儲能市場潛力巨大

儲能技術(shù)日新月異

全球各國當(dāng)下都面臨著新冠疫情和供應(yīng)鏈短缺的雙重壓力[1]，儲能技術(shù)正成為許多國家在推動碳中和和目標(biāo)進(jìn)程最關(guān)鍵的選擇之一。全球新型儲能市場也逆勢而行，2021年依然保持著高速增長態(tài)勢：新增裝機(jī)規(guī)模和增長百分比分別為18.3GW以及185%。其中引領(lǐng)全球增長的依然是美、中、歐三巨頭，三者合計占據(jù)了全球市場的80%。截至2022年，全球儲能市場占比情況如圖1。

    圖1：全球儲能市場占比情況

                （數(shù)據(jù)來源：中國能源研究會儲能專委會、中關(guān)村儲能行業(yè)技術(shù)聯(lián)盟）

（一）應(yīng)用場景

儲能市場的核心應(yīng)用場景可以分為3類，即發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)以及電網(wǎng)側(cè)，除三大核心應(yīng)用場景外，還有一類為輔助服務(wù)側(cè)。

圖2：儲能三大核心應(yīng)用場景

（圖片來源：Choice數(shù)據(jù)）

^{新能源發(fā)電側(cè)是其主要應(yīng)用方向。目前儲能主要應(yīng)用于新能源并網(wǎng)為大電站配儲，以滿足電網(wǎng)在輸配容量、電頻波動控制等方面的需求，同時有效降低因電網(wǎng)滯后性導(dǎo)致的棄風(fēng)棄光等問題[2]。}

其次，用戶側(cè)應(yīng)用裝機(jī)是其應(yīng)用的次要方向，儲能在用戶側(cè)主要是指與工商業(yè)、用戶等分布式電源配套或作為獨(dú)立儲能電站應(yīng)用。由于海外為市場化電價，在用戶側(cè)裝機(jī)進(jìn)行自發(fā)自用具備較高的經(jīng)濟(jì)性價值，當(dāng)?shù)氐碾妰r越高，其經(jīng)濟(jì)性就越顯著。

再次，電網(wǎng)側(cè)分應(yīng)用裝機(jī)的第三方向，主要指電力市場的調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)。由于新能源發(fā)電存在不穩(wěn)定性、間歇性等問題，需要將儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)，在調(diào)峰調(diào)頻的指令下進(jìn)行充放電調(diào)度。輔助服務(wù)側(cè)的分應(yīng)用裝機(jī)占較小部分，主要為5G基站配儲。

輔助服務(wù)指除前述場景外，由發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)和電力用戶提供的服務(wù)，其中5G基站的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)發(fā)展迅速，且5G基站功耗巨大配儲具備必要性，未來基站配備用電源端的配儲需求也將不斷增大。

（二）儲能技術(shù)

從全球儲能項目構(gòu)成看，比較成熟的儲能技術(shù)分別為抽水蓄能和電化學(xué)儲能，此外飛輪儲能、氫氣儲能等在未來電力儲能發(fā)展也有較好前景，電化學(xué)儲能裝機(jī)量的增長最為迅猛，成為推動儲能市場發(fā)展的主要力量。

   表1：儲能技術(shù)概況（部分）

儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善

競爭格局逐漸明朗

（一）儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈基本結(jié)構(gòu)

儲能系統(tǒng)是以電池為核心的綜合能源控制系統(tǒng)。主要包括

• 電芯、能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）
• 電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）
• 儲能變流器（Power Conversion System，PCS）

^{等多個部分，其中電芯是儲能系統(tǒng)的核心[3]。BMS、EMS以及PCS分工配合，分別執(zhí)行電池的檢測評估、數(shù)據(jù)采集以及控制調(diào)度等指令，與電芯共同構(gòu)成能源控制系統(tǒng)。其中，Choice數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈研究平臺將儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈分成上中下游三個環(huán)節(jié)。電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)鏈上游為電池、電池管理、能量管理系統(tǒng)以及儲能變流器等設(shè)備供應(yīng)商；中游為儲能系統(tǒng)集成商、施工企業(yè)等；下游為終端應(yīng)用客戶，包括風(fēng)／光／傳統(tǒng)電站、電網(wǎng)公司、工業(yè)儲能、家用儲能等。儲能產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)如圖3。}

