中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池決定著儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，超50%的成本占比，也讓其在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈中備受各方關(guān)注。隨著我國能源電力綠色低碳轉(zhuǎn)型的深入推進(jìn)、新能源裝機(jī)占比快速增長，在儲(chǔ)能電池之外，可以提供同步電壓、電流并為電網(wǎng)提供慣量支撐的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)開始受到關(guān)注。
穩(wěn)定是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵
隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的新能源裝機(jī)占比呈逐年上漲趨勢。然而風(fēng)電、光伏發(fā)電所具有的間歇性、波動(dòng)性等特征給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了一定挑戰(zhàn)。為此，多地發(fā)布了新能源配儲(chǔ)的相關(guān)政策。據(jù)《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2023》的不完全統(tǒng)計(jì)，截至2022年年底，我國新型儲(chǔ)能繼續(xù)高速發(fā)展，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模首次突破10吉瓦，達(dá)到13.1吉瓦。
作為保障國民經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的源源動(dòng)力，電力供應(yīng)的穩(wěn)定性極為重要。
“電網(wǎng)作為一個(gè)巨大的慣性系統(tǒng)，需要時(shí)刻保持慣性和有功功率平衡。過去，在以火力發(fā)電為主的年代，同步發(fā)電機(jī)是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵?！眹W(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院相關(guān)專家表示。
在現(xiàn)代電力工業(yè)中，同步發(fā)電機(jī)廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機(jī)發(fā)電。由于同步發(fā)電機(jī)一般采用直流勵(lì)磁機(jī)，當(dāng)其單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓，并為電網(wǎng)提供慣量和一次調(diào)頻。根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，當(dāng)電網(wǎng)有功功率缺額時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，電網(wǎng)頻率升高，反之電網(wǎng)頻率降低。以煤炭、燃?xì)鉃橹鞯耐桨l(fā)電機(jī)之所以被稱為能源安全的“壓艙石”，也是因?yàn)槠淇梢钥焖夙憫?yīng)，對(duì)電網(wǎng)的慣量起到支撐作用。
但隨著新能源發(fā)電占比的增大，維持電網(wǎng)穩(wěn)定性的難度也逐漸加大。
“新能源發(fā)電與同步發(fā)電機(jī)發(fā)電有著本質(zhì)區(qū)別，現(xiàn)有的新能源基本不具備慣量支撐能力?！睂＜冶硎荆帮L(fēng)、光等新能源發(fā)電需要依靠逆變器并入電網(wǎng)，這些電力電子逆變器設(shè)備具有控制靈活、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但隨著電力系統(tǒng)中電力電子設(shè)備的增多，這些裝置本身低慣量、低阻尼、弱電壓支撐的特點(diǎn)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響?！?
我國2020年7月實(shí)施的新版強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（以下簡稱“導(dǎo)則”），對(duì)新能源場站應(yīng)具備的功能提出了新的要求。導(dǎo)則明確，新能源場站需具備一次調(diào)頻、快速調(diào)壓和調(diào)峰等能力，在新能源并網(wǎng)發(fā)電比重較大的地區(qū)，新能源場站應(yīng)提供必要的慣量支撐，必要時(shí)可配置儲(chǔ)能等靈活性調(diào)節(jié)資源。
4月24日，國家能源局發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，其中再次強(qiáng)調(diào)：穩(wěn)定工作是電力系統(tǒng)健康發(fā)展的基礎(chǔ)；要充分發(fā)揮電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能、熱（冷）儲(chǔ)能等各類新型儲(chǔ)能的優(yōu)勢，探索儲(chǔ)能融合發(fā)展新場景，提升電力系統(tǒng)安全保障水平和系統(tǒng)綜合效率。
為解決電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題，讓大電網(wǎng)回歸到同步發(fā)電機(jī)占主導(dǎo)的形態(tài)，即采用構(gòu)網(wǎng)電壓源技術(shù)，讓原本的電力系統(tǒng)“三道防線”體系可以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，“構(gòu)網(wǎng)+儲(chǔ)能”的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
國網(wǎng)新疆經(jīng)研院院長王曉斌告訴記者，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能可以讓儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)類似同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)的前、中、后各階段，主動(dòng)構(gòu)建起系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行必需的電勢，對(duì)電網(wǎng)有四層重要意義——
