中國儲能網(wǎng)訊：我國碳達峰、碳中和的鄭重承諾，以及構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的要求，明確了“雙碳”背景下我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向，指明了能源電力行業(yè)服務(wù)“雙碳”目標(biāo)的核心任務(wù)、能源電力創(chuàng)新突破的努力方向和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。
未來新能源有較大發(fā)展空間
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，必然意味著新能源裝機的大幅增長。我國新能源資源非常豐富，技術(shù)上可開發(fā)的風(fēng)電及光伏資源超過50億千瓦，當(dāng)前開發(fā)量僅10億千瓦，未來新能源仍有較大發(fā)展空間。
根據(jù)國家發(fā)改委等九部門6月1日聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，我國明確2030年風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上。2035年遠景目標(biāo)，在2030年非化石能源消費占比達到25%左右和風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上的基礎(chǔ)上，上述指標(biāo)均進一步提高。可再生能源加速替代化石能源，新型電力系統(tǒng)取得實質(zhì)性成效，可再生能源產(chǎn)業(yè)競爭力進一步鞏固提升，基本建成清潔低碳、安全高效的能源體系。
預(yù)計2030年風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機規(guī)模超過煤電，成為裝機主體，新能源發(fā)電量占比到2060年前有望超過50%，成為電量主體。
同步發(fā)電機應(yīng)用于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)
作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施，電力系統(tǒng)的兩個核心目標(biāo)是保證持續(xù)可靠的供電和保證良好的電能質(zhì)量。
我們當(dāng)前的電力系統(tǒng)電源的主體是同步發(fā)電機。同步發(fā)電機基于電磁感應(yīng)原理，以建立穩(wěn)定電壓源的形式，將水力、煤或燃氣產(chǎn)生的蒸汽等機械能轉(zhuǎn)化為可靠的電能。不同的發(fā)電機之間則通過電功率與功角的比例關(guān)系、電功率與機械功率在轉(zhuǎn)子上的平衡作用等基本機制保持同步運行，從而共同構(gòu)架起人類創(chuàng)造的最大規(guī)模動力系統(tǒng)即電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
當(dāng)電力系統(tǒng)中的負荷突然退出或投入運行時，同步發(fā)電機首先會大致按照電氣距離的遠近將這部分功率瞬時分擔(dān)起來，從而保證電力系統(tǒng)用功功率實時平衡。其后，由于發(fā)電機機械功率和輸出電功率的不平衡，其轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，或降低或升高，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的慣性，轉(zhuǎn)速的變化速度被控制在合理的范圍內(nèi)。再后，當(dāng)轉(zhuǎn)速的變化超過一定閥值，發(fā)電機的動力系統(tǒng)就會自動發(fā)出增加或減少機械功率的指令，重新將發(fā)電機轉(zhuǎn)速拉回到額定值附近，從而保證整個電網(wǎng)的頻率在合理的范圍內(nèi)。
與此同時，當(dāng)電網(wǎng)受到擾動，例如發(fā)生短路故障時，同步發(fā)電機可以保持內(nèi)電勢幅值基本不變，并瞬時輸出無功電流，當(dāng)短路故障切除后，同步發(fā)電機可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的恢復(fù)情況瞬時調(diào)整其無功輸出，自動勵磁控制系統(tǒng)也會隨后自動發(fā)出增勵磁或者減勵磁指令，將電壓控制在合理的范圍內(nèi)。
可以看到，在這樣一個系統(tǒng)中，無論是負荷變化還是短路故障，同步發(fā)電機通過自身固有特性與調(diào)速、勵磁控制的結(jié)合，將電網(wǎng)的頻率、電壓控制在合理范圍。
在這樣的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，負荷大時間尺度上變化可預(yù)測，小時間尺度上通過電氣參數(shù)自動分配到同步發(fā)電機組上保證供需平衡，工作點穩(wěn)定；同時，電源是可計劃和可控工作的，當(dāng)自動平衡后的穩(wěn)定工作點偏離額定值后，都可以通過調(diào)節(jié)同步發(fā)電機電源的功率、電壓輸出使得整個電網(wǎng)恢復(fù)到額定的穩(wěn)定工作點。
新能源發(fā)電與同步發(fā)電機有本質(zhì)區(qū)別
