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什么是儲能系統？在這篇文章里，作者給出了他的回答，儲能系統即一個“巨型充電寶”，可以在發電側、電網側、用戶側等場景應用，起到平衡供需、優化電網運行、節省用電成本、應急備用等關鍵作用。一起來看看作者關于儲能系統的解讀。

動機

近期，個人對儲能產品相關的知識進行了學習與研究，基于通過輸入-輸出的方式，進一步梳理和強化自己的認知的目的，我從什么是儲能？ 為什么需要儲能？儲能的幾種方式？電化學儲能的構成等方面，對輸入的知識進行一步梳理與轉化。

一、什么是儲能系統？

儲能，從字面上理解，儲能即能量的存儲，是指通過介質或者設備，把能量存儲起來，基于未來應用需要以特定能量形式釋放出來的能量循環轉化與利用過程。

舉個例子：在日常生活中，我們使用移動智能設備的過程中，經常會遇到設備電量低，但因環境限制無法為移動智能設備充電的場景。此時，充電寶通過提前存儲的電能，就可以為移動智能設備提供臨時的電力支持，幫助我們應對各種充電困難的場景。

在上述案例中，充電寶，通過提前存儲的電能幫我們打破了電能在時間和空間上的限制，解決了電能供需匹配的問題。

回到供電系統中，儲能是指電能的存儲，指利用化學或者物理的方法將產生的能量存儲起來，并在需要時以電能形式釋放的一系列技術和措施。

儲能系統就像一個“大型的充電寶”，它可以分別應用在電源側、電網側、用電側，通過儲存電能優化電能的輸入與輸出，提高新能源的利用率，解決新能源電能與傳統電能共存的沖突，提高電網的穩定性與靈活性。

二、為什么需要儲能系統？

1. 提高新能源發電穩定性與能源利用效率

2020年，中國在聯合國會議中提出了碳達峰和碳中和的雙碳目標，承諾在2030年前實現二氧化碳排放達到峰值，并努力爭取盡早實現碳中和，即減少二氧化碳排放至幾乎零的狀態。為實現上述目標，推動能源結構轉型和提高能源利用效率是必要的路徑，其中能源結構轉型策略的核心是，降低對傳統化石能源的依賴，減少煤炭等高碳能源的使用，加快太陽能、風能、水能等可再生能源的利用發展和利用。

在政策的驅動，太陽能、風能發電在新能源電站、工商業、戶用等場景快速發展，然而，太陽能、風能發電其自身具有間接性、波動性和隨機性的特點，即它們產生的電能受到天氣條件、太陽高度和時間等因素的影響，因此無法始終穩定地提供電能。

例如：太陽能光伏發電在依賴太陽光照射下將光能轉化為電能，但其產能受到季節、天氣、時間條件的限制，陰天、夜晚或其他遮擋因素都會影響太陽能發電的產能，表現出間接性和波動性。

因此，為了解決新能源發電的問題與提高能源的利用效率，通過在新能源發電的產與供環節中，增加儲能系統可以將多余的再生能源電能儲存起來，在需要時釋放，以平衡供需差異和穩定能源輸出，實現對再生能源發電的調峰填谷，提高能源利用效率，并確保持續供電。

2. 解決新能源電能與傳統電能共存的沖突

在傳統的供電系統中，電能的來源時相對單一、集中的，電力系統根據用電需求實時進行電能的生產和供應。

具體來說，電力系統中的發電廠（如火電廠、核電廠等）會通過發電機將機械能轉化為電能，并將其輸入到輸電網中，輸電網將電能以高電壓進行傳輸，以減少能量損耗。然后，通過變電站將高壓電能轉變為適合不同用戶使用的低壓電能，并通過配電網將其輸送給終端用戶。用戶在需要用電時，通過插座或開關等裝置將電能提取出來，供各種電氣設備使用。

在上述“即發即用”電能供應下，電能供應來源單一，電力系統需要在瞬時間完成產與供，發電機組通常以額定功率運行，以滿足電網中用戶安全、可靠、連續的用電需求，電力系統的運營效率主要依賴于實時的供需情況，如無法準確預測用戶的電力需求，或者用戶的需求突然出現大的波動，可能會導致電力供應不足或者浪費電力資源的情況。