一是提升頻率穩(wěn)定水平。提供真實(shí)的慣量支撐，在外電網(wǎng)發(fā)生頻率擾動(dòng)后，自然無延時(shí)地輸出功率，降低電網(wǎng)頻率變化速度。二是平抑電壓變化。尤其是新能源集中的特高壓直流近區(qū)，發(fā)生換相失敗將導(dǎo)致交流系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能通過及時(shí)響應(yīng)能夠平抑電壓快速變化，避免常規(guī)跟網(wǎng)型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)滯后和反調(diào)問題。三是提升新能源多場站短路比。構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能呈現(xiàn)獨(dú)立電壓源的外特性，等價(jià)于主網(wǎng)側(cè)并聯(lián)電壓源，可以間接改變系統(tǒng)側(cè)短路阻抗，增加短路電流，進(jìn)而增大短路容量，支持更多新能源接入。四是提高新型電力系統(tǒng)下“三道防線”的適應(yīng)性。隨著新能源的持續(xù)接入，跟網(wǎng)型的新能源機(jī)組呈現(xiàn)電流源特性，故障期間存在短路容量不足等問題，傳統(tǒng)電流保護(hù)無法適應(yīng)，通過配置構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能，等效提升系統(tǒng)內(nèi)同步發(fā)電機(jī)這樣的電壓源設(shè)備占比，傳統(tǒng)“三道防線”可以沿用。
從“跟網(wǎng)”到“構(gòu)網(wǎng)”
在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能變流器是僅次于電池的重要元件。儲(chǔ)能變流器（PCS）包括整流器和逆變器，決定著輸出電能的質(zhì)量與特征。并網(wǎng)模式下，在負(fù)荷低谷時(shí)，儲(chǔ)能變流器把電網(wǎng)中的交流電整流成直流電給電池組充電；在負(fù)荷高峰時(shí)，儲(chǔ)能變流器把電池組中的直流電逆變成交流電反送到電網(wǎng)中。因此，在新能源規(guī)模化并網(wǎng)的背景下，逆變器的控制技術(shù)是構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的關(guān)鍵所在。
逆變器主要有兩種控制技術(shù)，即跟網(wǎng)型（Grid Following）控制技術(shù)和構(gòu)網(wǎng)型（Grid Forming）控制技術(shù)。當(dāng)前，并網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器通常采用跟網(wǎng)型控制技術(shù)。
據(jù)王曉斌介紹，跟網(wǎng)型逆變器通過跟蹤電網(wǎng)的電壓、相位來控制其輸出，由于跟網(wǎng)型逆變器依賴于電網(wǎng)的實(shí)際電壓和頻率，需要慣性源提供穩(wěn)定支撐，如旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，因此跟網(wǎng)型儲(chǔ)能無法應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)。在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，這些逆變器通常會(huì)關(guān)閉輸出，直到干擾過去，并且需要在大停電后先建立系統(tǒng)，然后重啟逆變器的輸出。
隨著越來越多的新能源和電力電子設(shè)備接入，電力系統(tǒng)慣性減小、系統(tǒng)強(qiáng)度變?nèi)踮厔菝黠@，穩(wěn)定性問題越發(fā)嚴(yán)重，構(gòu)網(wǎng)型逆變器逐步受到青睞。
前述專家表示，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)的核心是通過儲(chǔ)能逆變器構(gòu)建起支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓源，以起到快速調(diào)頻調(diào)壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用?！芭c跟網(wǎng)型控制技術(shù)相比，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)具有可提供同步電壓電流，為電網(wǎng)提供虛擬慣性等優(yōu)勢；在極端環(huán)境下，還可以提供故障穿越、黑啟動(dòng)及有功、無功穩(wěn)定功能，同時(shí)減少備用線路的改造需求，保障電網(wǎng)穩(wěn)定?！彼f。
相較于常規(guī)發(fā)電機(jī)組，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在過載能力和控制靈活性方面也更具優(yōu)勢。
王曉斌表示，從過載能力方面來看，當(dāng)輸出視在電流即將超過3倍過載能力時(shí)，需投入虛擬阻抗進(jìn)行快速限流，此時(shí)外特性與理想電壓源將存在差距，而構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)可以保證有足夠的過載能力，滿足電網(wǎng)側(cè)大部分故障情況下的需要。從控制靈活性程度來看，構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)的函數(shù)中有眾多可變參數(shù)，因此構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)比同步發(fā)電機(jī)更靈活的參數(shù)控制，對(duì)不同場景的適應(yīng)性更強(qiáng)。
“例如，傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)功率輸出必須經(jīng)過轉(zhuǎn)子的加速，爬坡率為1%～1.5%，而構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能可以通過在輸出端疊加偏差量，實(shí)現(xiàn)功率不經(jīng)過構(gòu)網(wǎng)控制的快速調(diào)節(jié)。因此，控制參數(shù)的靈活性使構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能兼具同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定電壓源和電力電子靈活快速控制的優(yōu)勢。此外，同步發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，損耗相較于靜止設(shè)備的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能更大。從同步電壓支撐方面看，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能未來可以部分替代火電廠，尤其在火電廠建設(shè)有困難的地區(qū)，可以作為局部電網(wǎng)的同步電壓源運(yùn)行?！蓖鯐员笳f。
