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迎接“大”时代:1500V汹涌而来

时间:2020-10-09 11:19:41 点击次数:

1500V来得有些猝不及防。

 

这个新的电压等级正从光伏刮向储能领域,成为行业2020年最热门的技术之一。在“新能源+储能”渐成趋势的情况下,阳光电源科华恒盛东方日升科陆特变上能电气等不少企业相继发布1500V储能系统相关产品。

 

所谓1500V系统,简单解释即将储能系统中用到的线缆、BMS硬件模块、变流器等部件的耐压从不超过1000V提高到不超过1500V,对应的就是1500V系统。

 

严格意义上来说,1200V、1300V也叫1500V系统,比如比亚迪最新发布的BYD Cube产品最高支持到1300V的直流电压。

 

有业内人士认为,1500V能否大规模应用主要取决于两点:首先是否足够安全;其次能否真正实现降本和增效,推动储能系统度电次成本的持续降低。

 

从光伏到储能

 

众所周知,1500V电压升级源于光伏,从1000V升级到1500V,光伏行业经历了一个漫长的过程,前前后后超过10年的时间。

 

2014年,First solar 在全球建设了首个1500V光伏电站;次年,国内的光伏逆变器龙头企业阳光电源推出首款1500V逆变器,但由于其它配套零部件在国内没有形成完整产业链,同时国内投资开发商对此认知有限,因此没有优先在国内大规模推广,被迫转战海外市场。

 

5.31”新政后,1500V因卓越的“降本增效”效果让其一跃成为平价主流解决方案。据第三方机构统计,2020年,国内新增大型光伏地面电站装机,1500V系统的占比大约为80%-90%


迎接“大”时代:1500V汹涌而来(图1)


在规模化市场的带动下,1500V技术上已经日臻完善。截至目前,从零部件到整个系统,国内光伏1500V的标准体系,已经完全成熟。

 

光伏与电化学储能作为两个相近的产业,光伏系统的电压革命也为储能行业创造了条件。高电压的优势显而易见,从电力电子角度来看,光伏与储能背后共同的逻辑是通过提升电压降低损耗,提升整个系统的效率。


根据阳光电源的测算,1500V储能系统的能量密度、功率密度将在原来的基础上可提升35%以上,系统成本降低5%以上,系统效率提高0.3%以上。同为40尺的集装箱,用280Ah的电芯组合,1000V的电池最大装机容量为3.3MWh,1500V可以提高到4.5MWh,除了PCS、电池、辅助配件成本可以减少外,人工、地基和土地成本也会大幅下降。


2017年开始,国产阳光电源的1500V储能技术开始应用到美国、德国、英国等全球主储能市场。与国外相比,国内储能的商业化起步相对较晚,技术演变也更加迟缓,至今还停留在1000V。“1500V储能技术其实已非常成熟,建议国内有关企业大胆应用,就像当初在光伏电站中应用1500V那样。”在第九届储能国际峰会暨展览会上,阳光电源副总裁兼光储事业部副总裁吴家貌如此呼吁。

  

国内1500V系统推广滞后,除了没有清晰的收益模式,也跟国内的电力储能标准滞后有关。我国的国标《电化学储能电站设计规范 GB510482014》明确要求,直流侧电压应根据电池特性、耐压水平、绝缘性能确定,不宜高于1kV

 

而最新的国际标准IEC63056,已经规定了最高直流电压为1500V的电力储能系统用二次锂电池和电池组的安全要求和测试方法。

 

在很多业内人士看来,随着技术的进步,行业标准修改升级1500V高压器件在光伏行业的大范围应用,使得直流高压器件已经大幅降低,这为储能直流1500V系统成本的降低奠定了器件基础,光伏1500V系统的成熟将加速储能1500V系统的落地。

 

“借助光伏已有的1500V技术平台,储能系统估计两三年之内就会全部切过来,甚至会更快。”阳光电源储能解决方案总监汪东林告诉“储能100人”。

 

技术迭代的关键

 

600V 1000V再到1500V,电力电子技术往往呈现阶梯式发展,通常是整体技术同时提升后至平稳阶段,然后在行业技术积累至下一个阶段时再次飞跃。

 

1500Vdc光伏逆变器已经推出数年,经历多次技术迭代。“光伏逆变器与储能PCS硬件器件方面95%是基本相同的,只是在软件程序上有所区别。1500Vdc的储能变流器在光伏逆变器的基础上改改很快就可以实现,难度也不大。”一位逆变器企业的专家表示。

 

其实更大的难度在于储能系统的复杂性。一般来说,电压升高,风险和安全隐患只会增加。首先,现在锂电池单体的额定电压只有3.2伏,与1000V 相比,意味着串联的电芯数量将大幅增加,从300多个上升到400多个,最大的问题就是它的不一致性

 

其次,直流电压越高,更容易对于灰尘沉积导致绝缘不好,电气间隙和爬电间距不够的地方形成电击穿,漏电,从而发生拉弧或触电安全隐患。而且一旦拉弧后,由于直流电压高能量大更难以熄灭。

 

再次,BMS系统、控制系统得重新调整,设备与设备之间需要重新匹配,从而造成整个储能系统的安全保障难度增加。

 

一位业内人士表示了同样的担忧,从电力电子的特性来说,光伏与储能在本质上没有特别的差异。最大的差异还是直流侧的安全设计,锂离子电池作为一种电压源,是一个巨大的能量体,在系统的安全设计等方面,难度要比光伏大很多。

 

作为常年在海外征战的阳光电源,正式进军储能系统集成已经有5年时间。在海外投运的大型储能项目80%以上为1500V储能系统,目前正将海外的发展经验向国内移植,近期将在国内正式投运1500V储能系统。

 

迎接“大”时代:1500V汹涌而来(图2)

汪东林介绍,在直流侧管理方面,阳光电源解决一些关键技术难题。除了对电池逐级管理外,在电池模组、电池簇、开关盒、PCS等关键节点采用熔丝进行分级保护,此外,一旦电池侧出现故障,BMS可以直接与PCS联动,实现ms级快速保护,将事故扼杀在萌芽状态。

 

针对高压直流带来的安全性问题,无疑对零部件的技术及协作能力要求更苛刻。对电池PACK、机架绝缘的要求会更高BMS甚至要求光电隔离,绝缘间距要加大。电缆的耐压将提升至2500-3300VIGBT晶体管也得从1700V提升至3300V一家储能系统集成企业的技术总监认为,高电压等级间接拉高了行业门槛,有助于提升行业质量,不符合标准的零部件在更高电压等级下会更快的暴露出问题。

 

一直以来,高昂的成本是制约着电化学储能的大范围推广的主要因素之一,降本增效是行业发展的长期任务。从本质上说,1500V并非革命性技术,但它的诞生对于平静了许久的储能行业无疑是一针强心剂。从技术方案的角度看,1500V储能+1500V光伏会更加匹配,二者有望成为光储融合的最佳拍档。

 

1500V虽然还处在大家共同推动的起始阶段,还存在一些问题和挑战,但在整个产业链各个环节共同参与克服下,电化学储能朝着更大电压和更大功率的方向发展,是未来发展的主旋律。乐观者预计,在规模化发展和技术不断进步的情况下,快则3年,慢则3-5年,“新能源+储能”将彻底实现平价。电化学储能的大规模应用,只是时间问题。


迎接“大”时代:1500V汹涌而来(图3)

迎接“大”时代:1500V汹涌而来(图4)

迎接“大”时代:1500V汹涌而来(图5)


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