01、研究背景
吉瓦級儲能電站已成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，每年新增15 GW/30 GW?h電化學儲能是落實“碳中和·碳達峰”目標的有效舉措。江蘇、河南、湖南、青海等省份百兆瓦級電化學儲能電站的成功投運，驗證了大規(guī)模儲能電站快速響應(yīng)、精準調(diào)頻、應(yīng)急支撐等作用，為儲能電站的工程運行積累了豐富經(jīng)驗。但現(xiàn)有電站因投資主體、歸屬權(quán)不同，導致多個百兆瓦級電化學儲能電站之間難以協(xié)同控制，無法充分發(fā)揮電站匯聚效應(yīng)，而吉瓦級電化學儲能電站是解決該問題的首選。吉瓦級電化學儲能電站可被定義為：在同一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，可以由電網(wǎng)進行統(tǒng)一調(diào)度的集中或分布式電化學儲能容量達到吉瓦級。其主要特征為：①容量達到吉瓦級；②同一區(qū)域電網(wǎng)；③受統(tǒng)一調(diào)度。針對未來儲能裝機缺額，吉瓦級儲能電站是一種可行的解決手段，推進吉瓦級電化學儲能電站建設(shè)已迫在眉睫。
吉瓦級電化學儲能電站的建設(shè)仍然面臨著許多難題。吉瓦級電化學儲能電站系統(tǒng)集成難度大、運行調(diào)控策略實現(xiàn)復(fù)雜，目前仍處于摸索階段。在兆瓦級電化學儲能電站由數(shù)十兆瓦發(fā)展到百兆瓦的過程中，曾遇到過電池選型指標及并網(wǎng)指標不完善、不適宜，電站結(jié)構(gòu)中經(jīng)濟性與安全性不平衡，現(xiàn)有應(yīng)用場景發(fā)展及新型應(yīng)用拓展取舍等問題，因此在電站規(guī)模進一步提升至吉瓦級的過程中，吉瓦級電化學儲能電站需要借鑒已有的兆瓦/百兆瓦級電化學儲能電站運行經(jīng)驗，加強在這些方面的理論分析，才能加快吉瓦級電化學儲能電站的建設(shè)，推動新型電網(wǎng)格局的形成與穩(wěn)定運行，貫徹落實國家“四個革命、一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略。
為推進吉瓦級電化學儲能技術(shù)發(fā)展，本文討論了吉瓦級儲能電站的電池選型指標及并網(wǎng)指標；分析了不同電站結(jié)構(gòu)發(fā)展及其優(yōu)劣，為吉瓦級電化學儲能電站集成規(guī)劃提供參考；梳理了吉瓦級電化學儲能電站可行的應(yīng)用場景，為吉瓦級電化學儲能電站指標體系建設(shè)提供指引。
02、吉瓦級電化學儲能電站發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
儲能可以解決新能源占比提高問題，但水力儲能手段由于受到地理位置、占地面積等因素限制，近年來發(fā)展緩慢。而電化學儲能逐漸受到世界各國重視，國內(nèi)外紛紛開展示各類電化學儲能示范工程項目，在應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的同時，電站規(guī)模也不斷擴大。國內(nèi)電化學儲能示范工程發(fā)展情況如表1所示。
表1 國內(nèi)電化學儲能示范工程發(fā)展情況
據(jù)權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，在“十三五”期間，全球電化學儲能容量由1.3%上升到3.7%，繼而增至5.2%，且仍保持著上升態(tài)勢。從電化學儲能占比的不斷上升可以看出，盡管各國在地理環(huán)境、人口需求和電力市場等不同方面存在差異，但電化學儲能電站仍是各國政府非常重視的輔助新能源發(fā)電/電網(wǎng)支撐的核心技術(shù)及裝備，且對其投資力度逐年升高。
03、吉瓦級電化學儲能電站關(guān)鍵技術(shù)指標
吉瓦級電化學儲能電站的電池技術(shù)指標以及并網(wǎng)指標的建立需要考慮其技術(shù)特點。對電站安全性的考驗應(yīng)按照相關(guān)指標進行約束；吉瓦級電化學儲能電站的設(shè)備選型，如電池選型、PCS及變壓器等并網(wǎng)設(shè)備選型，需要根據(jù)相關(guān)指標、經(jīng)濟型、安全性、設(shè)備性能做出選擇；電站應(yīng)保證一定的綜合效率。
目前國內(nèi)儲能電池的發(fā)展仍在不斷迭代，考慮到磷酸鐵鋰電池的技術(shù)較為成熟、綜合性能也比較優(yōu)良，可以作為主體電池使用；同時如鉛炭電池、液流電池等在不同應(yīng)用場景下具有應(yīng)用價值，可以選擇性使用。在并網(wǎng)指標制定時，需要統(tǒng)籌考慮電站綜合效率、電站設(shè)備選型以及安全水平要求，制定符合電站利益、電網(wǎng)收益的并網(wǎng)指標。
04、吉瓦級電化學儲能電站結(jié)構(gòu)
4.1 吉瓦級電化學儲能電站集成結(jié)構(gòu)分析