不過他也特別指出，從能量角度來看，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能不能替代火電廠，因?yàn)閮?chǔ)能是先儲(chǔ)后放，自身并不能產(chǎn)生電能，而火電廠可以發(fā)電。
今年3月15日，國網(wǎng)新疆電力有限公司在阿克陶縣龍?jiān)磰W依塔克光伏儲(chǔ)能電站完成了全疆首套構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)性能調(diào)試及現(xiàn)場測試。阿克陶50兆瓦光伏項(xiàng)目通過配置一套3倍過載能力的5兆瓦/10兆瓦時(shí)構(gòu)網(wǎng)儲(chǔ)能，有效提升了接入點(diǎn)阿克陶光伏匯集母線近區(qū)的新能源多場站短路比，在導(dǎo)則規(guī)定的機(jī)端短路比不低于1.5、并網(wǎng)點(diǎn)短路比不低于2.0的標(biāo)準(zhǔn)下，可以滿足阿克陶當(dāng)?shù)馗嗟男履茉唇尤胄枰?，提升了?dāng)?shù)氐男履茉聪{水平。
為有力推動(dòng)南疆千萬千瓦級(jí)光伏發(fā)電在更大范圍開發(fā)和消納，2019年6月，750千伏大電網(wǎng)首次延伸到新疆最南端的和田地區(qū)，大電網(wǎng)已全部覆蓋新疆南部四地州。
國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院新型電力系統(tǒng)規(guī)劃研究中心副主任辛超山表示：“阿克陶地處南疆電網(wǎng)，南疆750千伏網(wǎng)架輸電距離長、電壓支撐較薄弱，通過配置阿克陶構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以在其過載能力范圍內(nèi)提升近區(qū)的電壓支撐水平，改善近區(qū)交流故障后的暫態(tài)電壓問題，提升對(duì)南疆電網(wǎng)的同步支撐能力。”
協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)仍是難點(diǎn)
從“被動(dòng)跟網(wǎng)”到“主動(dòng)構(gòu)網(wǎng)”，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓源，還可主動(dòng)平抑電網(wǎng)中各類大小擾動(dòng)，緩解電力系統(tǒng)的暫態(tài)電壓、頻率等穩(wěn)定問題，有效提升新能源消納能力。在近期的儲(chǔ)能行業(yè)會(huì)議上，不少專家都提到構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能“新能源電站+儲(chǔ)能+合適的算法控制”模式建立以后，將具有與火電廠類似的功能。
不過據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能電站的數(shù)量在我國僅為個(gè)位數(shù)。
當(dāng)前，我國的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能尚處于起步階段，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能作為電壓源，若多臺(tái)電壓源設(shè)備并列運(yùn)行，可能存在環(huán)流、搶功率等問題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能組組長表示，和儲(chǔ)能電站已有的其他模擬電壓源“搶活兒”是當(dāng)前構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能發(fā)展亟待解決的問題。
“構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)既可以提供有功功率，也可以提供無功功率。從無功角度來說，一般儲(chǔ)能電站或新能源電站中都會(huì)配有諸如靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）、有源電力濾波器（APF）、靜止無功發(fā)生器（SVG）等設(shè)備，構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備如何與這些已有的無功源設(shè)備相互協(xié)調(diào)是個(gè)問題。比如電路出現(xiàn)故障后，這些設(shè)備都可以去支撐，但是誰先誰后呢？”
王曉斌也表示，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能多臺(tái)設(shè)備并列運(yùn)行也將面臨穩(wěn)定性的問題，該問題是制約構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能應(yīng)用于大電網(wǎng)的技術(shù)難點(diǎn)。
他認(rèn)為，為進(jìn)一步挖掘構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能在大電網(wǎng)層面的應(yīng)用潛力，后續(xù)可從以下四方面發(fā)力：一是推進(jìn)基于國內(nèi)主流大電網(wǎng)仿真平臺(tái)的構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備模型開發(fā)工作，支撐工程實(shí)踐應(yīng)用；二是圍繞構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能過流能力選取、對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)適應(yīng)性等方面，完善構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)在大電網(wǎng)層面應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)；三是探索構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能參與電力輔助服務(wù)市場的創(chuàng)新機(jī)制，建立構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等輔助服務(wù)及評(píng)價(jià)體系；四是聚集政府、企業(yè)、權(quán)威科研機(jī)構(gòu)力量，積極探索產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新聯(lián)合體、產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、產(chǎn)學(xué)研穿行戰(zhàn)略聯(lián)盟等多樣性產(chǎn)學(xué)研融通平臺(tái)，加快構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)突破及推廣應(yīng)用。
