儲能系統作為未來能源領域的關鍵技術之一，對于實現可持續發展和能源轉型具有重要意義。本文將深入探討儲能系統的組成部分，幫助讀者更好地理解這一復雜而又關鍵的技術。

能源的存儲，即儲能，是指通過儲能設備將能量以機械能、熱能、電磁能等形式進行存儲。儲能不僅可以提高常規發電和輸電的效率、安全性和經濟性，還能夠實現可再生能源平滑波動、調峰調頻，滿足可再生能源大規模接入的重要手段，同時它也是分布式能源系統、智能電網系統的重要組成部分。

隨著全球對環保的重視以及對可持續發展的追求，儲能技術在近年來得到了快速發展。各國紛紛出臺政策激勵儲能行業發展，我國也不例外。從 2016 年國家發展改革委等三部門聯合印發《中國制造 2025 - 能源裝備實施方案》，將儲能列為能源裝備發展任務的 15 個領域之一，到 2017 年國家能源局等多部委聯合印發《促進儲能技術與產業發展的指導意見》，再到 2023 年國家能源局組織發布《新型電力系統發展藍皮書》，提出充分發揮儲電、儲熱、儲氣、儲冷、儲氫等優勢，實現多種類儲能在電力系統中有機結合和優化運行，我國對儲能產業的支持力度不斷加大。截至 2024 年 1 月 7 日，中國各省新獲備案的儲能項目已超 130 個。

儲能可分為物理儲能、化學儲能、電磁儲能三類。物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等；電磁儲能主要包括超級電容器儲能、超導儲能。

二、儲能系統的組成

（一）蓄電池系統

目前儲能方式主要分為三類：物理儲能、化學儲能和電磁儲能。由于經濟性及應用場景的原因，除抽水蓄能外，化學儲能是應用最廣泛的。從國際和國內市場來看，化學儲能中的鋰離子應用較多。

鋰離子電池儲能以鋰離子電池作為儲能載體，鋰離子電池以碳材料、鈦酸鋰等作為負極，錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰等作為正極，含鋰鹽作為電解液。

（二）PCS 變流器系統

儲能雙向變流器簡稱 PCS，儲能變流器可以實現電池與電網間的交直流轉換，完成兩者間的雙向能量流動，并通過控制策略實現對電池系統的充放電管理、網測負荷功率跟蹤、電池儲能系統充放電功率控制和正常及孤島運行方式下網測電壓的控制；具有高轉換效率、寬電壓輸入范圍、快速并離網切換和方便維護等特點，同時具備完善的保護功能，如孤島保護、直流過壓保護和低電壓穿越（可選）等，滿足系統并、離網要求。

（三）箱變系統（如有）

如采用高壓（6kV、10kV、20kV、35kV 等）并網系統，須采用箱變完成升壓任務，為盡量減少兩支路間的電磁干擾及環流影響，箱變系統采用雙分裂變壓器，其他參數跟風電和光伏無大的差別。

（四）站用變電系統（如有）

為變電站內的設備提供交流電，如照明、暖通、檢修、保護屏、高壓開關柜內的儲能電機、開關儲能、生活和工作設施供電等，需要操作電源的。如與跟風電、光伏等組成多能互補的電站，可與風電或光伏共用一套站用變系統。同時根據用電負荷，選擇合適的站用變容量。

（五）電池管理系統 BMS、能量管理系統 EMS

電池管理系統 BMS

主要對電池組的充放電保護進行管理。充滿電時能保證各單體電池之間的電壓差異小于設定值，實現電池組各單體電池的均充，有效地改善了串聯充電方式下的充電效果。同時檢測電池組中各個單體電池的過壓、欠壓、過流、短路、過溫狀態，保護并延長電池使用壽命。BMS 系統隨鋰離子電池成套提供。

能量管理系統 EMS

主要是對電站的實時運行狀態信息進行監控，包括系統功率曲線、電池電壓溫度信息、累計處理電量信息及其他約定的監測信息。并且可以在服務器中建立遠程監控軟件能夠遠程控制及下載數據，能夠實時報警，并傳輸到指定手機上。

（六）監控系統、相關接入系統設備

電池儲能監控系統基本功能包括：測量監視功能、數據處理功能、分析統計功能、操作控制功能、事件告警功能、保護管理功能、人機接口功能、事故追憶及歷史反演功能、歷史數據管理功能、遠動及轉發功能、系統維護功能。