再來看新能源發(fā)電。當(dāng)前技術(shù)下的新能源發(fā)電主要指風(fēng)電和光伏，它們與同步發(fā)電機有本質(zhì)區(qū)別，可統(tǒng)稱為非同步機電源，并網(wǎng)器件由電力電子換流器構(gòu)成，其特性主要由換流器的控制特性塑造。目前在實際工程中廣泛使用的變流器采用跟網(wǎng)型控制策略，即通過鎖相環(huán)來實現(xiàn)變流器與電網(wǎng)之間的同步，采用矢量電流控制來控制變流器的輸出電流，從而控制饋入電網(wǎng)的有功/無功功率，其本質(zhì)上是受控電流源，主要控制目標(biāo)是跟蹤太陽能與風(fēng)能當(dāng)前的最大功率，并最大效率的將太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能饋入電力系統(tǒng)。這種控制策略由于以電流作為控制目標(biāo)，無法承擔(dān)按計劃、受控提供能量保持供需平衡（頻率穩(wěn)定）和平穩(wěn)電網(wǎng)電壓。
新型電力系統(tǒng)的顯著特征是新能源在電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主要地位，隨著新能源發(fā)電裝置占比增加到一定程度，例如新能源占比70%，同步機電源占比30%，即使負荷不變化，當(dāng)新能源部分的波動由于天氣影響超過30%時，30%的同步機電源就無法做到受控按需平衡功率，這樣一個系統(tǒng)遇到類似擾動將無法正常運行。
除此之外，當(dāng)前的新能源發(fā)電與同步機發(fā)電比較，還有以下特征：
首先，新能源的出力主要受天氣的影響，和負荷的供電需求無法自動匹配，當(dāng)新能源發(fā)電占比較小時，還可以通過其它同步發(fā)電機的調(diào)節(jié)機制來保證整個大電網(wǎng)的功率平衡，當(dāng)新能源占比較大時，平衡機制將無法滿足，只能采取限制新能源發(fā)電的形式來解決。據(jù)初步統(tǒng)計，2022年第一季度我國個別省份的新能源消納率不足，主要是因為這個原因。
其次，新能源基本不具備慣量支撐能力，當(dāng)新能源的占比增加時將導(dǎo)致整個電網(wǎng)的慣量降低。慣量降低后，同樣的功率波動下，頻率變化速度變快，調(diào)節(jié)難度增大；同時相同時間尺度內(nèi)頻率總的變化幅度變大，易發(fā)生超出設(shè)備允許的頻率偏差范圍的事件（例如火電同步機組的轉(zhuǎn)子長期允許運行的頻率在額定值附近2Hz-3Hz左右），導(dǎo)致電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行風(fēng)險增大。
再有，新能源并網(wǎng)換流器從發(fā)電經(jīng)濟性上考量，設(shè)計的過壓、過流能力比同步發(fā)電機低較多。在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，新能源向故障點提供的短路電流水平較低，故障消除后，新能源也無法給電力系統(tǒng)提供足夠的動態(tài)無功支撐以促進電力系統(tǒng)的功角和電壓穩(wěn)定工作點的恢復(fù)。如果上述階段造成了接入電網(wǎng)的過電壓水平較高（如超過1.3倍額定值）或電壓較長時間無法恢復(fù)，新能源為了保證設(shè)備安全還會主動脫網(wǎng)運行，從而進一步惡化電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。
還有，新能源并網(wǎng)換流器的控制速度快，按基本控制原理，控制速度越快，在接入電網(wǎng)較弱的情況下，發(fā)生寬頻率振蕩的風(fēng)險也越大。2015年7月，新疆哈密地區(qū)新能源引發(fā)次同步功率振蕩，導(dǎo)致天中直流配套火電三臺機組軸系扭振保護動作，當(dāng)時就引發(fā)了行業(yè)的高度關(guān)注，近幾年類似寬頻帶振蕩事件頻發(fā)，如不能妥善解決，將制約新能源的發(fā)展與應(yīng)用。
總結(jié)來看，新能源上述特征的存在，既有其自身發(fā)展規(guī)律的問題，也與新能源比常規(guī)同步電源在電力系統(tǒng)的電壓、頻率調(diào)節(jié)控制能力相對降低有關(guān)。
同樣，解決的辦法也需從這兩個方面入手：其一，升級新能源發(fā)電特性，通過保留功率裕度、提升變流器過載能力同時采用新的控制策略等措施，使其具備常規(guī)水、火等同步發(fā)電機支撐電網(wǎng)的良好特性，可與同步發(fā)電機協(xié)同工作。這將影響新能源的發(fā)電量，經(jīng)濟性降低，短期內(nèi)難以實現(xiàn)；其二，在新能源附近增加新的設(shè)備，具備同步發(fā)電機或者類似同步發(fā)電機的電壓控制和頻率調(diào)節(jié)能力，來保證既能消納新能源，又能消除新能源對電力系統(tǒng)帶來的不利影響，提供系統(tǒng)的穩(wěn)定性支撐。
構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)綜合解決大規(guī)模新能源發(fā)展難題
在平抑新能源發(fā)電功率波動，降低大電網(wǎng)調(diào)峰壓力，提升大電網(wǎng)對新能源的接納水平方面，儲能環(huán)節(jié)是個必選項。各地也不斷在嘗試新能源場站配置大容量儲能系統(tǒng)進行示范應(yīng)用，電池儲能技術(shù)得到了迅速發(fā)展。各省能源局也紛紛出臺相關(guān)政策，要求在開發(fā)新能源的同時，配套建設(shè)10%-20%容量的儲能系統(tǒng)。
