中國儲能網(wǎng)訊：
打造能源革命發(fā)展新質“引擎”
電化學儲能“華能方案”演進與展望
“十四五”以來，新型儲能快速發(fā)展，有力支撐了我國能源綠色低碳轉型和經(jīng)濟社會高質量發(fā)展。2025年9月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)《新型儲能規(guī)?；ㄔO專項行動方案（2025～2027年）》，明確到2027年全國新型儲能裝機達到1.8億千瓦以上，帶動直接投資約2500億元，且技術路線仍將以鋰離子電池儲能為主。
圍繞碳中和及新型電力系統(tǒng)建設需求，清能院儲能技術部深耕電化學儲能技術十余年，持續(xù)推進電化學儲能技術革新，構建了大規(guī)模智能分散式電池儲能技術體系，顯著提升了電池儲能系統(tǒng)的可用容量、綜合效率及安全性，引領了行業(yè)發(fā)展。
作為國內率先進行大規(guī)模儲能電站建設的央企單位之一，清能院早在2022年就已躋身國內儲能集成商頭部陣列，在國內儲能系統(tǒng)出貨量排名第7。截至2025年9月，院電化學儲能關鍵技術成果轉化業(yè)績已達8吉瓦時。
本文系統(tǒng)梳理清能院儲能技術研發(fā)與工程實踐經(jīng)驗，聚焦系統(tǒng)架構、控制策略與安全管理等核心技術創(chuàng)新，展望未來發(fā)展趨勢，以期為行業(yè)高質量發(fā)展貢獻華能智慧。
一、儲能系統(tǒng)架構
電化學儲能系統(tǒng)的電氣架構對系統(tǒng)的充放電控制顆粒度、效率、可用容量及可靠性等關鍵指標具有重要影響。目前，主流的儲能系統(tǒng)架構包括集中式、分散式以及高壓直掛儲能技術。清能院通過持續(xù)創(chuàng)新，推動儲能架構從粗放式集中管理向精細化分散控制演進，最終邁向高壓直掛式先進拓撲。
（一）集中式儲能架構
傳統(tǒng)集中式儲能系統(tǒng)一般將多個電池簇并聯(lián)匯流，通過兆瓦級儲能變流器（PCS）進行集中式能量處理。這種儲能架構的拓撲結構簡單，PCS單機功率相對較大，初期設備成本較低。但將大量電池簇直接并聯(lián)的粗放式能量管理會引發(fā)“木桶效應”、簇間環(huán)流等固有缺陷，導致系統(tǒng)可用容量降低，故障易擴散，制約大規(guī)模應用安全性與經(jīng)濟性。
（二）分散式儲能架構
為攻克集中式儲能架構固有的技術瓶頸，清能院立足自主創(chuàng)新，構建了國際先進的分散式電池儲能技術體系。以分散化、模塊化為核心設計理念，通過簇級精細化能量管理，顯著提升了大容量儲能系統(tǒng)的可用容量、綜合效率、運行安全性及循環(huán)壽命。
清能院于2017年申請專利“一種光伏電站用直流側分布式儲能系統(tǒng)”，首次將分散化、模塊化理念應用于光伏配套儲能。
2018年，進一步通過專利“一種電池儲能系統(tǒng)架構”，在行業(yè)內首次明確提出“一簇一管理”的兩級功率變換分散式架構，從拓撲結構上根本性消除簇間環(huán)流。
此后，清能院優(yōu)化提出單級變換架構專利，實現(xiàn)每個電池簇經(jīng)獨立小功率PCS處理能量，在保留精細控制優(yōu)勢的同時進一步提升效率和經(jīng)濟性。目前該架構已成為儲能領域的主流應用架構。
圖1 單級功率變換的分散式電池儲能系統(tǒng)架構
相較于集中式儲能，分散式儲能的核心優(yōu)勢在于實現(xiàn)了簇級獨立控制，徹底解決了并聯(lián)環(huán)流、“木桶效應”等痛點。系統(tǒng)對電池一致性要求降低，兼容性更強，運維操作得以簡化，在容量可用率、循環(huán)壽命及整體安全性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，技術指標達到國際先進水平。