目前存在電壓（方案1）、電流（方案2）及電壓電流共同作用（方案3）三種電站集成結(jié)構(gòu)，其中方案3均衡型儲能電站集成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 方案3均衡型儲能電站集成結(jié)構(gòu)
在相同的容量要求下對比3種方案發(fā)現(xiàn)：方案1中傳統(tǒng)電化學儲能電站通過提高并聯(lián)電池子單元數(shù)量提升電流，最終提高功率的方法需要加裝多個變壓器，導致成本過高；方案2通過儲能電池單體的高度集成提高儲能模塊電壓，經(jīng)過功率單元后直接接入高壓電網(wǎng)，此方案省去了變壓器成本，經(jīng)濟性較好，但現(xiàn)有技術(shù)無法將功率單元的器件耐壓提升到承受高壓電網(wǎng)電壓的水平；第3種方案均衡提升電壓與電流，一方面其功率單元承受的電壓小于方案2，目前的技術(shù)已有望實現(xiàn)，另一方面儲能子單元數(shù)量增多提升了電站的容錯率，其故障后切斷或檢修計劃不會導致電網(wǎng)出現(xiàn)過大的電力缺口。
4.2 電化學儲能電站監(jiān)控結(jié)構(gòu)分析
對吉瓦級電化學儲能電站的結(jié)構(gòu)及其監(jiān)控結(jié)構(gòu)的規(guī)劃需要統(tǒng)籌考慮電站的應(yīng)用場景、電站效率、安全性等方面，結(jié)合現(xiàn)有的成熟技術(shù)以及新興的潛力技術(shù)，建立具有高安全性能、良好經(jīng)濟效益、靈活控制效果的吉瓦級電化學儲能電站。 電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)
05、吉瓦級電化學儲能電站應(yīng)用場景
5.1 大規(guī)模電化學儲能電站應(yīng)用現(xiàn)狀
吉瓦級電化學儲能電站具有廣闊的發(fā)展空間，目前國內(nèi)已有對于吉瓦級電站的規(guī)劃，青海海西州計劃在格爾木、烏圖美仁等地區(qū)建設(shè)1 GW/2 GW?h電化學儲能電站，河南、山西、福建、云南、蒙古等地也已對吉瓦級電化學儲能電站的可行性進行討論并進入了部署階段。
5.2 吉瓦級電化學儲能電站電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用
1）吉瓦級電化學儲能電站通過接收上級調(diào)度可以與新能源發(fā)電站之間協(xié)調(diào)控制，有利于新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中的暫態(tài)頻率響應(yīng)特性；同時，儲能裝置的電壓及無功快速調(diào)節(jié)能力可實現(xiàn)就地無功功率補償，緩解可再生能源并網(wǎng)導致的電壓波動問題。
2）吉瓦級儲能作為調(diào)頻資源，其容量足夠大，運行成本遠小于常規(guī)調(diào)頻電源，且其作為調(diào)頻資源具備快速響應(yīng)能力，可以將頻率波動對電網(wǎng)的影響降至最小。
3）吉瓦級電化學儲能電站的規(guī)模巨大，足以提供電網(wǎng)級別的電能儲備服務(wù)，在電網(wǎng)的負荷低谷期儲備電能，在負荷高峰期釋放電能支撐電網(wǎng)運行，從而在提升電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的同時增加了電網(wǎng)經(jīng)濟效益。
5.3 吉瓦級電化學儲能電站發(fā)電側(cè)應(yīng)用
吉瓦級電化學儲能電站應(yīng)公平參與電力現(xiàn)貨交易市場，在接受電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度時，遵循“誰獲益，誰付錢”的原則，進行公平對等交易，推廣吉瓦級電化學儲能電站的商業(yè)模式；在收益方面，吉瓦級電化學儲能電站應(yīng)將現(xiàn)有的電化學儲能電站技術(shù)集成于吉瓦級電化學儲能電站內(nèi)，在具備調(diào)壓、輔助調(diào)頻、黑啟動等功能的基礎(chǔ)上，借助虛擬同步機、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)第新興技術(shù)，為不同的利益主體提供亟需的服務(wù)，打造獲益模式多元的良性、長遠的商業(yè)模式。
06、結(jié)語
吉瓦級電化學儲能電站是實現(xiàn)碳中和、碳達峰國家戰(zhàn)略的有力保障，其規(guī)模化發(fā)展是歷史必然。本文對吉瓦級電化學儲能電站的關(guān)鍵技術(shù)進行了解析，得出如下結(jié)論：吉瓦級電化學儲能電站需統(tǒng)籌考慮多個方面，進行電站的規(guī)劃、布局；兼顧安全性、經(jīng)濟型等指標選擇電池；根據(jù)吉瓦級電化學儲能電站功能定位設(shè)計電站結(jié)構(gòu)；以完善的指標體系引領(lǐng)吉瓦級儲能電站發(fā)展；效仿青海等地區(qū)的共享儲能等優(yōu)良商業(yè)模式，以政策發(fā)布作為引領(lǐng)，建立吉瓦級電化學儲能電站的獨特商業(yè)模式。
