电化学储能“华能方案”演进与展望

打造能源革命发展新质“引擎”

电化学储能“华能方案”演进与展望

“十四五”以来，新型储能快速发展，有力支撑了我国能源绿色低碳转型和经济社会高质量发展。2025年9月，国家发改委、能源局联合印发《新型储能规模化建设专项行动方案（2025～2027年）》，明确到2027年全国新型储能装机达到1.8亿千瓦以上，带动直接投资约2500亿元，且技术路线仍将以锂离子电池储能为主。

围绕碳中和及新型电力系统建设需求，清能院储能技术部深耕电化学储能技术十余年，持续推进电化学储能技术革新，构建了大规模智能分散式电池储能技术体系，显著提升了电池储能系统的可用容量、综合效率及安全性，引领了行业发展。

作为国内率先进行大规模储能电站建设的央企单位之一，清能院早在2022年就已跻身国内储能集成商头部阵列，在国内储能系统出货量排名第7。截至2025年9月，院电化学储能关键技术成果转化业绩已达8吉瓦时。

本文系统梳理清能院储能技术研发与工程实践经验，聚焦系统架构、控制策略与安全管理等核心技术创新，展望未来发展趋势，以期为行业高质量发展贡献华能智慧。

一、储能系统架构

电化学储能系统的电气架构对系统的充放电控制颗粒度、效率、可用容量及可靠性等关键指标具有重要影响。目前，主流的储能系统架构包括集中式、分散式以及高压直挂储能技术。清能院通过持续创新，推动储能架构从粗放式集中管理向精细化分散控制演进，最终迈向高压直挂式先进拓扑。

（一）集中式储能架构

传统集中式储能系统一般将多个电池簇并联汇流，通过兆瓦级储能变流器（PCS）进行集中式能量处理。这种储能架构的拓扑结构简单，PCS单机功率相对较大，初期设备成本较低。但将大量电池簇直接并联的粗放式能量管理会引发“木桶效应”、簇间环流等固有缺陷，导致系统可用容量降低，故障易扩散，制约大规模应用安全性与经济性。

（二）分散式储能架构

为攻克集中式储能架构固有的技术瓶颈，清能院立足自主创新，构建了国际先进的分散式电池储能技术体系。以分散化、模块化为核心设计理念，通过簇级精细化能量管理，显著提升了大容量储能系统的可用容量、综合效率、运行安全性及循环寿命。

清能院于2017年申请专利“一种光伏电站用直流侧分布式储能系统”，首次将分散化、模块化理念应用于光伏配套储能。

2018年，进一步通过专利“一种电池储能系统架构”，在行业内首次明确提出“一簇一管理”的两级功率变换分散式架构，从拓扑结构上根本性消除簇间环流。

此后，清能院优化提出单级变换架构专利，实现每个电池簇经独立小功率PCS处理能量，在保留精细控制优势的同时进一步提升效率和经济性。目前该架构已成为储能领域的主流应用架构。

图1  单级功率变换的分散式电池储能系统架构

相较于集中式储能，分散式储能的核心优势在于实现了簇级独立控制，彻底解决了并联环流、“木桶效应”等痛点。系统对电池一致性要求降低，兼容性更强，运维操作得以简化，在容量可用率、循环寿命及整体安全性方面展现出显著优势，技术指标达到国际先进水平。

某省2021年同期建成的两座百兆瓦级储能电站规模均为100兆瓦/200兆瓦时，均采用同品牌280安时电池，但分别采用了分散式与集中式技术。经过近两年半的运行后，分散式电站的可用容量比例仍高出集中式5个百分点，凸显了分散式技术高可用容量的优势。对比情况如表1所示。

表1  两种技术路线的储能电站可用容量情况

由实测结果可知，分散式电站电池簇荷电状态（SOC）最大不平衡度为4.2%，远低于集中式电站的27%，表明分散式技术能通过簇间均衡控制有效维持SOC一致，使系统可用容量显著优于集中式方案。

在电池簇电流分布情况上，分散式电站中各电池簇电流分布均衡，而集中式电站则差异显著，尤其在充放电始末阶段。这种不均衡会导致簇间功率分配不均，加速电池老化和系统容量衰减。

