10MW

电网侧额定电流115-600A

额定电量2-10MWh

拓扑结构H桥级联式

直流侧电压范围550-1051 V

总电流波形畸变率（THDi）＜1%

总电压波形畸变率（THDv）＜3%

功率响应时间<10 ms 功率变化率可设置PCS最佳转换效率> 97.5%

控制模式就地调度模式有功/无功独立可控

远程调度模式有功/无功独立可控

自主运行模式P/f，Q/V曲线可配置自主支撑电压/频率通信类型RS232/RS485 预设电力规约转换器

结构特征防护等级IP54 可定制颜色RAL7035 可定制冷却方式空调

安装方式户外集装箱

环境条件环境温度-10℃～+45℃

相对湿度10%～90%，无凝露

海拔高度1000米以内可定制高原型系统

4.级联型储能方案提升电池利用率

传统设计方案下，单电池堆实际运行能力由堆内可用容量最小的电芯决定。表4-1对传统方案进行分析的结果表明：簇内SOC偏差不超过5.5%，簇间SOC偏差变化不超过3%的情况下，全系统有17.5%的电池容量不可利用，即实际利用容量仅82.5%，电芯间耦合

性非常强。传统设计方案下，电池安装容量一般均为使用容量的1.2倍以上，因此以上假定情况接近实际情况。

表4-1 共电池堆设计方案利用容量分析表

级联型储能系统在保持系统总输出电压和功率不变的情况下，各功率单元输出电压和功率可独立调节，因此可根据各电池堆SOC值灵活分配系统内各电池堆的运行功率。

级联型储能系统各电池堆（簇）的运行功率不同，虽然电池堆（簇）实际运行能力仍由堆（簇）内可用空间最差的电芯决定，但是由于电池簇不再并联，各电池簇运行功率独立调节，整个系统的不可利用容量为各簇不可利用容量的平均值。表4-2对级联型设计方案进行分析的结果表明：簇内SOC偏差不超过5.5%，簇间SOC偏差变化不超过3%的情况下，有5.5%的电池容量闲置，即实际利用容量提升至94.5%，比传统方案高出12%。

表4-2 级联型设计方案利用容量分析表

由于电池寿命周期内，SOH发生离散是必然的。与以上电池SOC发生离散时类似，当电池SOH发生离散时，根据各电池堆的SOH调节其运行功率，同样可以大幅提升电池的利