储能技术解析-储能系统解决方案现状及趋势

2021年7月,国家发改委、国家能源局联合印发的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》明确,实现新型储能从商业化初期向规模化发展的转变,到2025年,累计装机规模达3000万千瓦以上。2021年9月,国家能源局发布《新型储能项目管理规范(暂行)》,促进新型储能积极稳妥健康有序发展,支持以新能源为主体的新型电力系统建设。


一、什么是储能


先了解一下储能的基本概念,储能是指通过介质或设备把能量存储起来,在需要时再释放出来的过程。一般讲到储能,主要是指电能的储存。其实储能本身不是新兴的技术,但从产业角度来说却是正处在起步、发展阶段。储能技术是未来能源系统具备柔性、包容性和平衡功能的关键节点。


储能


从应用上看,储能是电力系统中的关键一环,可以应用在“发、输、配、用”任意一个环节。电力即发即用,无法直接存储,配储则可以平滑电力波动性,减少资源浪费。按应用场景可分为用户侧(自发自用、峰谷价差套利),发电侧(可再生能源并网、减少弃光弃风)、电网侧(电力调峰、调频)、输配侧以及辅助服务(5G基站备用电源)等多种用途。


储能应用


二、储能的意义


  • 保证系统稳定,通过储能系统的能量存储和缓冲使得系统即使在负荷迅速波动的情况下仍然能够运行在一个稳定的输出水平。

  • 能量用于备用,储能系统可以在清洁能源发电无法正常运行的情况下起备用和过渡作用。

  • 提高电力品质和可靠性,储能系统还可防止负载上的电压尖峰、电压下跌、外界干扰所引起的电网波动对系统造成大的影响,采用足够多的储能系统可以保证电力输出的品质与可靠性。


储能应用于电力系统,可以弥补电力系统中缺失的储、放功能,是保障清洁能源大规模发展和电网安全经济运行的关键。储能在改变电能生产、输送和使用同步完成的规模,使得实时平衡的刚性电力系统变得更加柔性,特别是在平抑大规模清洁能源发电接入电网带来的波动性方面尤为突出。


三、储能为什么这么火爆


储能本身不是新兴的技术,但是似乎一夜之间储能这个概念就火了?小编认为其根源在于环保。


2020年9月,我国承诺在2030年实现碳达峰、在2060年实现碳中和的目标,西方国家则是在2050年前实现碳中和的减排目标。如今各国都对碳排放达成了共识,并且制定了非常严格的标准。在未来,一个产品能否兴盛,第一要务不是它是否好用,而是是否环保。


碳达峰碳中合


在降碳目标下,电力作为能源转型的中心环节,碳减排的关键领域,电力低碳转型对实现碳达峰和碳中和的目标具有全局意义。火电厂作为碳排放大户,在转型要求之下,就要迎来重大改变,我国目前虽然离不开火力发电,但在中国碳达峰碳中和目标的约束下,停建和减少火电无疑是需要重视的一环。未来发电方式会逐渐向清洁能源的方式靠拢,也就是核电、水电、风电、光伏和生物质发电。


火力发电场


综合清洁能源发电的优势来看,风能和太阳能是取之不尽用之不竭的资源,因此风电和光伏没有燃料成本制约,成为清洁能源电力中增长最快的产业。从装机规模上看,风电和光伏是最有潜力能够替代煤电的电力。但是由于风电和光伏发电不稳定,并网消纳问题,依然是受限制的,这也导致其商业化步伐降低。


新能源发电厂


简而言之,风能和光伏发电有一个关键的弱点——出力不稳定,无法做到随用随发,风能和光伏发电都有“靠天吃饭”的意思,于是“储能”应运而生。储能的出现,将解决发电侧这些弊端问题,储能可以针对风能及光伏发电的随机性、波动性和间接性进行调解,实现风、光、储多方面的出力互补,提高新能源发电的可预测性、可控制性、可调度性,使之达到或接近常规电源,解决新能源安全稳定运行和有效消纳问题。

在新能源替代化石能源的进程中,储能技术可以说是新能源产业革命的核心,储能市场也迎来了爆发式增长,必将导致新能源市场的激烈竞争。


四、储能的主流方式


储能技术按照储存介质进行分类,可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。机械类储能的应用形式有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。


储能的方式分类


小编带大家了解一下目前市场上主流的储能方式:机械类储能和电化学储能。


机械类储能

物理储能作为最成熟并已形成商业化的储能方式,它主要包括抽水蓄能、压缩空气蓄能等。根据根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)数据统计,截止2020年底全球储能装机规模中,抽水蓄能占比达到90.3%,占据绝对的主导地位。


电化学储能

电化学储能作为近几年增长最迅猛的储能方式,增长速度由2018年的3.7%迅速提升到2020年的7.5%,受益于储能技术的快速进步,单位成本逐渐降低,具备了良好的商业化运用条件,它主要包括以下几种方式:锂离子电池储能、铅蓄电池储能和液流电池储能。由于电化学储能需要考虑寿命、安全性、以及经济成本的问题,而锂离子电池储能具有能量密度高、商业应用广、单位成本不断下降、技术成熟,由此锂离子电池储能成为全球电化学储能的霸主地位。根据数据显示,截止2020年底,锂离子电池占电化学储能装机量的92%,钠硫电池和铅蓄电池分别占比3.6%、3.5%。目前锂离子储能主要采用磷酸铁锂电池技术