由于新能源電能其自身具備間接性、波動性和隨機性的特點，當常規的火電、核電等提供的電能與新能源電能同時輸入電網時，傳統供電系統則會面臨穩定性、靈活性、電網規劃運營、供需調度、交易機制、安全等方面的挑戰，例如：傳統的供電系統則會面臨優先使用什么類型的電能？供大于求時，怎么辦？

因此，通過在供電系統的中的電源側、電網側增加儲能系統，不僅可以在新能源大發或者用電低谷時充電，新能源出力小或者用電高峰時放電，還可以平滑不穩定的新能源發電、助力其開發消納，配合常規火電、核電等電源提供調峰調頻等服務，提高電力系統的靈活性與穩定性。

舉個例子：當某個地區電能供應來源主要為火力發電和光伏發電，在中午高溫時刻，用電側用電需求大，當火力生產的電能現已經能滿足供電需求，此時如果同時將光伏發電輸入電網，則可能會導致電網電壓下降和頻率不穩定等問題，進而影響電網的穩定性。

為解決這個沖突，通過增加儲能系統，可以在光伏發電量超過電網負荷時，將光伏發電量先通過儲能系統存儲起來，并在需要時將其釋放出來供電網使用，實現光伏發電的平滑接入電網，同時提高電網的可靠性和供電質量。

3. 小結

在分布式新能源、微電網、新型電力系統的快速發展背景下，儲能技術在促進能源生產消費、開放共享、靈活交易、協同發展、推動能源革命和能源新業態發展等方面發揮著至關重要的作用。它不僅可以解決風能、太陽能等新能源發電過程中簡接性、波動性、隨機性等問題，還是構建新型電力系統、建設新型能源體系、促進能源轉型和高質量發展的重要技術與基礎裝備。

儲能的本質就是一個“巨型充電寶”，其在發電側、電網側、用戶側等場景的應用，起到平衡供需、優化電網運行、節省用電成本、應急備用等關鍵作用。

能量儲存的過程需要通過特定的介質來實現。例如，在我們日常生活中使用的電池，就是通過內部電解質的化學反應將電能儲存為化學能，從而實現能量的儲存和轉換。

三、儲能的幾種方式

在廣義上，儲能有電儲能、熱儲能以及氫儲能三大類。在此基礎上，根據儲存介質和技術路線的不同，又可以進一步細分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能、熱儲能以及化學儲能等多種類型。其中，電儲能是最主要的儲能方式，它可以根據存儲原理的不同，被進一步分為電化學儲能和物理儲能兩種技術類型。

電化學儲能技術主要包括鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池以及超級電容器等。機械儲能技術則主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及飛輪儲能等。

1. 電化學儲能

電化學儲能包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉離子電池、液流電池等細分類型，本質上都是都是利用電池的電化學反應將電能轉化為化學能并進行儲存與儲能電池組中，只不過電池的材料和化學反應機制會有所不同。

以手機的蓄電池為例，目前市面手機電池一般為鋰離子電池，充電時，充電電流通過正極進入電池，推動鋰離子從正極材料中脫出并進入電解液。

在電解液中，鋰離子會與電解液中其他離子發生化學反應，使得鋰離子在電解液中傳輸至負極材料，并在負極材料中插入，這個插入過程將電能轉化為化學能，并將鋰離子儲存在負極材料中，因為將鋰離子插入到負極材料的晶格或多孔結構中，形成一種所謂的鋰嵌入化合物，該化合物可以在需要時釋放鋰離子以供電子設備使用。

放電過程是充電過程的逆向過程，當外部電路連接到電池上時，儲存在負極材料中的鋰離子開始從負極材料中脫出并進入電解液。這些鋰離子在電解液中與其他離子發生化學反應，推動鋰離子在電解液中傳輸至正極材料。在正極材料中，鋰離子嵌入到材料的晶格或多孔結構中，產生電荷，這些電荷通過外部電路流動，為電子設備提供電能。

電化學儲能系統主要由儲能電池組、電池管理系統（BMS）、儲能變流器（PCS）、能量管理系統（EMS）四部分組成，其中儲能電池用于存儲電能，變流器用于電能的轉化，電池管理系統負責B電池的監測、評估、保護、均衡，能量管理系統（EMS）負責數據采集、網絡監控和能量調度。