某省2021年同期建成的兩座百兆瓦級儲能電站規(guī)模均為100兆瓦/200兆瓦時，均采用同品牌280安時電池，但分別采用了分散式與集中式技術。經(jīng)過近兩年半的運行后，分散式電站的可用容量比例仍高出集中式5個百分點，凸顯了分散式技術高可用容量的優(yōu)勢。對比情況如表1所示。
表1 兩種技術路線的儲能電站可用容量情況
由實測結果可知，分散式電站電池簇荷電狀態(tài)（SOC）最大不平衡度為4.2%，遠低于集中式電站的27%，表明分散式技術能通過簇間均衡控制有效維持SOC一致，使系統(tǒng)可用容量顯著優(yōu)于集中式方案。
在電池簇電流分布情況上，分散式電站中各電池簇電流分布均衡，而集中式電站則差異顯著，尤其在充放電始末階段。這種不均衡會導致簇間功率分配不均，加速電池老化和系統(tǒng)容量衰減。
清能院還自主研發(fā)了分散式儲能專用的電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）和模塊化PCS等關鍵設備，先后建成全球首座百兆瓦級分散式獨立儲能電站、全球首座百兆瓦級分散控制構網(wǎng)型儲能電站、國內容量最大的單層站房式儲能電站等多項標桿工程，彰顯了清能院在行業(yè)技術發(fā)展中的引領地位。
（三）高壓直掛式儲能架構
盡管分散式儲能有效解決了環(huán)流與“木桶效應”等問題，但在面向吉瓦時級超大規(guī)模儲能電站建設時，仍面臨單機容量有限、系統(tǒng)集成復雜度高、依賴工頻變壓器導致效率與穩(wěn)定性受限、散熱與防護矛盾突出等挑戰(zhàn)。
為突破上述瓶頸，清能院于2021年成功牽頭研制全球單機容量最大的35千伏/25兆瓦高壓直掛儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用級聯(lián)H橋變換器拓撲，實現(xiàn)電池簇經(jīng)功率單元逆變后串聯(lián)形成高壓，直接掛接35千伏電網(wǎng)，省去工頻變壓器環(huán)節(jié)。此舉在顯著提升單機容量、系統(tǒng)效率及響應速度的同時，延續(xù)了分散式架構對電池簇的精細化管理優(yōu)勢。
圖2 高壓直掛儲能系統(tǒng)架構
2023年，該技術示范應用于北方上都風電基地儲能項目一期，實測充放電效率達91.85%，較低壓儲能系統(tǒng)提升約4個百分點。2024年，在青海海南州建成全球海拔最高（3000米）、規(guī)模最大（600兆瓦時）的高壓直掛儲能電站，標志著該技術進入大規(guī)模應用階段。2024年6月，經(jīng)中國電機工程學會鑒定，認為“35千伏/25兆瓦高壓直掛電池儲能系統(tǒng)”成果達到國際領先水平。
二、構網(wǎng)型儲能
隨著新能源與電力電子設備滲透率持續(xù)提升，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)慣性降低、強度減弱的趨勢，電網(wǎng)穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。構網(wǎng)型儲能可模擬同步發(fā)電機的外特性，具備自主構建電壓和頻率的能力，可主動支撐電網(wǎng)電壓與頻率，提升系統(tǒng)慣量與短路容量，成為增強高比例新能源電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性的關鍵手段。
清能院持續(xù)深入構網(wǎng)型儲能技術研發(fā)，先后成功研制構網(wǎng)型模塊化PCS和自適應主動支撐型高壓直掛儲能系統(tǒng)，牽頭發(fā)布了《構網(wǎng)型儲能變流器技術規(guī)范》團體標準。
