中國儲能網(wǎng)訊：新能源的大規(guī)模接入給電力系統(tǒng)帶來了諸多挑戰(zhàn)，其中電力系統(tǒng)慣量降低對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響尤為顯著。儲能作為能夠提供慣量支撐的關(guān)鍵技術(shù)，將迎來前所未有的發(fā)展機遇。
01
新能源裝機高速增長，慣量支撐面臨新挑戰(zhàn)
在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，新能源裝機呈現(xiàn)出迅猛的增長態(tài)勢。
據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2025年4月底，我國可再生能源發(fā)電裝機已突破20億千瓦，達到20.17億千瓦，同比增長58% ，其中風(fēng)電、光伏合計裝機達到15.3 億千瓦，歷史性超過火電裝機。
新能源裝機的快速增長，為能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展帶來了新機遇，但同時也給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)，慣量支撐問題便是其中的關(guān)鍵。
轉(zhuǎn)動慣量是指系統(tǒng)中電路器件在受到擾動后仍能保持原有運行狀態(tài)的重要能力。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要依賴同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡，如負荷突然變化或發(fā)電設(shè)備故障時，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子會通過釋放或吸收動能，來緩沖功率的變化，使系統(tǒng)頻率的波動保持在可接受的范圍內(nèi)。
然而，隨著新能源裝機的不斷增加，大量電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。
一般來說，風(fēng)光發(fā)電大多通過變流器與電網(wǎng)相連，這些變流器將新能源轉(zhuǎn)化為交流電時，使得新能源發(fā)電單元與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的慣性特性相隔離，導(dǎo)致系統(tǒng)中傳統(tǒng)同步機的轉(zhuǎn)動慣量水平逐漸降低，增加了系統(tǒng)對擾動的敏感度。
新能源裝機增長引發(fā)的慣量支撐不足問題，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了潛在威脅。
當(dāng)系統(tǒng)遭遇突發(fā)擾動，如短路故障、大型機組跳閘時，由于缺乏足夠的慣量支撐，系統(tǒng)頻率可能會出現(xiàn)大幅波動，甚至超出允許范圍，影響電力設(shè)備的正常運行，嚴重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
例如，在一些高比例新能源接入的地區(qū)電網(wǎng)，已經(jīng)出現(xiàn)過因風(fēng)電或光伏出力的快速變化，引起系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定的情況。
02
哪種儲能技術(shù)更適合做慣量支撐
為應(yīng)對新能源裝機增長帶來的慣量支撐挑戰(zhàn)，除了優(yōu)化同步發(fā)電機慣量調(diào)節(jié)，國內(nèi)外展開了多方面的技術(shù)探索與實踐。
一方面是虛擬同步機技術(shù)，通過控制算法，模擬同步發(fā)電機的運行特性，使新能源變流器具備一定的慣性響應(yīng)能力，在系統(tǒng)頻率變化時，能夠快速調(diào)整輸出功率，提供慣量支撐。
未來，虛擬同步機技術(shù)會與更多電力電子設(shè)備結(jié)合，提升性能，實現(xiàn)更精準的慣量模擬和頻率控制。
另一方面是儲能技術(shù)，利用電池儲能、超級電容儲能、飛輪儲能等設(shè)備，在系統(tǒng)頻率下降時釋放能量，頻率上升時吸收能量，起到穩(wěn)定頻率的作用。
在應(yīng)對新能源裝機增長帶來的慣量支撐需求時，不同儲能技術(shù)因響應(yīng)速度、能量密度、循環(huán)壽命等特性差異，適用場景有所不同。
超級電容儲能是響應(yīng)最快的“瞬時慣量補充劑”，這項技術(shù)利用電極和電解質(zhì)界面的電荷分離儲存能量，靠電場儲能，優(yōu)勢是功率密度高，充放電速度快，可在毫秒級（0.1 秒內(nèi)）完成功率輸出，瞬間釋放大電流，與電網(wǎng)頻率變化的動態(tài)響應(yīng)需求高度匹配。
另外，超級電容充放電循環(huán)次數(shù)可達百萬次以上，適合頻繁快速充放電（如系統(tǒng)擾動時的慣量支撐場景），可靠性高，無化學(xué)反應(yīng)，安全性強，維護成本低。
應(yīng)用場景上，超級電容主要用于短時、高功率的慣量支撐，例如電網(wǎng)遭遇短路故障、大型機組跳閘等突發(fā)擾動時，快速釋放能量緩沖頻率波動。
2023年，國內(nèi)首套100千瓦光伏發(fā)電可變慣量裝置在河北電力科技園一次并網(wǎng)成功，該裝置采用一對串聯(lián)的超級電容模組作為能量來源，能實時追蹤電網(wǎng)頻率變化率和偏移量改變慣性時間常數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)達到國際領(lǐng)先水平，有效平抑了系統(tǒng)頻率波動。
鋰離子電池儲能是兼顧功率與能量的“綜合型選手”，優(yōu)勢是既能提供較高功率（響應(yīng)速度約0.1-1 秒），也具備一定能量存儲能力，可支撐數(shù)秒至數(shù)十秒的頻率調(diào)節(jié)，覆蓋慣量支撐與一次調(diào)頻的銜接需求。
鋰離子電池儲能海康通過電池管理系統(tǒng)（BMS）可精準調(diào)節(jié)充放電功率，適配電網(wǎng)頻率的實時波動。
該項儲能技術(shù)適用于高比例新能源電網(wǎng)的慣量協(xié)同支撐，如“風(fēng)儲聯(lián)合調(diào)頻” 方案中，電池儲能可與風(fēng)機配合，在風(fēng)電出力波動時，既提供快速慣量響應(yīng)，又通過能量存儲平滑功率輸出。