但是當(dāng)前配置儲能的要求，都是從解決新能源波動的角度提出的。從技術(shù)的潛力來看，基于換流器并網(wǎng)的電化學(xué)儲能的功能遠不止如此。通過增加新型的控制策略就可以使儲能具備同步發(fā)電機或者類似同步發(fā)電機的頻率調(diào)節(jié)和電壓控制能力，解決以上提出的新能源消納增長帶來的問題，這就是構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)。為了能夠較好的使用新能源，南瑞繼保較早時期就組織了團隊深入研究如何利用儲能系統(tǒng)解決相關(guān)問題，率先研制出了大容量構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)。該技術(shù)相較于同容量削峰填谷解決方案，只增加了較少的硬件成本，卻可以進一步挖掘發(fā)揮儲能的潛能，使儲能可以對電網(wǎng)電壓、頻率和慣量進行支撐，從而綜合解決大規(guī)模新能源發(fā)展中面臨的難題。
構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)的核心是通過儲能逆變器，構(gòu)建起支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運行的電壓源，可以起到快速調(diào)頻調(diào)壓、增加慣量和短路容量、抑制寬頻振蕩等作用。由于電力電子控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度優(yōu)勢，其快速響應(yīng)性能甚至超越了傳統(tǒng)的發(fā)電機。對于電網(wǎng)中大部分新能源場站短路比不足的場合，經(jīng)初步測算，配置15%具有短時1.5倍10秒過載能力的構(gòu)網(wǎng)儲能系統(tǒng)，基本可以保證新能源的正常運行。由于構(gòu)網(wǎng)型換流器的特性可以通過控制特性塑造，對于大量接入構(gòu)網(wǎng)型變流器的場合，還可以通過過載特性的設(shè)計，既滿足短路容量的要求，又可避免短路電流超標(biāo)，而這是同步發(fā)電機不容易解決的矛盾。在大規(guī)模直流外送的特定場合，考慮直流換相失敗等嚴重故障，通過配置一定比例更強過載能力（3倍10秒過載能力）的構(gòu)網(wǎng)儲能系統(tǒng)，可起到類似調(diào)相機的作用，在滿足新能源接入條件的同時還可以將過電壓水平控制在規(guī)定范圍內(nèi)，從而保證嚴重沖擊下接入新能源的電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，提高新能源消納能力。
長久以來，我國構(gòu)建了以火、水電等同步電源為主導(dǎo)的龐大交流同步電網(wǎng)。作為電網(wǎng)主要支撐性電源，常規(guī)同步電源有力保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。隨著“雙碳”目標(biāo)推進，新能源占比增加，而同步發(fā)電機電源比例降低，電力系統(tǒng)面臨各時間尺度的電力電量平衡難度大，電壓、頻率安全穩(wěn)定水平下降等問題，電網(wǎng)的安全運行將受到嚴峻考驗。2022年5月4日，國家發(fā)改委、國家能源局下發(fā)了《關(guān)于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》，提出加快構(gòu)建適應(yīng)新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，其中第一個措施就是全面提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和靈活性。在新能源附近增加具備同步發(fā)電機或者類似同步發(fā)電機的頻率調(diào)節(jié)和電壓控制能力的新型設(shè)備，例如構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)，屬于工程化比較成熟、電網(wǎng)建設(shè)可以直接采用的解決方案。該方案較全面地提升了電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和靈活性，可平抑新能源發(fā)電波動，提升系統(tǒng)慣量、電壓與頻率支撐能力，控制短路容量和改善電網(wǎng)阻尼特性，能在技術(shù)上有效調(diào)和新能源發(fā)展過程中將面臨的各種矛盾。
雖然從技術(shù)維度論述構(gòu)網(wǎng)型儲能能夠有效調(diào)和新能源占比提升過程中的電網(wǎng)矛盾，但是在推廣應(yīng)用方面還需要考慮到新能源建設(shè)、運營，電網(wǎng)建設(shè)、運營主體不同，關(guān)注側(cè)重點各不相同。5月24日國家發(fā)展改革委下發(fā)的《關(guān)于進一步推動新型儲能參與電力市場和調(diào)度運用的通知》，對相關(guān)利益的協(xié)調(diào)提出了指導(dǎo)，包括新型儲能可作為獨立儲能參與電力市場、加快推動獨立儲能參與電力市場配合電網(wǎng)調(diào)峰、建立電網(wǎng)側(cè)儲能價格機制等指導(dǎo)意見，后續(xù)落實時建議也對儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓，提供慣量等貢獻的定價進行探討和創(chuàng)新嘗試，推動構(gòu)網(wǎng)型儲能等新技術(shù)在建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過程中，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行做貢獻。