傳統(tǒng)低壓儲能受限于PCS單機容量小，在構網(wǎng)運行時需協(xié)調數(shù)百臺電壓源型PCS實現(xiàn)毫秒級協(xié)同控制，技術難度極大。而高壓直掛儲能單機容量可突破20兆瓦，百兆瓦級電站僅需數(shù)套系統(tǒng)即可構建，極大簡化了整站控制架構，顯著提升了系統(tǒng)響應速度和可靠性。憑借與主電網(wǎng)電氣距離更近、響應速度快、控制穩(wěn)定、無需變壓器等優(yōu)勢，高壓直掛儲能高度契合新型電力系統(tǒng)對高功率、快速主動支撐的構網(wǎng)儲能需求，有望成為構網(wǎng)型儲能的主要發(fā)展方向。
三、儲能系統(tǒng)安全
（一）消防安全
電池熱失控風險是儲能行業(yè)的共性挑戰(zhàn)。為抑制熱失控蔓延，電站普遍配備專用消防系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)氣體滅火劑如七氟丙烷、全氟己酮存在降溫效果差、抗復燃能力弱等問題；液氮雖可快速降溫和隔絕氧氣，存在泄露、成本高、部署復雜等缺點；水基滅火劑雖具備高效降溫、環(huán)保與經(jīng)濟性優(yōu)點，卻受限于絕緣性能較差。
針對以上痛點，清能院自主研發(fā)了壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過生成低含水量的氣液兩相滅火介質，有效融合氣體與液體滅火優(yōu)勢，可實現(xiàn)秒級滅火、快速降溫，并能保證12小時以上持續(xù)抗復燃。該系統(tǒng)所產(chǎn)泡沫電導率極低，對電池電學性能無影響，從根本上避免了因絕緣問題引發(fā)的二次電氣事故。
圖3 壓縮空氣泡沫滅火降溫效果及絕緣安全性實驗
清能院壓縮空氣泡沫滅火技術已在萊蕪、上都等多個儲能電站推廣應用，并于2024年獲工信部能源電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大賽新型儲能賽道一等獎。未來，儲能消防將朝著高效降溫、長時抑燃、安全環(huán)保的水基消防方向持續(xù)發(fā)展。
（二）儲能熱管理系統(tǒng)
隨著電池儲能系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大，熱管理已成為保障其安全穩(wěn)定運行的關鍵。電池在充放電過程中產(chǎn)生大量熱量，若不能及時均勻導出，易導致局部過熱，引發(fā)熱失控甚至火災，同時散熱不均還會造成電池間溫度差異，產(chǎn)生“短板效應”，嚴重影響系統(tǒng)整體性能與壽命。
當前熱管理主要面臨兩大挑戰(zhàn)：系統(tǒng)功率密度高、布局緊密，散熱空間有限；電網(wǎng)調頻等高倍率應用對散熱效率要求極為嚴苛。
風冷技術因結構簡單、成本低曾得到廣泛應用，但其換熱效率低、均溫性差，市場份額已顯著萎縮。液冷技術憑借更高的換熱效率和可靠性已成為當前主流方案，普遍采用底板液冷方式，通過冷卻液循環(huán)帶走熱量，但其主要對電池底面散熱，難以保證電池內部溫度均勻性。
浸沒式冷卻是一種直接液冷方案，將電池直接浸沒在絕緣且高導熱的冷卻液中，實現(xiàn)電池全表面與冷卻液連續(xù)直接接觸和持續(xù)散熱，有效提升了散熱均勻性。隨著其可靠性和經(jīng)濟性顯著提升，浸沒式冷卻成為下一代電池熱管理主流技術并實現(xiàn)大規(guī)模應用。
（三）運維安全——儲能智慧運維