2. 機械儲能

機械儲能是指利用物理裝置將能量轉化為機械能量并存儲的儲能技術，根據實現方式的不同可以分為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等類型。

舉給通俗例子：在射箭的時候，我們會用手用力拉弓箭，此時力氣轉化為弓弦的彈性能量并存儲在弓弦，在我們松開手時，弓弦會將儲存的能量釋放出來，推動箭飛出去。在這個過程中，人的力氣被儲存在弓弦中，當需要時被釋放出來，產生了機械運動的能量。

在電力系統中，目前應用最廣泛的是抽水蓄能，其原理是通過利用水的高低位轉換過程中產生的勢能來儲存和釋放能量，在低電力需求時，將水抽升到高處的水庫中，將電能轉化為重力勢能儲存起來；而在高電力需求時，通過將高位水庫下放低位水庫的過程中通過渦輪機將勢能轉化為電能并釋放。

根據《抽水蓄能產業發展報告2022》顯示，目前我國已納入規劃的抽水蓄能站點資源總量約8.23億千瓦，已建、核準在建裝機規模達到1.7億千瓦。

3. 電磁儲能

電磁儲能是指利用電磁場來儲存和釋放能量的技術，其中，超級電容器儲能和超導儲能是兩種常見形式。

1.超級電容器儲能：超級電容器儲能可以理解是傳統電化學儲能（如電池）的一種升級版或改進形式。

在這里我們可以將超級電容器看作為一種“特殊”的電池，其結構和傳統電池相似，但在電解質和電極材料上進行了優化。

超級電容器利用電介質的電吸附-電解質雙層效應，將電能以電荷的形式儲存在電極上，其優勢在于可以實現快速充放電，具有長壽命，且可以承受大功率的充放電過程，與傳統電化學儲能設備（如鋰離子電池）相比，超級電容器儲能以其高功率密度、快速充放電、長壽命和高可靠性等特點，彌補了傳統電化學儲能的不足之處。

2.超導儲能：超導儲能是一種無需經過能量轉換而直接儲存電能的技術，它利用特殊超導材料制成的線圈，在低溫下將電流輸入到超導線圈中，電流可以在超導線圈以超導狀態無損耗地循環流動，直到輸出。

4. 熱儲能

熱儲能技術是指通過特定的裝置或物理介質，將太陽能光熱、工業余熱、地熱和低品位廢熱等熱能儲存起來，待到需要的時候再釋放出來使用，實現供熱或通過能量交換裝置將熱能量轉化為其他能量驅動發電機產生電能，最大限度地提高能源的利用率。

熱儲能系統由四個核心系統組成：統聚光（集熱）系統、吸熱系統、儲換熱系統和發電系統，這些系統協同完成熱能的收集、吸收、存儲和轉化的過程。

熱能可以以顯熱、潛熱或兩者兼有的形式儲存，即可通過改變介質溫度、改變介質材料狀態或熱化學熱反應等來儲存熱能。

顯熱是靠儲熱介質的溫度升高來儲存，如常溫下水和卵石均為常用的儲熱材料。

潛熱儲存則是利用材料由固態熔化為液態時需要大量熔解熱的特性來吸收儲存熱量，熱量釋放后介質回到固態，相變反復循環形成貯存、釋放熱量的過程。這些技術使用如熔鹽、混凝土、鋁合金或巖石材料等介質將熱量存儲于絕熱容器中，使用最廣泛的技術路線是熔鹽和聚光太陽能（CSP）發電設施相結合。

舉個例子：2019年12月31日，我國在敦煌建成了以熔鹽為吸熱、儲熱介質的商業化光熱發電站，該電站就是利用熔鹽作為吸熱和儲熱的介質，將太陽能轉化為熱能并儲存起來。在白天，太陽能集熱器將太陽光聚焦到熔鹽上，使熔鹽加熱到高溫狀態。這些熔鹽被儲存在一個熱儲存裝置中，在需要發電時通過高溫工質產生的高溫蒸汽驅動汽輪發電機組發電實現從熱能經機械能到電能的轉化。

