大型储能项目的技术难点有哪些？

（文/程文智）近年来，储能项目成为了市场关注的热点，特别是2017年后，装机量迅速提高。今年内上半年，我国各省公布的大中型储能项目备案的项目已经接近60GWh；2021 年美国储能总装机量约6.8GWh，预计至2022 年底将达12GWh，预计同比增长77%，其中预计今年的新增装机量为5.4GWh；欧洲2021年底，电化学储能装机量达3.3GWh，今年预计可达4.7WGh。
 
储能项目装机量的快速提升，其发展趋势正在向单个项目容量大型化，逆变器拓扑结构电压等级高压化方向发展。正是因为这个发展趋势，储能项目的安全性显得格外重要，毕竟储能站起火可不是小事情。那么从技术上来看，如何来保障储能站的安全呢？一般来说可以从三个方面着手，即电芯自身安全性、逆变器性能和消防系统。
 
电芯自身安全性

安全性最主要来源于电芯本身。电芯质量好、一致性好，出现故障的概率就小或耐用性强，所以大中型储能项目进行关键设备选择时，一定要采用一线品牌的电芯。
 
电芯类型方面有用三元锂电池的，也有用磷酸铁锂电池的，不过磷酸铁锂电池的占比更高，占了90%以上。据业内人士透露，未来会有更多厂商采用磷酸铁锂电池，因为磷酸铁锂电池的安全性相对来说更高一些。加上锂电池产能扩充得非常快，未来磷酸铁锂电池可能会继续增长到95%，其余5%留给其他类型的电池，比如液流电池、钠离子电池等等。
 
从厂商方面来看，第一梯队有宁德时代、亿纬锂能等厂商；第二梯队有瑞浦能源、中航锂电、海辰新能源等。当然，还有国轩高科、欣旺达、比亚迪等电池厂商也有相关产品。
 
逆变器性能对储能项目安全性的影响

一般来说，逆变器会串联能源管理系统（EMS）与电池管理系统（BMS）来对电池进行保护。其中，EMS为决策环节，逆变器PCS为执行环节，BMS为监控环节。PCS在储能系统中居中，向上与 EMS通讯互动，向下管理 BMS更多的起到保护作用，比如当储能电站与外界的大电网连接，如果大电网出现不利于储能电站的频率或电压波动， PCS会起到保护直流侧电池组的职责，所以 PCS也是安全中特别关键的环节。
 
从难易程度来看，PCS的难度最高。因为电芯的生产过程中需要管理的材料只有三、四十种，而PCS的生产过程种需要调度的配件高达上千种，所以PCS生产的复杂度更高。加上逆变器的生产包括了电力电子、高压电气、控制、芯片等领域，技术壁垒更高。
 
目前大型集中式储能逆变器市场中，上能电气的市占率最高、阳关电源第二、科华数据第三。这三家基本瓜分了100MWh以上储能项目的逆变器市场，合计市占率高达80%。其中，80%，留给其他厂家的空间很少。其中上能电气市占率约40%，优势较大，主要原因可能在于上能电气不开展系统集成业务而阳光电源开展集成业务。上能电气专注于公用逆变器及附属系统，可与市面上所有储能系统集成，包括海博思创、电工时代、宁德下属的时代星云、比亚迪在内均会采购上能的逆变器；而阳光电源的集成业务与其他集成商构成竞争关系，其他集成商可能不会首选阳光电源的逆变器。
 
其次难度的是BMS。BMS涵盖硬件和软件，未来偏向硬件的层面会越来越多。随着储能市场的兴起，这两年国内很多芯片厂商都开始开发BMS相关芯片，未来几年BMS芯片市场可能会出现激烈的竞争。
 

图：电池管理系统发分类和简要框图（来源：创芯微）

 
相对来说，EMS的难度更低一些。因为EMS可以认为是纯粹的软件系统，门槛不是很高，仅需熟悉电网并网标准和运行特性即可。有专家认为，市场上有能力做工控软件的公司几个月就可以获得突破。
 
消防措施保证储能安全

一般来说，锂离子电池生产所需要的材料主要包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜及包装材料等。电池包主要包含电池模组、盖板、防护层、散热系统和电池托盘等。
 

图：电池包结构（来源：琻捷电子）

 
由于锂离子电池结构的特性，如果发生热失控的话，随着温度的上升，最早是隔膜分解，随后电解液、EC等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量的产生。
 
隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的产生，这种累积的互相增强的破坏作用，后果就是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火，甚至爆炸。
 
为了防止储能项目发生起火或者爆炸的事故，可以从PACK级别消防和先进的气体检测技术出发。结合监控稀有气体（比如一氧化碳、甲烷等），可以提前发现隐情并预警。
 
还有一些技术可以监控固定空间的粒子数量，比如部分PACK内连接线缆等被加热升温时粒子数量会急剧上升。这种监控粒子数量的方案比监控从电解液中加热蒸发出来的稀有气体方案能更早知道电池内部的情况，可提前45分钟发出预警。如果将这种技术与 PACK级喷淋消防技术结合，即可解决整个大型储能电站发生严重事故或火灾的问题。因为若消防喷淋全部做到PACK级别，可针对PACK单独喷淋降温，在未发生爆炸前就将其完全冷却，阻断事故蔓延。
 
不过，目前虽然技术可以达到，但成本较高，未来成本将会是技术推行的难点。如果消防可以做到便宜高效，则更可以保障大型储能项目安全，有利于GWh级别的项目推广。
 
结语

现在储能项目很热门，但也有很多技术难点需要行业内企业和专家共同努力，一起解决。