儲能市場概況以及系統(tǒng)設計框架

儲能系統(tǒng) (Energy storage system)是一種能夠存儲能量并在需要時釋放的裝置。它可以將電能、機械能、化學能等各種形式的能量通過特定技術儲存起來，待需要時再轉換為其他形式的能量供給使用，對實現能源的有效利用、提高能源利用效率等具有重要意義。儲能系統(tǒng)有多種類型，常見的包括機械儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，利用機械運動或重力勢能來存儲電能；電化學儲能，像鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池等，通過電池或電容器等器件存儲電能；電磁儲能，利用磁場或感應線圈存儲電能；熱儲能，借助熱量或相變材料存儲電能；化學儲能，以化學反應或合成燃料來存儲電能。

儲能系統(tǒng)的工作原理主要是在電網供電能力充足時充電，將電能轉化為可存儲的形式，在需要時通過放電將儲存的能量轉化為電能輸出到電力系統(tǒng)中，以滿足負荷需求，幫助電力系統(tǒng)維持穩(wěn)定運行。總之，儲能系統(tǒng)對保障能源供應的穩(wěn)定性等有著關鍵作用。本文將重點介紹儲能市場概況以及系統(tǒng)設計框架。

系統(tǒng)目標

儲能系統(tǒng) (ESS) 是一個被廣泛研究的應用領域，它能將源自煤電、核電、風電和光伏發(fā)電等多種發(fā)電方式所產生的電力，以多種方式進行有效存儲。例如電化學儲能（電池）、機械儲能（壓縮空氣）、熱儲能（熔鹽）等。在本指南中，我們將重點關注與光伏逆變器系統(tǒng)相連接的電池儲能系統(tǒng)。

電池儲能系統(tǒng) (BESS) 在住宅和商業(yè)場景中均有廣泛應用。在住宅應用中，BESS作為一種備用電源，可以防止意外停電，并通過將電能從低價時段轉移至高價時段來節(jié)省電費開支。在更大規(guī)模的商業(yè)應用中，BESS能夠高效地存儲并管理由光伏逆變器產生的免費清潔能源，從而實現低碳排放。BESS另一個主要應用是能夠減輕電動汽車充電需求增長對電網帶來的壓力。

鋰離子電池作為電化學儲能系統(tǒng)的主要組成部分，具有功率/能量密度高、循環(huán)效率高、體積小、易于擴展等特點。鋰離子電池技術經過三十多年商業(yè)化發(fā)展的積淀，相對成熟，已成為一種可靠且低成本的解決方案?？梢哉f，鋰離子電池成本的持續(xù)下降有力地推動了儲能行業(yè)的發(fā)展。

市場信息與展望

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不斷增長的電池儲能系統(tǒng)需求

根據《2023年世界能源展望》，全球能源模型既定政策情景 (Stated Policies Scenario) 顯示，電池儲能的總容量將從2022年的45太瓦時 (TWh) 增長至2030年的552太瓦時，復合年增長率 (CAGR) 達37%。

另一方面，據彭博新能源財經 (Bloomberg NEF) 的數據顯示，鋰離子電池單體的價格已經降至歷史最低點，每千瓦時為107美元，相比2013年的535美元/千瓦時降低了約80%，這在很大程度上推動了電池儲能系統(tǒng)市場的發(fā)展。同時，可再生能源帶來的積極影響也不可忽視，國際能源署 (IEA) 預測，到2030年將新增超過800吉瓦 (GW) 光伏基礎設施。

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更高的功率和電壓

大功率充電器通常用于商業(yè)場合，電池儲能系統(tǒng)通常與光伏逆變器系統(tǒng)配合使用。目前，額定電壓為1500V的光伏逆變器已進入批量生產并投入使用。因此，功率轉換系統(tǒng) (PCS) 的直流電壓也需要提升到相同水平。在大功率轉換應用中，如光伏逆變器和電動汽車直流充電樁，高壓是一個明顯的趨勢，因為高壓可以在相同輸出功率下帶來更低的電流，減少系統(tǒng)損耗和電纜直徑。然而，高壓系統(tǒng)也對元器件提出了挑戰(zhàn)。在1500V系統(tǒng)中，一般首選多電平電路中額定電壓為 1200 V 的功率器件，或兩電平拓撲結構中額定電壓為 2000 V 的碳化硅 MOSFET。此外，必須仔細考慮由更高電壓和更大功率引起的安全和電磁干擾問題。

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分布式系統(tǒng)和智能系統(tǒng)

一、分布式儲能系統(tǒng)

分布式儲能系統(tǒng)是將多個分散布置的儲能單元通過軟件平臺進行統(tǒng)一協(xié)調與管理的綜合系統(tǒng)，廣泛應用于中低壓配電網、微電網及用戶側。其核心優(yōu)勢在于接入位置靈活，可部署于工業(yè)園區(qū)、商業(yè)樓宇、新能源電站等不同場景，實現電能的就地存儲與高效利用。該系統(tǒng)具備多項關鍵功能：首先，可實現跨區(qū)域就地儲能系統(tǒng)的集中監(jiān)控與管理，提升運維效率；其次，支持多種運行策略模式，如峰谷套利、需量管理、平滑出力等，滿足不同用戶需求；再次，多個獨立儲能站可通過虛擬聚合形成“虛擬電廠”，實現資源的統(tǒng)一調度與優(yōu)化配置；同時，系統(tǒng)支持Web端與移動端訪問，具備本地與云端雙模數據存儲能力，保障數據安全與遠程可控性。