三、不同類型儲能的組成特點

（一）物理儲能

飛輪儲能

飛輪儲能是將電能轉化為旋轉動能進行存儲。它是一個機電系統，主要由電動機、軸承、電力電子組件、旋轉體和外殼構成。通過電動機帶動飛輪轉動將電能轉化為動能，而電動機也可充當發電機，將動能轉化為電能釋放。

抽水儲能

抽水蓄能是將電能轉化為水的勢能進行存儲，基本組成包括兩處位于不同海拔的水庫、水泵、水輪機及輸水系統等。當電力需求低時，利用電能將下水庫的水抽至上水庫，將電能轉化成勢能存儲；當電力需求高時，釋放上水庫的水，推動水輪機發電。

壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是一種基于燃氣輪機發展而來的儲能技術，主要由壓縮系統、發電機、膨脹系統、離合器和儲氣罐等構成。當電能富余時，利用電能驅動壓縮機，將空氣壓縮并存儲于腔室中；當需要電能時，釋放腔室中的高壓空氣，驅動發電機發電。

超級電容器儲能

超級電容器中屬于物理儲能形式的為雙電層電容器，它可利用電極和電解質間的界面雙電層來存儲能量。當電極和電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力或原子間力的極化作用，形成符號相反的穩定雙電荷，從而實現儲能，而通過改變電解液的極化方向可實現釋能。

超導磁儲能

超導磁儲能是目前唯一可將電能直接無損耗地以電磁能形式存儲的技術，它在超導狀態下，無焦耳熱損耗，幾乎實現電流零損耗。當需要電能時，可通過變流器饋網。

（二）化學儲能

化學儲能主要是電化學儲能，包括鋰離子電池儲能、鉛蓄電池儲能和液流電池儲能等。其中鋰離子電池儲能具有能量密度高、商業應用廣、單位成本不斷下降、技術成熟等優點，成為全球電化學儲能的霸主地位。

（三）電磁儲能

電磁儲能主要包括超級電容器儲能、超導儲能。超級電容器儲能可利用電極和電解質間的界面雙電層來存儲能量；超導儲能可將電能直接無損耗地以電磁能形式存儲，在超導狀態下無焦耳熱損耗，幾乎實現電流零損耗。

四、儲能系統的重要性及發展趨勢

儲能技術在能源利用中具有重要性，主要體現在以下幾個方面：

（一）削峰填谷

電力需求在白天和黑夜、不同季節間存在巨大的峰谷差，儲能可以有效地實現需求側管理，發揮削峰填谷的作用，消除晝夜峰谷差，改善電力系統的日負荷率，大大提高發電設備的利用率，從而提高電網整體的運行效率，降低供電成本。

（二）改善電能質量、提高可靠性

借助于電力電子變流技術，儲能技術可以實現高效的有功功率調節和無功控制，快速平衡系統中由于各種原因產生的不平衡功率，調整頻率，補償負荷波動，減少擾動對電網的沖擊，提高系統運行穩定性，改善用戶電能質量。

（三）改善電網特性、滿足可再生能源需要

儲能裝置具有轉換效率高且動作快速的特點，能夠與系統獨立進行有功、無功的交換，將儲能設備與先進的電能轉換和控制技術相結合，可以實現對電網的快速控制，改善電網的靜態和動態特性，滿足可再生能源系統的需要。

未來，儲能技術將朝著多樣化、高效化、智能化的方向發展。隨著技術的不斷進步，儲能成本將逐漸降低，儲能系統的性能將不斷提高，其在能源領域的應用也將越來越廣泛。

二、儲能系統的主要組成部分

（一）蓄電池系統

蓄電池系統是儲能系統的核心組成部分之一。目前儲能方式主要分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，其中化學儲能中的鋰離子電池應用較為廣泛。鋰離子電池儲能以鋰離子電池作為儲能載體，以碳材料、鈦酸鋰等作為負極，錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰等作為正極，含鋰鹽作為電解液。

（二）PCS 變流器系統

儲能雙向變流器簡稱 PCS，可實現電池與電網間的交直流轉換，完成雙向能量流動，并通過控制策略實現對電池系統的充放電管理等功能。

PCS 由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成。控制器通過通訊接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率及無功功率的調節。PCS 控制器還可以通過 CAN 接口與 BMS 通訊，獲取電池組狀態信息，實現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

PCS 具有高轉換效率、寬電壓輸入范圍、快速并離網切換和方便維護等特點，同時具備完善的保護功能，如孤島保護、直流過壓保護和低電壓穿越（可選）等，滿足系統并、離網要求。