5. 化學儲能

化學類儲能是指利用不同介質之間的化學反應來獲得化學能并存儲，然后在需要的時候再將化學能轉化回電能的技術。目前，這種技術的主要應用包括氫儲能和合成天然氣儲能等。

以氫儲能為例，氫儲能是過通過燃料電池將氫氣轉化為電能的技術，氫儲能系統主要由制氫系統、儲氫系統、氫發電系統三個部分組成。目前制氫路線主要包括煤炭制氫（價格低廉，但設備成本高、碳排放量大）、天然氣制氫和可再生能源制氫（主要指將太陽能、風能等間歇性可再生能源余電或無法并網的棄電，通過電解水制氫），其中可再生能源制氫為發展重點。

6. 小結

在眾多的儲能技術中，機械儲能的抽水蓄能是目前商業化應用最為成熟的儲能方式，具有經濟性、可靠性和大規模儲能的優勢。電化學儲能方面，鉛酸電池由于其成本低、穩定性好等優點，長期以來一直占據主導地位，但隨著科技進步，鋰電池、鈉硫電池等新型電化學儲能技術正在逐步發展，并正處于從示范階段向商業化過渡的關鍵時期。

其他儲能技術，如機械儲能中的高速飛輪儲能，電磁儲能的超導儲能和超級電容儲能，以及化學儲能等，盡管在理論和實驗階段展現出巨大的潛力和優越性，但由于技術復雜度、成本控制等因素，目前仍處于研發和試驗階段，尚未實現大規模的產業化應用。

四、電化學儲能系統的構成

能量的儲存過程包括能量輸入、能量轉化、能量存儲和能量輸出四個關鍵步驟，這個過程的實現需要軟硬件的協同工作，其中硬件部分提供了能量轉化、存儲和輸出的物理能力，而軟件部分則通過監測、控制和優化算法來確保儲能系統的高效運行、安全性和可靠性。

以電化學儲能系統為例，要實現電能的輸入、轉化、存儲、輸出、電力調度、運行監控等關鍵任務，需要儲能電池組、電池管理系統（BMS）、能量管理系統（EMS）以及儲能變流器（PCS）等多個組件的協同工作，它們共同構成了一個完整的電化學儲能系統。

1. 儲能電池系統

1.電池組：電池組是擔任關鍵的儲能角色，是儲能系統最核心的構成部分，負責儲存和釋放電能，電池組通常是指的是由多個單電芯串聯組成的電池簇，然后多個電池簇組成的電池組，電池組的大小和容量取決于儲能系統的需求和應用場合，常見的電池類型包括鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池等。

2.電池管理系統（BMS）：在通過電池組進行儲能時，電池組的運行狀態如何、電量儲存情況如何、輸入、輸出過程是否有異常等，需要通過電池管理系統（BMS）來進行管理與控制。

在BMS系統與電池組之間，儲能電池組中通常根據需求設計相應的監測設備、控制設備，這些檢測設備負責感知并采集電池組的各種參數，如電池的電壓、電流、溫度、SOC（state of charge）等，然后通過通信設備與數據接口，將這些信息傳輸給BMS系統，BSM系統通過對數據的處理和計算，進而實現對電池狀態SOX (SOC/SOH/SOP/SOE) 的分析和評估，實現電池組均衡管理、控制、故障告警、保護及通訊管理。

總而言之，電池管理系統（BMS），是儲能系統的子系統，在整個儲能系統中，擔任感知和決策角色，主要負責監測和控制電池的狀態、保護和控制電池組，確保電池組的安全運行，并實現充放電控制及故障保護等功能，其核心目的是實現電池系統的安全、穩定可靠、高效與經濟的使用。

例如，當電池組出現過壓、過流、過溫等異常情況時，BMS會采取相應的措施，如切斷充放電電路，以保護電池組的安全。

3.安全組件及輔助組件：在電化學儲能系統中，電池作為儲存能量的關鍵組件，其性能、安全、穩定性是至關重要的。然后，電池在運行過程中可能會出現各種各樣的異常情況與安全問題，因此需要一些安全組件和輔助組件來確保儲能系統的安全性和穩定性，這些組件通常包括冷卻系統、消防系統、監測系統、通信系統、門禁系統、控制系統等。