在電力系統(tǒng)中，分布式儲能廣泛參與“削峰填谷”——在用電低谷時充電、高峰時放電，有效緩解電網調峰壓力，延緩輸配電設施擴容升級。尤其在光伏、風電等可再生能源滲透率不斷提升的背景下，分布式儲能還能平抑電源波動，提升電網運行的穩(wěn)定性與靈活性。

二、智能儲能系統(tǒng)

智能儲能系統(tǒng)是在分布式基礎上深度融合物聯(lián)網、大數據、人工智能與邊緣計算技術的先進儲能形態(tài)，具備自感知、自學習、自決策與自適應能力，是未來儲能發(fā)展的核心方向。該系統(tǒng)通過部署大量傳感器與智能網關，實時采集電壓、電流、溫度、充放電狀態(tài)等運行數據，并結合氣象預測、電價信號、負荷曲線等外部信息，構建儲能運行“數字孿生”模型?；贏I算法，系統(tǒng)可動態(tài)優(yōu)化充放電策略，實現經濟運行最大化。例如，在分時電價機制下，自動選擇最低電價時段充電、最高電價時段放電；在參與電力市場輔助服務時，智能響應調度指令，提供調頻、備用等服務。

此外，智能系統(tǒng)具備故障預警與健康管理功能，能提前識別電池老化、熱失控等風險，提升系統(tǒng)安全性與壽命。通過與能源管理系統(tǒng)（EMS）、微電網控制系統(tǒng)聯(lián)動，實現“源-網-荷-儲”協(xié)同優(yōu)化，推動能源系統(tǒng)向數字化、智慧化轉型。

未來，隨著5G、區(qū)塊鏈與云邊協(xié)同技術的發(fā)展，智能儲能系統(tǒng)將實現更高效的分布式協(xié)同控制與去中心化交易，成為構建新型電力系統(tǒng)與“雙碳”目標實現的關鍵支撐。

集中式與分布式解決方案

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電池儲能系統(tǒng)和光伏逆變器系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)集成

直流充電站的發(fā)展給當地電網帶來了挑戰(zhàn)。潛在的問題包括大量充電設備同時運行對電網的影響、低功率因數設備或空載設備對電網造成的諧波影響，以及當地變壓器容量的限制。在商業(yè)案例中，連接光伏逆變器系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)變得至關重要。光伏逆變器可以與電網分擔部分電力負荷，電池儲能系統(tǒng)更為關鍵，它可以減少對電網的影響，實現能源套利，降低用戶成本。住宅用電池儲能系統(tǒng)還有助于減少高峰期電力需求，從而為家庭節(jié)約成本。另一個特點是，住宅電池儲能系統(tǒng)可作為備用電源，在電網發(fā)生故障時提供應急電力。

系統(tǒng)實現

系統(tǒng)描述

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構建電池儲能系統(tǒng)的四個要素

電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電力轉換系統(tǒng)（PCS）和能量管理系統(tǒng)（EMS）是電池儲能系統(tǒng)的四大核心組成部分。電池組是核心儲能單元，由多個電池串并聯(lián)構成，負責電能與化學能的轉換。BMS作為“大腦”，實時監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等參數，管理荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)及充放電保護，實現電池均衡，保障安全與壽命。PCS實現電能雙向轉換，將電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵?，或把交流電整流為直流電充電，支持并網與離網運行，具備調頻、調壓功能。EMS是系統(tǒng)“中樞神經”，綜合分析運行數據、負荷需求與電價信息，制定最優(yōu)充放電策略，實現能量優(yōu)化調度，并可參與電力市場輔助服務。四者協(xié)同工作，使系統(tǒng)具備調頻、削峰填谷、平滑新能源出力等功能，廣泛應用于電網、工商業(yè)及微網場景，有效提升能源利用效率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐。

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交流耦合系統(tǒng)和直流耦合系統(tǒng)

電池儲能系統(tǒng)目前分為兩類，即交流耦合系統(tǒng)和直流耦合系統(tǒng)。交流耦合電池儲能系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，可以添加到現有的光伏/發(fā)電系統(tǒng)/電網中，因此易于升級。然而，它需要額外的功率轉換級來實現完全充/放電，因此損耗較高。另一方面，直流耦合系統(tǒng)可通過連接到直流母線以提供額外的儲能能力，通常用于住宅混合光伏逆變器。它只涉及一個DC-DC轉換步驟，因為直流母線電壓通常較高，可能會帶來安全或改裝方面的挑戰(zhàn)，需要在產品設計時提前做出考慮。

交流耦合系統(tǒng)

直流耦合系統(tǒng)

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雙向運行

電池儲能系統(tǒng)的功率轉換級需要雙向運行，這一功能主要由三相逆變器實現。在充電時，三相逆變器工作于整流模式，將電網的三相交流電轉換為直流電，為電池組充電；在放電時，它則作為逆變器運行，將電池輸出的直流電轉換為三相交流電，饋入電網或供給負載。這種雙向能量流動能力，使儲能系統(tǒng)能靈活參與調峰、調頻和應急供電。三相逆變器采用PWM控制技術，輸出高品質正弦波，確保電能質量符合并網標準。其高效率、高可靠性的設計，配合智能控制策略，可實現毫秒級響應，提升系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定性，是儲能系統(tǒng)與電網能量交互的核心樞紐。

AC/DC逆變器：效率可能相對較低，尤其是在高功率轉換時，能量損耗會相對較大。其性能在電能質量和穩(wěn)定性方面可能不如三相逆變器，但在一些對性能要求不高的應用場景中，仍然可以滿足基本需求。

總之，三相逆變器和AC/DC逆變器在電池儲能系統(tǒng)中都有各自的應用場景和特點。在選擇合適的逆變器時，需要根據具體的應用需求、功率要求、電能質量要求和預算等因素進行綜合考慮。

來源：網絡

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