储能市场巨大,随着技术进步,储能方式也会产生缓慢变化,未来代表性的储能技术包括超导储能和超级电容器储能等


五、电化学储能产业链


作为目前技术进步最快的电化学储能,跟着小编一起来了解下其产业链。


电化学储能产业链


电化学储能系统主要由电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能变流器(PCS)以及其他电气设备构成。


电池组

电池组作为电化学储能系统的主要组成部分,成本占整个电化学储能的50%左右,主要的电池组厂商包括宁德时代、比亚迪、LG化学、三星SDI、派能科技、亿纬锂能、国轩高科等。


储能变流器

储能变流器是控制储能电池组充放电过程与电流的交直流变换,主要厂商包括:阳光电源、固德威、锦浪科技、科华恒盛、盛宏电器、SMA、SolarEdge等


储能系统

储能系统主要作用是数据采集、网络监控、能量调度。主要厂商包括:阳光电源、海博思创、沃太能源、科陆电子、特斯拉、Sonnen等


六、储能系统解决方案现状及趋势

 

在一套完整的储能系统中,储能监控系统是核心设备。储能的监控系统不是孤立存在的,不仅仅是要监视储能相关的信息或者电池的相关信息,它是一个整体的监控体系。


拿国内应用较为广泛的电池储能举例,储能监控系统可对储能电站的PCS(变流器)、储能电池及其他配套辅助设备(传感器)等进行全面监控,实时采集其运行状态与参数,并通过网络与调度层通讯,实现储能系统的实时远程监控和调度指令的收发。同时,储能监控系统还可以通过传感器采集储能电站的水浸、烟雾、门禁、温度等环境数据,无需再单独配备动环监控系统


早期的储能监控系统硬件多是采用X86架构,随着嵌入式技术的不断发展,目前已经有很多型号的ARM微处理器可以替代X86架构以满足储能监控系统的硬件需求。


今年7月23日,国家发展改革委、国家能源局发布了关于加快推动新型储能发展的指导意见,意见提出“到2025年,实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变。”而更低的成本优势,对未来装机数量将呈爆发式增长的储能行业是一个非常利好的因素。


七、ARM在储能监控系统中的应用


小编以飞凌嵌入式提供的ARM架构核心板讲解一下,ARM如何应用于储能监控系统。

先贴一张储能监控系统框架图,通过此图,我们可以很清晰的了解ARM核心板在储能监控系统中的定位。


ARM核心板在储能监控系统中的定位


飞凌嵌入式FETMX8MP-C核心板可以实现以下储能监控系统功能:


2路千兆网络:1路用于连接调度主机,1路与局域网其它设备通信;


2路CANFD:1路采集电池堆数据,1路采集PCS数据。CANFD数据传输速率高达8Mbps;


支持8路UART:用来连接各种传感器和配套辅助设备。(4路原生UART,4路通过USB扩展)


显示接口丰富:支持HDMI、LVDS、MIPI等多种显示接口,可用于本地显示;


支持4G/5G:可进行无线通讯;


超长供货周期:核心板供货周期可达10年以上,为产品的市场生命周期保驾护航。


八、为什么储能系统ARM解决方案增多


 

储能柜部署在全球各个地区,尤其是一些偏远地区环境比较恶劣,储能柜的数据量巨大,且对采集时间有较高要求,当设备出现故障时运维成本非常昂贵。如何保证储能柜的控制系统能够稳定运行,保障系统故障后自动恢复,如何实时掌握设备工作状态和信息也就成为了用户关注的问题。


从用户需求角度看相较于X86架构的主板,ARM主板解决方案也是一个不错的选择。


性能:ARM主板的性能已经越来越接近X86主板,甚至在某些方面超过了它。从视频多媒体、数据通信等几个方面,和X86有些类似。


数据安全及硬件结构的稳定性:ARM主板都采用高度集成方式,数据一般都放在Flash内部,采用二进制格式,外部无法直接拷贝内部数据。目前ARM主板的系统一般为Linux、Android系统或者其他非WINDOWS系统,不会受病毒感染,客户无须担心病毒感染而导致数据泄漏或文件破坏,尤其是一些对于数据安全性要求很高的场所,ARM主板非常适合。


工作时间:ARM主板功耗极低,仅有几W,主板温度一般是常温,可以一直开机工作,无须人员去维护,而且在掉电情况下,只要来电,那么就会自动启动,无须人员去开机或者关机,而X86主板CPU的高主频所产生较高的热量,容易磨损,寿命有限,需要人员维护,而且不能长期工作,否则会让主板寿命大大降低。


环境:ARM主板一般都是工业级宽温,而X86主板对环境温度适应范围相对要小。


灵活性:ARM主板可以根据用户的需要来进行灵活配置,比如logo,内存大小,系统驱动程序裁减,周围芯片的裁减,系统软件的加载等等,无论软硬件都是非常灵活这样也会大大降低客户的成本和系统整体的维护成本和性能,而X86却无法做到这一点


价格:ARM主板目前价格都非常低,而且ARM主板已经包含了内存和存储介质,无须外部购买配件,因此整体系统成本比X86价格要低很多。


综合来看,ARM架构产品,在储能系统中应用是非常合适的,也难怪有越来越多的公司选择ARM产品设计储能系统。



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