2. 儲能變流器

光伏發電系統、風力發電系統等新能源發電系統產生的電能是直流電，儲能電池組存儲的電能也是直流電，然而，大部分家庭、工業和商業設備使用的是交流電。因此，為了將新能源發電系統產生的直流電并入到電網或供應給家庭、工業和商業設備，需要使用變流器實現直流電和交流電的雙向轉換。

儲能變流器是儲能系統與電網、用電端之間不可替代的關鍵器件，其主要功能在于實現電網、用電端和儲能電池能量的雙向轉換控制，在用電側儲能、光伏/風力發電、電源測儲能、電網側儲能、構建微電網等場景均有應用。

根據應用場景和技術路線的不同，儲能變流器有多個細分類型，例如：戶用型、工商型、集中式、組串式、微型等，關鍵零部件均包括包括IGBT、IC等半導體器件，傳感器、連接器、線材等電子物料，散熱器、緊固件等機構件，電感、變壓器等磁性器件，電阻、電容等阻容器件以及PCB板等。

儲能變流器的工作原理是通過其內部的逆變器與控制程序實現對電能的交直流雙向轉換。在充電場景中，它將電網的交流電整流為直流電，用于充電儲能電池組，在此過程中，變流器充當了一個整流器的作用，將交流電轉換為直流電；而在放電場景中，它將儲能電池組中的直流電逆變為交流電，供電給電網或其他負載，在該過程中，變流器充當了一個逆變器的作用，將直流電轉換為交流電。

日常生活中的手機充電器的功能將家用插座中的220V交流電，轉換為手機內電池所需的5V~10V的直流電，這與儲能系統在充電過程中將交流電轉換為電池堆所需直流電的模式是一致的。

舉個例子：某個園區光伏電站，在并網模式下，在用電低谷期，儲能變流器把電網的交流電整流成直流電給電池組充電，在用電高峰期，儲能變流器把電池組中的直流電逆變成交流電反送到電網中；離網模式下，儲能變流器與電網脫離，給本地的用電需求提供滿足電網電能質量要求的電能。

3. 能量管理系統

對于整個儲能系統而言，雖然儲能電池系統和儲能變流器實現了能量的基礎存儲與輸入、輸出，但用戶在能量存儲、輸出、輸入過程中涉及到的信息化管理、調度策略的管理、計劃的管理、設備的管理、數據采集、運行監測與診斷、運營統計分析等問題，還需要儲能EMS系統的支撐。

儲能EMS系統是整個儲能系統的決策中樞，充當“大腦”角色，在整個儲能系統中起著關鍵的作用，它通過與儲能變流器（PCS）、儲能電池系統、電網的的交互實現能量的數字化、信息化管理，從而提高整個儲能系統的可靠性和穩定性。

儲能EMS系統從頂層往下拆解，其系統架構主要包括，應用層、服務層、通訊層。

1.應用層：應用層是儲能EMS系統的頂層，面向用戶提供能量管理的具體應用服務。用戶可以通過儲能EMS系統的應用層進行能量信息的可視化管理、調度管理、設備管理、實時運行監控、遠程實時控制、數據統計分析等能量管理相關管理與優化。

舉個例子：用戶可以通過應用層信息化界面查看電池組的電量、功率、溫度等參數，并進行相應的調整和管理。

2.服務層：服務層是儲能EMS系統的中間層，起著乘上啟下的作用，向上為應用層的應用服務提供支撐，向下下達控制指令。具體 而言，服務層通過通訊層與儲能變流器、儲能電池系統進行交互，負責數據的采集、處理與計算、控制指令下達等關鍵任務。

舉個例子：服務層，通過計算下游系統的上傳的電池參數計算電池運行狀態并反饋給應用層。

3.通訊層：通訊層是儲能EMS系統與下游系統的關鍵連接層，負責建立和維護儲能EMS系統與下游系統之間的通信連接，是儲能EMS系統正常運行和優化能量管理的基礎，其核心任務主要包括通信協議管理、數據傳輸管理、控制指令傳遞管理、連接信號管理等。

舉個例子：當用戶發送指令來調整儲能系統的輸出功率時，通訊層會將指令轉換為特定的通信協議格式，并通過傳輸通道將其發送給下游系統。下游系統接收到指令后，解析并執行相應的操作，然后將執行結果反饋給通訊層。