清能院还自主研发了分散式储能专用的电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）和模块化PCS等关键设备，先后建成全球首座百兆瓦级分散式独立储能电站、全球首座百兆瓦级分散控制构网型储能电站、国内容量最大的单层站房式储能电站等多项标杆工程，彰显了清能院在行业技术发展中的引领地位。

（三）高压直挂式储能架构

尽管分散式储能有效解决了环流与“木桶效应”等问题，但在面向吉瓦时级超大规模储能电站建设时，仍面临单机容量有限、系统集成复杂度高、依赖工频变压器导致效率与稳定性受限、散热与防护矛盾突出等挑战。

为突破上述瓶颈，清能院于2021年成功牵头研制全球单机容量最大的35千伏/25兆瓦高压直挂储能系统。该系统采用级联H桥变换器拓扑，实现电池簇经功率单元逆变后串联形成高压，直接挂接35千伏电网，省去工频变压器环节。此举在显著提升单机容量、系统效率及响应速度的同时，延续了分散式架构对电池簇的精细化管理优势。

图2  高压直挂储能系统架构

2023年，该技术示范应用于北方上都风电基地储能项目一期，实测充放电效率达91.85%，较低压储能系统提升约4个百分点。2024年，在青海海南州建成全球海拔最高（3000米）、规模最大（600兆瓦时）的高压直挂储能电站，标志着该技术进入大规模应用阶段。2024年6月，经中国电机工程学会鉴定，认为“35千伏/25兆瓦高压直挂电池储能系统”成果达到国际领先水平。

二、构网型储能

随着新能源与电力电子设备渗透率持续提升，电力系统呈现惯性降低、强度减弱的趋势，电网稳定性面临严峻挑战。构网型储能可模拟同步发电机的外特性，具备自主构建电压和频率的能力，可主动支撑电网电压与频率，提升系统惯量与短路容量，成为增强高比例新能源电网稳定性和灵活性的关键手段。

清能院持续深入构网型储能技术研发，先后成功研制构网型模块化PCS和自适应主动支撑型高压直挂储能系统，牵头发布了《构网型储能变流器技术规范》团体标准。

传统低压储能受限于PCS单机容量小，在构网运行时需协调数百台电压源型PCS实现毫秒级协同控制，技术难度极大。而高压直挂储能单机容量可突破20兆瓦，百兆瓦级电站仅需数套系统即可构建，极大简化了整站控制架构，显著提升了系统响应速度和可靠性。凭借与主电网电气距离更近、响应速度快、控制稳定、无需变压器等优势，高压直挂储能高度契合新型电力系统对高功率、快速主动支撑的构网储能需求，有望成为构网型储能的主要发展方向。

三、储能系统安全

（一）消防安全

电池热失控风险是储能行业的共性挑战。为抑制热失控蔓延，电站普遍配备专用消防系统。然而，传统气体灭火剂如七氟丙烷、全氟己酮存在降温效果差、抗复燃能力弱等问题；液氮虽可快速降温和隔绝氧气，存在泄露、成本高、部署复杂等缺点；水基灭火剂虽具备高效降温、环保与经济性优点，却受限于绝缘性能较差。

针对以上痛点，清能院自主研发了压缩空气泡沫灭火系统。该系统通过生成低含水量的气液两相灭火介质，有效融合气体与液体灭火优势，可实现秒级灭火、快速降温，并能保证12小时以上持续抗复燃。该系统所产泡沫电导率极低，对电池电学性能无影响，从根本上避免了因绝缘问题引发的二次电气事故。

图3  压缩空气泡沫灭火降温效果及绝缘安全性实验

清能院压缩空气泡沫灭火技术已在莱芜、上都等多个储能电站推广应用，并于2024年获工信部能源电子产业创新大赛新型储能赛道一等奖。未来，储能消防将朝着高效降温、长时抑燃、安全环保的水基消防方向持续发展。

（二）储能热管理系统

随着电池储能系统规模持续扩大，热管理已成为保障其安全稳定运行的关键。电池在充放电过程中产生大量热量，若不能及时均匀导出，易导致局部过热，引发热失控甚至火灾，同时散热不均还会造成电池间温度差异，产生“短板效应”，严重影响系统整体性能与寿命。

