华能清能院以产学研协同创新探索电化学储能新路径

白天阳光充足时，把暂时用不完的电存起来；到了晚上，再把电送出来。储能电站就像一个大型“充电宝”，让风和阳光带来的绿色电能，在人们需要的时候派上用场。

然而，随着这个“充电宝”做得越大，面临的难题也越多：怎样减少电能存取过程中的损耗？怎样让众多电池协调工作？电网急需用电时，能不能更快作出反应？

为此，中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司（以下简称“华能清能院”）牵头，联合上海交通大学、广州智光储能科技有限公司（以下简称“广州智光”）等单位围绕电池究竟该怎样连接电网这一基础问题开展攻关。

换一种连接方式

让电能少一些损耗

就像给手机充电，需要充电器帮助调整电压。储能电站与电网连接，也需要解决电压匹配的问题。

2021年，华能清能院牵头推进联合攻关，将电站对大容量、低损耗、快速响应的需求转化为研发目标，与上海交通大学、广州智光等合作单位共同探索新的系统方案。

以中国华能创新领军人才刘明义为带头人的技术团队提出了新思路，团队采用的方法，可以理解为“搭台阶”：每组电池配上能够独立调节的电能转换装置，再把这些装置输出的交流电压逐级叠加，最终达到35千伏，直接接入相应电压等级的电网。

专业上，这种连接方式叫作“级联”。它的关键在于用可控的电力电子装置完成电压叠加，让储能系统省去接入35千伏电网时原本需要的工频升压变压器。这也是“高压直挂”名称的由来。

连接方式变了，建设大储能电站的思路也随之改变。一套系统可以做得更大，同样规模的电站，所需并排连接的系统就更少；少了一道变压器环节，电能损耗随之降低；每组电池能够独立调节，状态不同的电池也能得到更合理的使用。

这样的改变触及储能系统的基本结构。团队跳出了“增加低压设备、再集中升压”的传统路径，把电池如何组织、电压如何形成、设备如何协作放在一起重新设计，体现了这项技术的颠覆性创新。

通过这项创新，研究团队将电化学储能系统的效率由行业平均的85%~87%，大幅提升至91%以上。在相应测试条件下，每充入100千瓦时电，可以再放出超过91千瓦时电。

联手攻关

让大胆设想经得起现实考验

图纸上的新“接法”，要成为电站里可靠运行的设备，需要跨过一道道难关。

变压器原本还承担着电气隔离的作用。省去它之后，如何防止不该带电的部位带电？许多电池和电能转换装置装在一起，怎样避免过热？一个部件出了故障，会不会让整套系统停下来？

这些问题，需要科研、设备研制与工程应用共同作答。作为牵头单位，华能清能院着力把各环节衔接起来：电站需要怎样的设备，科研方案如何实现，不同部件装在一起能否可靠运行，都要放在整套系统中考虑。与上海交通大学、广州智光的联合研发，也由此贯穿方案研究、计算机模拟、部件开发和整机测试。

2021年下半年，联合团队先在计算机中建立整套系统的模型，再推进控制装置、电能转换装置和电池管理系统开发。华能清能院围绕系统集成与控制中的难题，与合作单位共同推进绝缘、散热、消防设计及组装调试，让不同专业、不同设备围绕同一个目标协同工作。

首先要解决的是绝缘问题。高压设备需要更加可靠的绝缘保护。团队专门设计绝缘支撑结构，并配备监测手段，同时处理高压环境对控制信号的干扰，让设备既能安全工作，也能准确接收和执行指令。

降温同样是一门学问。电池和电能转换装置都会发热，但发热的快慢、集中程度并不相同。如果用同一种方式一概处理，就难以兼顾。

团队为不同部件设计适合的冷却通道，让冷却液把热量带走，使一组电池内部的电芯温差保持在3摄氏度以内。同时，还要控制冷却液的导电能力，避免降温过程中引入新的绝缘风险。针对电池火灾，团队研发了导电能力极低的水系泡沫灭火技术，兼顾灭火降温和电气安全需求。

另一个难题，是让众多单元既各司其职，又配合默契。团队开发了故障识别与绕行控制功能：及时发现异常，隔离有问题的单元，再调整其他单元的工作状态。在设计允许的故障范围内，系统可以绕过局部故障，继续运行。

同时，控制系统还会根据各组电池的剩余电量协调任务，避免有的电池已经接近极限，有的却没有充分利用。

从“能否这样连接”到“怎样长期可靠运行”，华能清能院推动联合攻关从原理走向整机。

走进新能源场站

把创新写在工程现场

中国华能的多项新能源工程为创新成果从样机走向应用提供了实践平台。2022年7月，团队发布单机功率20兆瓦的35千伏高压直挂储能系统。2023年5月，团队进一步提升系统功率至25兆瓦，并在华能上都百万千瓦级风电基地配套储能项目实现示范应用。

2024年，由华能青海分公司投资开发、华能清能院研发承建的青海海南州储能电站实现并网运行。电站设计储电容量达60万千瓦时，由6套大容量高压直挂储能系统组成，建成了全球规模最大、海拔最高的高压直挂储能电站。按每户每天使用10千瓦时电作比较，该电站一次放电即可为约6万户家庭提供全天电能。

在青海，高原环境又带来了新的考验。空气稀薄，会影响电气设备的绝缘性能。华能清能院研发团队根据当地条件，调整绝缘设计和带电部件之间的安全距离，并保留裕量，让新设备适应高海拔运行环境。

随着应用深入，团队还让储能多了一项本领：帮助电网保持稳定。电网运行需要维持稳定的电压和频率，好比一支队伍需要保持步调。当发电、用电出现变化时，储能除了按指令充放电，还可以主动参与调节，帮助电网稳住运行节奏。这就是构网型储能的重要作用。

高压直挂系统单套设备容量大、需要协调的并联系统少、响应快，为实现这一功能提供了条件。2023年12月，相关构网型系统在甘肃干河口项目投运并通过试验验证。2024年6月，团队又完成高压储能联合燃煤机组的黑启动及同期试验，验证了储能在缺少外部电源时帮助机组启动、随后协调接入运行系统的能力。

近日，由华能清能院牵头完成的“高效大容量35千伏高压直挂储能系统集成与控制关键技术及工程应用”获得2026年度电力创新奖特等奖。从改变系统架构，到推动设备研制和电站应用，华能清能院将高校、企业与工程现场连接起来，为电化学储能电站的规模化应用开辟了一条新路径。截至8月底，该成果已在多个项目推广应用，累计装机规模超过300万千瓦。