清能院持續(xù)推進儲能數(shù)字化轉型，通過深化大數(shù)據(jù)挖掘與應用，有效提升電化學儲能系統(tǒng)安全性與運行效率，并助力商業(yè)模式創(chuàng)新。2021年，建成大型群組電池儲能電站智慧運維系統(tǒng)，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測與智能預警，接入規(guī)模達725兆瓦時。2023年，“GWh級儲能電站海量數(shù)據(jù)邊緣計算與云邊協(xié)同智能管理系統(tǒng)”49項核心功能通過中國合格評定國家認可委員會（CNAS）、中國計量（CMA）認證，其電化學儲能智慧運維系統(tǒng)獲“整體國際領先水平”鑒定，并入選華能首臺（套）重大技術裝備。2024年，系統(tǒng)完成升級迭代，新增設備健康分析、超溫預警與一致性優(yōu)化等功能，進一步提升電站可靠性與經(jīng)濟性。2025年，“電池儲能電站火災智能預警關鍵技術研究與應用”再獲“國際領先水平”鑒定。未來，儲能數(shù)字化將深度融合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，實現(xiàn)全生命周期智能管理，持續(xù)提升運營效率與經(jīng)濟效益。
四、儲能核心設備的國產(chǎn)化
為應對儲能關鍵設備核心芯片及器件長期依賴進口的“卡脖子”風險，清能院積極履行央企責任，著力提升設備國產(chǎn)化率，保障產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全。通過持續(xù)推進國產(chǎn)元器件的性能測試與應用研究，成功研發(fā)出基于國產(chǎn)芯片的“3S”（BMS、PCS、EMS）一體化系統(tǒng)，構建起自主可控的儲能系統(tǒng)國產(chǎn)化方案。
在BMS方面，清能院實現(xiàn)了從控核心采樣模擬前端芯片（AFE）、主控微控制器（MCU）至總控中央處理器（CPU）的全國產(chǎn)化替代，完全滿足儲能系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理、通信和控制的各項需求。其開發(fā)的“巧歷”智能EMS，基于國產(chǎn)海光、飛騰等處理器平臺及Linux系統(tǒng)，具備海量數(shù)據(jù)處理、分時分區(qū)動態(tài)控制、邊緣計算和電站全景分析優(yōu)化等先進功能。此外，在PCS功率半導體器件與控制芯片的國產(chǎn)化替代研究方面已取得階段性進展。
五、先進儲能電池
為應對鋰資源供需波動與供應鏈安全挑戰(zhàn)，發(fā)展多元化先進儲能電池技術，形成對鋰離子電池的有效補充，已成為行業(yè)重要方向。鈉離子電池因其工作原理與鋰離子電池相近，在發(fā)揮建設周期短、選址靈活等優(yōu)勢的同時，更具資源儲量豐富、低溫性能優(yōu)異、安全性高等特點，被視為當前最具前景的替代路線。
在鈉電方面布局上，清能院首創(chuàng)高壓直掛鈉離子電池儲能系統(tǒng)集成技術，系統(tǒng)綜合能量效率較低壓方案提升約3%，處于行業(yè)領先水平。清能院將建成國內首個50MWh級高壓直掛鋰鈉混合儲能系統(tǒng)（其中鈉離子電池容量為20MWh），具有重要的示范意義。
隨著我國新型儲能裝機規(guī)模持續(xù)快速提升，電化學儲能作為構建新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐，正朝著高能量密度、精細化控制、智能化管理、高安全可靠的方向加速演進。面向未來吉瓦時級超大規(guī)模儲能電站的建設需求，系統(tǒng)架構、熱管理、消防預警與智慧運維等環(huán)節(jié)仍存在優(yōu)化空間。
十余年來，清能院堅持自主創(chuàng)新，在國內率先布局電化學儲能技術研發(fā)，逐步構建起覆蓋儲能電站、智慧運維、檢測認證及換電重卡等多維業(yè)務的技術體系。先后突破分散式控制、構網(wǎng)型儲能、高壓直掛架構、儲能安全消防等關鍵技術，先后建設引領行業(yè)技術發(fā)展方向的標桿性儲能電站。
立足新起點，清能院愿與各界攜手，在國家和集團戰(zhàn)略引領下，共同推進電化學儲能技術迭代與產(chǎn)業(yè)協(xié)同，為構建新型能源體系、保障國家能源安全持續(xù)貢獻“華能方案”。