当前热管理主要面临两大挑战：系统功率密度高、布局紧密，散热空间有限；电网调频等高倍率应用对散热效率要求极为严苛。

风冷技术因结构简单、成本低曾得到广泛应用，但其换热效率低、均温性差，市场份额已显著萎缩。液冷技术凭借更高的换热效率和可靠性已成为当前主流方案，普遍采用底板液冷方式，通过冷却液循环带走热量，但其主要对电池底面散热，难以保证电池内部温度均匀性。

浸没式冷却是一种直接液冷方案，将电池直接浸没在绝缘且高导热的冷却液中，实现电池全表面与冷却液连续直接接触和持续散热，有效提升了散热均匀性。随着其可靠性和经济性显著提升，浸没式冷却成为下一代电池热管理主流技术并实现大规模应用。

（三）运维安全——储能智慧运维

清能院持续推进储能数字化转型，通过深化大数据挖掘与应用，有效提升电化学储能系统安全性与运行效率，并助力商业模式创新。2021年，建成大型群组电池储能电站智慧运维系统，实现状态监测与智能预警，接入规模达725兆瓦时。2023年，“GWh级储能电站海量数据边缘计算与云边协同智能管理系统”49项核心功能通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）、中国计量（CMA）认证，其电化学储能智慧运维系统获“整体国际领先水平”鉴定，并入选华能首台（套）重大技术装备。2024年，系统完成升级迭代，新增设备健康分析、超温预警与一致性优化等功能，进一步提升电站可靠性与经济性。2025年，“电池储能电站火灾智能预警关键技术研究与应用”再获“国际领先水平”鉴定。未来，储能数字化将深度融合大数据、人工智能等技术，实现全生命周期智能管理，持续提升运营效率与经济效益。

四、储能核心设备的国产化

为应对储能关键设备核心芯片及器件长期依赖进口的“卡脖子”风险，清能院积极履行央企责任，着力提升设备国产化率，保障产业链供应链安全。通过持续推进国产元器件的性能测试与应用研究，成功研发出基于国产芯片的“3S”（BMS、PCS、EMS）一体化系统，构建起自主可控的储能系统国产化方案。

在BMS方面，清能院实现了从控核心采样模拟前端芯片（AFE）、主控微控制器（MCU）至总控中央处理器（CPU）的全国产化替代，完全满足储能系统对数据处理、通信和控制的各项需求。其开发的“巧历”智能EMS，基于国产海光、飞腾等处理器平台及Linux系统，具备海量数据处理、分时分区动态控制、边缘计算和电站全景分析优化等先进功能。此外，在PCS功率半导体器件与控制芯片的国产化替代研究方面已取得阶段性进展。

五、先进储能电池

为应对锂资源供需波动与供应链安全挑战，发展多元化先进储能电池技术，形成对锂离子电池的有效补充，已成为行业重要方向。钠离子电池因其工作原理与锂离子电池相近，在发挥建设周期短、选址灵活等优势的同时，更具资源储量丰富、低温性能优异、安全性高等特点，被视为当前最具前景的替代路线。

在钠电方面布局上，清能院首创高压直挂钠离子电池储能系统集成技术，系统综合能量效率较低压方案提升约3%，处于行业领先水平。清能院将建成国内首个50MWh级高压直挂锂钠混合储能系统（其中钠离子电池容量为20MWh），具有重要的示范意义。

随着我国新型储能装机规模持续快速提升，电化学储能作为构建新型电力系统的关键支撑，正朝着高能量密度、精细化控制、智能化管理、高安全可靠的方向加速演进。面向未来吉瓦时级超大规模储能电站的建设需求，系统架构、热管理、消防预警与智慧运维等环节仍存在优化空间。

十余年来，清能院坚持自主创新，在国内率先布局电化学储能技术研发，逐步构建起覆盖储能电站、智慧运维、检测认证及换电重卡等多维业务的技术体系。先后突破分散式控制、构网型储能、高压直挂架构、储能安全消防等关键技术，先后建设引领行业技术发展方向的标杆性储能电站。

立足新起点，清能院愿与各界携手，在国家和集团战略引领下，共同推进电化学储能技术迭代与产业协同，为构建新型能源体系、保障国家能源安全持续贡献“华能方案”。