圖3：儲能產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

（數(shù)據(jù)來源：Choice數(shù)據(jù)）

（二）儲能產(chǎn)業(yè)鏈基本競爭格局

寧德時代等龍頭企業(yè)在儲能電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和材料體系上完善技術(shù)布局，建立全球競爭價格優(yōu)勢，加劇行業(yè)技術(shù)壁壘，有望率先受益于儲能市場需求的爆發(fā)。因儲能電池與動力電池同源，但對能量密度和循環(huán)次數(shù)的要求不同，所有生產(chǎn)動力電池的企業(yè)均可做儲能電池。

從國內(nèi)來看，儲能產(chǎn)業(yè)鏈布局較為完善，產(chǎn)業(yè)鏈每個環(huán)節(jié)都有大量企業(yè)入局，包括不少國資背景企業(yè)。其中發(fā)展最為迅猛的是BMS、PCS兩大環(huán)節(jié)，最為矚目的寧德時代和比亞迪在這兩大板塊占據(jù)主要地位。國內(nèi)儲能企業(yè)情況概況如表2。

                                                  表2：國內(nèi)儲能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)布局概況

儲能專用電流傳感器ES-600

開步睿思助力儲能行業(yè)

（一）儲能系統(tǒng)中的BMS和PCS與電流傳感器

1、BMS與PCS

電池作為能源儲備裝置，其核心是充、放電性能中剩余容量估算及對電池的保護(hù)，而BMS需要具備精確測量該性能的能力。電池管理系統(tǒng)可視為電池安全衛(wèi)士，主要功能就是智能化管理及維護(hù)各個電池單元，實時監(jiān)控電池的剩余容量狀態(tài)以避免出現(xiàn)電池出現(xiàn)過充電和過放電情況，盡可能地延長電池的使用壽命[4]。而電池管理系統(tǒng)平穩(wěn)、安全可靠、高效運(yùn)行過程中，電流傳感器發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

^{儲能變流器（PCS）由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構(gòu)成，是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。其主要用來控制蓄電池的充、放電過程、進(jìn)行交直流的變換以及保證在離網(wǎng)狀態(tài)下直接為交流負(fù)荷供電。PCS可根據(jù)后臺通過CAN通訊端口發(fā)出控制指令，對電池進(jìn)行充電或放電，實現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)，最終確保電池運(yùn)行安全[5]。而PCS控制器是否能捕捉到準(zhǔn)確且迅速的電流以及功率指令信號，主要取決于電流傳感器，因此BMS以及PCS中的電流傳感器意義重大。}

2、電流傳感器

電流傳感器是一種檢測裝置，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，在電量測量和監(jiān)測方面發(fā)揮了重要作用，是實現(xiàn)儲能系統(tǒng)智能化、自動化的關(guān)鍵設(shè)備。電流傳感器基于以下幾種物理學(xué)原理進(jìn)行電流測量。包括基于歐姆定律的分流器（shunt）、基于安培環(huán)路定律的電流傳感器以及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的霍爾（hall）電流傳感器、磁通門（fluxgate）電流傳感器等5種測量技術(shù)，還有一些利用磁場和其他物理學(xué)原理或效應(yīng)的結(jié)合其他間接測量技術(shù)的電流傳感器等等[6]。

目前我國市場上電流傳感器相關(guān)產(chǎn)品較多，但普遍存在各種問題，其中最為典型的就是測量范圍和測量精度的問題。首先，傳統(tǒng)的電流傳感器由于其測量范圍有限，導(dǎo)致其在實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用場景也存在一定的局限性，只能在有限的測量范圍內(nèi)發(fā)出正確、有效的操作指令。而且，傳統(tǒng)的電流傳感器在保護(hù)出口短路的過程中，可能會出現(xiàn)在一側(cè)電流下達(dá)到飽和的情況，而難以在很大的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)電路的保護(hù)。

具體而言，傳統(tǒng)的電流傳感器的動態(tài)波動測量能力較弱，當(dāng)蓄電池工作時電流波動大時，會同時出現(xiàn)毫安級別的充電電流和幾百安培級別的放電電流，因此，需要解決好電流大幅度變化問題、電流極小的零點(diǎn)失調(diào)問題以及小電流測量精度問題，同時也要考慮電路的使用和維護(hù)等問題。

（二）開步儲能專用ES-600電流傳感器

隨著新能源電動汽車與工業(yè)儲能的發(fā)展，基于分流器的電流傳感器已經(jīng)得到了越來越多整車廠、電池廠以及儲能集成商的認(rèn)可，其中，深圳市開步電子有限公司（以下簡稱為“開步電子”）研發(fā)設(shè)計的高精度電流傳感器系列產(chǎn)品更是得到了上述行業(yè)的普遍好評。高精度電流傳感器對儲能電站及直流充電樁的精確估算電能也起到了關(guān)鍵性的作用。