（三）箱變系統（如有）

采用高壓并網系統時，需采用箱變完成升壓任務，減少電磁干擾及環流影響。如采用高壓（6kV、10kV、20kV、35kV 等）并網系統，須采用箱變完成升壓任務，為盡量減少兩支路間的電磁干擾及環流影響，箱變系統采用雙分裂變壓器，其他參數跟風電和光伏無大的差別。

新能源儲能系統中，箱變作為一種重要的設備，發揮著不可忽視的作用。箱變在新能源儲能系統中被用作能量轉換裝置的一部分，將電池組中儲存的能量轉換為適合電網使用的電能。箱變具有高效性，能夠有效地提高電能的轉換效率，從而提高整個系統的效率；具有靈活性，可以根據需要進行快速的電壓和電流調節，以滿足電網的需求；具有可靠性，設計使其能夠抵抗惡劣的環境條件和機械振動，保證系統的穩定性和可靠性；易于維護，由于結構簡單，維護成本相對較低。

（四）站用變電系統（如有）

為變電站內設備提供交流電，可與風電、光伏等共用一套站用變系統。為變電站內的設備提供交流電，如照明、暖通、檢修、保護屏、高壓開關柜內的儲能電機、開關儲能、生活和工作設施供電等，需要操作電源的。如與跟風電、光伏等組成多能互補的電站，可與風電或光伏共用一套站用變系統。同時根據用電負荷，選擇合適的站用變容量。

（五）電池管理系統 BMS 和能量管理系統 EMS

電池管理系統 BMS：主要對電池組的充放電保護進行管理，檢測電池狀態，保護并延長電池使用壽命。

BMS 充滿電時能保證各單體電池之間的電壓差異小于設定值，實現電池組各單體電池的均充，有效地改善了串聯充電方式下的充電效果。同時檢測電池組中各個單體電池的過壓、欠壓、過流、短路、過溫狀態，保護并延長電池使用壽命。BMS 系統隨鋰離子電池成套提供。

能量管理系統 EMS：對電站實時運行狀態信息進行監控，包括功率曲線、電壓溫度信息等，并可遠程控制及報警。

EMS 主要是對電站的實時運行狀態信息進行監控，包括系統功率曲線、電池電壓溫度信息、累計處理電量信息及其他約定的監測信息。并且可以在服務器中建立遠程監控軟件能夠遠程控制及下載數據，能夠實時報警，并傳輸到指定手機上。

（六）監控系統及相關接入系統設備

具有測量監視、數據處理、分析統計等多種功能，保障儲能系統的安全穩定運行。

電池儲能監控系統基本功能包括：測量監視功能、數據處理功能、分析統計功能、操作控制功能、事件告警功能、保護管理功能、人機接口功能、事故追憶及歷史反演功能、歷史數據管理功能、遠動及轉發功能、系統維護功能。

三、儲能系統的其他組成部分

（一）儲能元件

常見的儲能元件包括電池、超級電容器、氫能儲存等，將能源儲存起來為系統提供能量。

儲能元件是儲能系統的關鍵組成部分之一，不同的儲能元件具有各自獨特的特點和應用場景。

電池：目前儲能方式主要分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，其中化學儲能中的鋰離子電池應用較為廣泛。鋰離子電池儲能以鋰離子電池作為儲能載體，以碳材料、鈦酸鋰等作為負極，錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰等作為正極，含鋰鹽作為電解液。

超級電容器：超級電容器中屬于物理儲能形式的為雙電層電容器，它可利用電極和電解質間的界面雙電層來存儲能量。當電極和電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力或原子間力的極化作用，形成符號相反的穩定雙電荷，從而實現儲能，而通過改變電解液的極化方向可實現釋能。超級電容器具有高功率密度、快速反應速度、低能量密度和長壽命等特點，適用于需要高功率輸出的應用，如電子設備的瞬態電源、電機的起動和制動等。

氫能儲存：氫能儲存是一種新興的儲能方式，具有高能量密度、清潔無污染等優點。氫能可以通過壓縮氫氣、液態氫或金屬氫化物等方式進行儲存，然后在需要時通過燃料電池等設備將氫能轉化為電能或熱能。氫能儲存技術目前還處于發展階段，需要進一步提高儲存效率和降低成本。