鋰離子電池儲能還可適用于區(qū)域電網(wǎng)的慣量補強，在新能源集中接入地區(qū)，部署大容量電池儲能電站，可同時滿足慣量支撐、調(diào)峰、備用等多重需求。
飛輪儲能系統(tǒng)利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來存儲能量，具有高功率密度和快速充放電特性。
在需要慣量支撐時，飛輪儲能可以迅速釋放存儲的機械能，轉(zhuǎn)化為電能輸出到電網(wǎng)中，從而快速響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化，提供必要的慣量支撐。
優(yōu)勢是響應(yīng)時間極短（毫秒級），可快速調(diào)節(jié)功率，且循環(huán)壽命長，維護成本低，適合提供短時慣量支撐。
飛輪儲能系統(tǒng)的壽命長，一般在20年以上，且在整個壽命周期內(nèi)不會因為過充電或過放電而影響儲能密度和使用壽命。
此外，飛輪儲能屬于物理儲能方式，在生產(chǎn)、使用、回收各環(huán)節(jié)中本身均不產(chǎn)生有害物質(zhì)，是對環(huán)境極為友好的儲能產(chǎn)品，目前，飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)相對成熟，并且在全球范圍內(nèi)有多個應(yīng)用案例。
但這項技術(shù)也存在局限性，如能量密度低，僅能支撐數(shù)秒，且成本較高，目前應(yīng)用場景較窄。
其他儲能技術(shù)，如壓縮空氣儲能響應(yīng)速度秒級，適合調(diào)峰，慣量支撐場景中動態(tài)調(diào)節(jié)能力不足；抽水蓄能：能量密度高，但響應(yīng)速度較慢（秒級），且建設(shè)受地理條件限制，更適合大規(guī)模調(diào)峰，而非瞬時慣量支撐。
從技術(shù)選擇上看，如果應(yīng)對短期高頻擾動，可優(yōu)先選超級電容，利用其毫秒級響應(yīng)快速“穩(wěn)頻”；如應(yīng)對中長期頻率調(diào)節(jié)與慣量協(xié)同可選鋰離子電池儲能，兼顧功率輸出與能量儲備；在電網(wǎng)側(cè)，飛輪儲能獨立調(diào)頻電站可以實現(xiàn)在波動源的就地調(diào)節(jié)，是更優(yōu)的選擇；在大規(guī)模電網(wǎng)場景下，壓縮空氣儲能可作為補充。
03
儲能在慣量支撐方面的技術(shù)新趨勢
隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，其在電網(wǎng)慣量支撐技術(shù)方面的發(fā)展呈現(xiàn)一些新的趨勢，主要表現(xiàn)為構(gòu)網(wǎng)型儲能和混合儲能應(yīng)用。
構(gòu)網(wǎng)型儲能構(gòu)網(wǎng)儲能可以主動提供慣量支撐，在電網(wǎng)頻率波動時迅速啟動慣量響應(yīng)，避免電站被強制切除。
該項技術(shù)能自主建立并維持電網(wǎng)的電壓和頻率，響應(yīng)速度比傳統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)快5-10倍，可在毫秒級別內(nèi)響應(yīng)電網(wǎng)變化。
還可以通過快速功率調(diào)節(jié)抑制功率振蕩，預(yù)防連鎖故障發(fā)生。在新能源高滲透率電網(wǎng)中，構(gòu)網(wǎng)儲能可以在電網(wǎng)電壓異常時維持穩(wěn)定運行并支撐電網(wǎng)，從而提升電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。
此前，國家層面，多部門已發(fā)文支持構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)研發(fā)和工程示范，推動電網(wǎng)慣量支撐技術(shù)的發(fā)展，如《“十四五” 新型儲能發(fā)展實施方案》明確提出要加快發(fā)展構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)。
機構(gòu)預(yù)計，到2030年，構(gòu)網(wǎng)型儲能將覆蓋全球75%以上的新型電力系統(tǒng)，成為其核心組成部分，市場規(guī)模將增長為72.5GW。
混合儲能系統(tǒng)將多種儲能技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，為電網(wǎng)提供更全面、高效的慣量支撐。
例如利用慣量飛輪和高速飛輪組成的混合飛輪陣列，協(xié)同為電網(wǎng)提供慣量支撐和調(diào)頻控制。
“超級電容 + 電池”的混合儲能系統(tǒng)，既能應(yīng)對突發(fā)擾動的快速慣量需求，又能通過電池補充持續(xù)能量，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。
電網(wǎng)慣量支撐技術(shù)另一個發(fā)展趨勢是數(shù)據(jù)中心與電網(wǎng)協(xié)同，數(shù)據(jù)中心通過UPS的主動電網(wǎng)支撐技術(shù)，實現(xiàn)能源雙向互動和動態(tài)響應(yīng)，從 “電力消耗者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娋W(wǎng)參與者”。
預(yù)計到2030年，全球30%的數(shù)據(jù)中心將部署此類系統(tǒng)。
編后語：慣量支撐為儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開辟了新的廣闊天地。在能源轉(zhuǎn)型的歷史進程中，儲能憑借其在提供慣量支撐方面的關(guān)鍵作用，將在電力系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。相關(guān)領(lǐng)域的儲能企業(yè)需要制定合理的發(fā)展策略，加大技術(shù)創(chuàng)新投入，以在激烈的市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位。