ES-600電流傳感器是開步電子為儲能系統(tǒng)專門研發(fā)的一款儲能專用的高精度電流檢測模塊，模塊包含高精度的ADC以及低溫漂的分流器。ES-600中的高精度分流器的工作原理遵循歐姆定律，具有成本低、應(yīng)用方便且精度高的優(yōu)點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，開步電子對其測量精度作出了改良設(shè)計，使其精度能夠滿足較高精度要求的電流測量應(yīng)用。電流傳感器串聯(lián)在高壓回路中，配置了電氣絕緣措施，監(jiān)測高壓母線回路中的電流，克服了電流測量時電流誤差過大、零點(diǎn)漂移大以及小電流的精度問題。高精度的ADC芯片用來采集模擬電壓然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，與分流器組合進(jìn)而實現(xiàn)電流及功率的靈活控制與精確測量，使ES-600具備電流檢測精度高、超大量程電流檢測能力等優(yōu)點(diǎn)。

ES-600具體優(yōu)勢及實現(xiàn)技術(shù)原理如下：

(1)測量范圍：ES-600電流傳感器的測量電流范圍為毫安級別到萬安級別，最高可達(dá)22400A；電流傳感器模塊的供電電壓范圍是+5.5V到+36V。電流傳感器可以很大程度上擴(kuò)大其在工業(yè)實踐中的應(yīng)用范圍，同時提高儲能系統(tǒng)保護(hù)的可靠性、測量的精確性以及對高壓系統(tǒng)保護(hù)的安全性。

(2)ES-600可自動補(bǔ)償由于溫度改變而導(dǎo)致的電阻值測量誤差，電流測量精度至少可達(dá)到±0.1%。該模塊通過快速地多次采樣分流器端上的電壓及溫度，獲得短時的多組數(shù)據(jù)，在將該多組數(shù)據(jù)帶入超高精度電流數(shù)學(xué)模型中便可精確計算出當(dāng)前電流值。該數(shù)學(xué)模型已消除了由于環(huán)境溫度的變化、分流器自身發(fā)熱帶來的阻值漂移問題。

(3)電流傳感器模塊通過分流器模塊，應(yīng)用于高壓母線中電流檢測，可監(jiān)測母線中雙向電流。其ADC芯片可測量流經(jīng)分流器上的雙向電流而產(chǎn)生的正負(fù)電壓值，最終實現(xiàn)雙向直流電流的測量，且高低壓完全隔離。因此可以運(yùn)用在電池系統(tǒng)的總正端或總負(fù)端。

(4)模塊采用了隔離的CAN2.0B接口實現(xiàn)對外通訊。ES-600電流傳感器改進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)品對外接口設(shè)置，在原來的模擬電壓或電流信號輸出接口的基礎(chǔ)上對接口模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，不僅有利于擴(kuò)大儲能系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣，而且很大程度上節(jié)省硬件成本。此外，CAN2.0B的設(shè)計使ES-600同時具備尺寸小，質(zhì)量輕且抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得電力系統(tǒng)運(yùn)行得更加安全，結(jié)構(gòu)更加合理。

ES-600電流傳感器的電流監(jiān)測動態(tài)范圍很大。不管是在高壓回路的正常運(yùn)行狀態(tài)下，還是回路中出現(xiàn)電流過大的故障時，都能準(zhǔn)確反映電流的實際值，使其在測量和運(yùn)行中實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的電路保護(hù)。另一方面，ES-600電流傳感器精確測量可以有效的估算電池剩余容量，從而精確的估算出電池充電容量和放電容量，為儲能系統(tǒng)電量精確估算提供了強(qiáng)有力的支撐，為儲能系統(tǒng)在削峰填谷的經(jīng)濟(jì)模式提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 參見余娜：《增長速度超預(yù)期儲能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展》，載《中國工業(yè)報》2022年5月。

[2] 參見中國華能集團(tuán)公司：《電力技術(shù)監(jiān)督專責(zé)人員上崗資格考試題庫-風(fēng)電電能質(zhì)量監(jiān)督》：北京：載《中國電力出版社》2014年6月。

[3] 參見全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織：《大規(guī)模儲能技術(shù)發(fā)展路線圖》,載《中國電力出版社》2020年7月。

[4] 參見周麗?。骸队糜陔妱悠囯姵毓芾硐到y(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)。

[5] 參見其魯：《電動汽車用鋰離子二次電池第4版》，科學(xué)出版社2021年版。

[6] 參見和劭延，吳春會，田建君：《電流傳感器技術(shù)綜述》，載《電氣傳動》2018年1月。

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