（二）控制系統

監測儲能裝置狀態，控制充放電過程，實現智能化控制。

控制系統是儲能系統的重要組成部分，它可以實時監測儲能裝置的狀態，如電壓、電流、溫度、容量等，并根據這些狀態信息控制充放電過程，實現智能化控制。

控制系統通常由傳感器、控制器和執行器等部分組成。傳感器用于采集儲能裝置的狀態信息，并將這些信息傳輸給控制器。控制器根據預設的控制策略和算法，對采集到的狀態信息進行分析和處理，然后發出控制指令給執行器。執行器根據控制指令對儲能裝置進行充放電控制，如控制電池的充電電流和電壓、控制超級電容器的充放電功率等。

控制系統還可以實現智能化控制，如根據電網的需求和儲能裝置的狀態，自動調整充放電功率和時間，實現削峰填谷、調峰調頻等功能。此外，控制系統還可以與其他系統進行通信和交互，如與能量管理系統、監控系統等進行數據交換和協同控制，提高儲能系統的整體性能和可靠性。

（三）逆變器

將直流電轉換為交流電，使儲能系統與市電或其他設備交互。

逆變器是儲能系統中的關鍵設備之一，它的主要作用是將儲能裝置存儲的直流電轉換為交流電，使儲能系統能夠與市電或其他設備進行交互。

逆變器通常由整流器、濾波器、逆變器電路和控制器等部分組成。整流器用于將市電或其他交流電源輸入的交流電轉換為直流電，為儲能裝置充電。濾波器用于濾除整流器輸出的直流電中的諧波和干擾信號，提高直流電的質量。逆變器電路用于將儲能裝置輸出的直流電轉換為交流電，實現電能的轉換。控制器用于控制逆變器的運行，如控制輸出電壓、頻率和功率等參數，以滿足不同的應用需求。

逆變器具有多種類型和規格，根據輸出功率的大小可以分為小功率逆變器和大功率逆變器；根據輸出電壓的相數可以分為單相逆變器和三相逆變器；根據與電網的連接方式可以分為獨立式逆變器和并網式逆變器等。在選擇逆變器時，需要根據儲能系統的容量、應用場景和需求等因素進行綜合考慮。

（四）傳感器

實時監測儲能系統狀態，并傳輸數據到控制系統進行分析處理。

傳感器在儲能系統中起著至關重要的作用，它能夠實時監測儲能系統的狀態，并將這些數據傳輸到控制系統進行分析處理。

傳感器可以監測儲能系統的各種參數，如電壓、電流、溫度、容量、充放電功率等。通過對這些參數的監測，可以及時了解儲能系統的運行狀態，發現潛在的問題和故障，并采取相應的措施進行處理。

傳感器的類型和規格也有很多種，根據監測的參數不同可以分為電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、容量傳感器等；根據安裝位置的不同可以分為內置傳感器和外置傳感器等。在選擇傳感器時，需要根據儲能系統的特點和需求進行綜合考慮，選擇合適的傳感器類型和規格，以確保監測數據的準確性和可靠性。

（五）熱管理系統

控制儲能系統中電池組的溫度，提高效率和壽命。

熱管理系統是儲能系統中的重要組成部分，它的主要作用是控制儲能系統中電池組的溫度，提高效率和壽命。

在儲能系統中，電池組的溫度對其性能和壽命有著重要的影響。如果電池組的溫度過高，會導致電池的性能下降、壽命縮短，甚至可能引發安全事故；如果電池組的溫度過低，會影響電池的充放電效率和性能。因此，需要通過熱管理系統對電池組的溫度進行控制，使其保持在合適的范圍內。

熱管理系統通常由冷卻系統、加熱系統、保溫系統和熱擴散防護系統等部分組成。冷卻系統用于在電池組溫度過高時降低其溫度，常見的冷卻方式有風冷、液冷和相變冷卻等。加熱系統用于在電池組溫度過低時提高其溫度，常見的加熱方式有電阻加熱、電磁加熱和熱泵加熱等。保溫系統用于在電池組溫度適中時保持其溫度，減少熱量的散失。熱擴散防護系統用于防止電池組內部的熱量聚集和擴散，提高電池組的安全性。

（六）輔助設備

包括配電系統、接口設備、保護設備、通訊設備等，提高儲能系統的可靠性、安全性和易用性。

輔助設備是儲能系統中不可或缺的組成部分，它們可以提高儲能系統的可靠性、安全性和易用性。

配電系統：配電系統用于將儲能系統與市電或其他設備進行連接，并對電能進行分配和控制。配電系統通常由變壓器、開關設備、保護設備和電纜等部分組成。變壓器用于將市電的高電壓轉換為儲能系統所需的低電壓，或者將儲能系統的低電壓轉換為市電的高電壓。開關設備用于控制電能的通斷，保護設備用于保護儲能系統和市電不受過電流、過電壓和短路等故障的影響。電纜用于連接各個設備，傳輸電能。

接口設備：接口設備用于實現儲能系統與其他設備之間的連接和通信。接口設備通常包括連接器、適配器和通信模塊等。連接器用于將儲能系統與其他設備進行物理連接，適配器用于將不同類型的接口進行轉換，通信模塊用于實現儲能系統與其他設備之間的數據交換和通信。

保護設備：保護設備用于保護儲能系統免受過電流、過電壓、短路、過熱等故障的影響。保護設備通常包括熔斷器、斷路器、漏電保護器和過壓保護器等。熔斷器和斷路器用于在過電流或短路時切斷電路，保護設備和人員的安全。漏電保護器用于檢測電路中的漏電電流，并在漏電電流超過設定值時切斷電路，防止觸電事故的發生。過壓保護器用于在過電壓時限制電壓的升高，保護設備不受損壞。

通訊設備：通訊設備用于實現儲能系統與監控系統、能量管理系統等其他系統之間的數據交換和通信。通訊設備通常包括有線通訊設備和無線通訊設備兩種。有線通訊設備如以太網、RS485 等，用于實現近距離的數據傳輸和通信。無線通訊設備如 Wi-Fi、藍牙、ZigBee 等，用于實現遠距離的數據傳輸和通信。通訊設備可以將儲能系統的狀態信息、運行數據等傳輸到監控系統和能量管理系統，以便對儲能系統進行實時監控和管理。

四、結論

儲能系統是一個復雜的技術體系，由多個組成部分協同工作。了解儲能系統的組成對于推動能源轉型、實現可持續發展具有重要意義。未來，隨著技術的不斷進步，儲能系統將在能源領域發揮更加重要的作用。

儲能技術在能源利用中具有多方面的重要性，其組成部分涵蓋了多個關鍵系統和設備，共同為實現能源的高效存儲和利用發揮作用。

（一）削峰填谷

電力需求在不同時間存在巨大的峰谷差，儲能系統通過有效地實現需求側管理，發揮削峰填谷的作用。例如，在電力需求低時，將多余的電能存儲起來，如抽水蓄能將下水庫的水抽至上水庫，把電能轉化為水的勢能存儲；鋰離子電池儲能則通過電池的充放電過程儲存電能。當電力需求高時，釋放存儲的能量，消除晝夜峰谷差，改善電力系統的日負荷率，大大提高發電設備的利用率，從而提高電網整體的運行效率，降低供電成本。

（二）改善電能質量、提高可靠性

借助于電力電子變流技術，儲能技術可以實現高效的有功功率調節和無功控制。以儲能雙向變流器（PCS）為例，它具有完善的保護功能，如孤島保護、直流過壓保護和低電壓穿越等，滿足系統并、離網要求。當系統中由于各種原因產生不平衡功率時，儲能系統能夠快速平衡，調整頻率，補償負荷波動，減少擾動對電網的沖擊，提高系統運行穩定性，改善用戶電能質量。

（三）改善電網特性、滿足可再生能源需要

儲能裝置具有轉換效率高且動作快速的特點，能夠與系統獨立進行有功、無功的交換。例如，將儲能設備與先進的電能轉換和控制技術相結合，可以實現對電網的快速控制，改善電網的靜態和動態特性。對于可再生能源系統，如太陽能、風能等，其發電具有間歇性，儲能系統可以在能源產量過剩時將其儲存起來，在需求高峰或能源供應不足時釋放出來，滿足可再生能源系統的需要。

未來，儲能技術將朝著多樣化、高效化、智能化的方向發展。隨著技術的不斷進步，儲能成本將逐漸降低，儲能系統的性能將不斷提高。例如，多元化儲能技術研發將推動鈉離子電池、新型鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池等關鍵核心技術的發展，創新智慧調控技術將集中攻關規模化儲能系統集群智能協同控制關鍵技術。最終，儲能系統將在能源領域發揮更加重要的作用，全面滿足系統日內調節與短時支撐等方面的需求，為推動能源轉型、實現可持續發展做出更大的貢獻。

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時間 2024/12/05

審核編輯 黃宇