中國(guó)儲(chǔ)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(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響尤為顯著。儲(chǔ)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(jī)遇。
01
新能源裝機(jī)高速增長(zhǎng)，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(jī)呈現(xiàn)出迅猛的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2025年4月底，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)已突破20億千瓦，達(dá)到20.17億千瓦，同比增長(zhǎng)58% ，其中風(fēng)電、光伏合計(jì)裝機(jī)達(dá)到15.3 億千瓦，歷史性超過火電裝機(jī)。
新能源裝機(jī)的快速增長(zhǎng)，為能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展帶來了新機(jī)遇，但同時(shí)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(dòng)慣量是指系統(tǒng)中電路器件在受到擾動(dòng)后仍能保持原有運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)荷突然變化或發(fā)電設(shè)備故障時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)通過釋放或吸收動(dòng)能，來緩沖功率的變化，使系統(tǒng)頻率的波動(dòng)保持在可接受的范圍內(nèi)。
然而，隨著新能源裝機(jī)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(shí)，使得新能源發(fā)電單元與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的慣性特性相隔離，導(dǎo)致系統(tǒng)中傳統(tǒng)同步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量水平逐漸降低，增加了系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的敏感度。
新能源裝機(jī)增長(zhǎng)引發(fā)的慣量支撐不足問題，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅。
當(dāng)系統(tǒng)遭遇突發(fā)擾動(dòng)，如短路故障、大型機(jī)組跳閘時(shí)，由于缺乏足夠的慣量支撐，系統(tǒng)頻率可能會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，甚至超出允許范圍，影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)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(chǔ)能技術(shù)更適合做慣量支撐
為應(yīng)對(duì)新能源裝機(jī)增長(zhǎng)帶來的慣量支撐挑戰(zhàn)，除了優(yōu)化同步發(fā)電機(jī)慣量調(diào)節(jié)，國(guó)內(nèi)外展開了多方面的技術(shù)探索與實(shí)踐。
一方面是虛擬同步機(jī)技術(shù)，通過控制算法，模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)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(shí)，能夠快速調(diào)整輸出功率，提供慣量支撐。
未來，虛擬同步機(jī)技術(shù)會(huì)與更多電力電子設(shè)備結(jié)合，提升性能，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的慣量模擬和頻率控制。
另一方面是儲(chǔ)能技術(shù)，利用電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等設(shè)備，在系統(tǒng)頻率下降時(shí)釋放能量，頻率上升時(shí)吸收能量，起到穩(wěn)定頻率的作用。
在應(yīng)對(duì)新能源裝機(jī)增長(zhǎng)帶來的慣量支撐需求時(shí)，不同儲(chǔ)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(chǎng)景有所不同。
超級(jí)電容儲(chǔ)能是響應(yīng)最快的“瞬時(shí)慣量補(bǔ)充劑”，這項(xiàng)技術(shù)利用電極和電解質(zhì)界面的電荷分離儲(chǔ)存能量，靠電場(chǎng)儲(chǔ)能，優(yōu)勢(shì)是功率密度高，充放電速度快，可在毫秒級(jí)（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(dòng)態(tài)響應(yīng)需求高度匹配。
另外，超級(jí)電容充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)百萬次以上，適合頻繁快速充放電（如系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)的慣量支撐場(chǎng)景），可靠性高，無化學(xué)反應(yīng)，安全性強(qiáng)，維護(hù)成本低。
應(yīng)用場(chǎng)景上，超級(jí)電容主要用于短時(shí)、高功率的慣量支撐，例如電網(wǎng)遭遇短路故障、大型機(jī)組跳閘等突發(fā)擾動(dòng)時(shí)，快速釋放能量緩沖頻率波動(dòng)。
2023年，國(guó)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(duì)串聯(lián)的超級(jí)電容模組作為能量來源，能實(shí)時(shí)追蹤電網(wǎng)頻率變化率和偏移量改變慣性時(shí)間常數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，有效平抑了系統(tǒng)頻率波動(dòng)。
鋰離子電池儲(chǔ)能是兼顧功率與能量的“綜合型選手”，優(yōu)勢(shì)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(chǔ)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(chǔ)能?？低ㄟ^電池管理系統(tǒng)（BMS）可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)充放電功率，適配電網(wǎng)頻率的實(shí)時(shí)波動(dòng)。
該項(xiàng)儲(chǔ)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(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻” 方案中，電池儲(chǔ)能可與風(fēng)機(jī)配合，在風(fēng)電出力波動(dòng)時(shí)，既提供快速慣量響應(yīng)，又通過能量存儲(chǔ)平滑功率輸出。
鋰離子電池儲(chǔ)能還可適用于區(qū)域電網(wǎng)的慣量補(bǔ)強(qiáng)，在新能源集中接入地區(qū)，部署大容量電池儲(chǔ)能電站，可同時(shí)滿足慣量支撐、調(diào)峰、備用等多重需求。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來存儲(chǔ)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(shí)，飛輪儲(chǔ)能可以迅速釋放存儲(chǔ)的機(jī)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(shì)是響應(yīng)時(shí)間極短（毫秒級(jí)），可快速調(diào)節(jié)功率，且循環(huán)壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，適合提供短時(shí)慣量支撐。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命長(zhǎng)，一般在20年以上，且在整個(gè)壽命周期內(nèi)不會(huì)因?yàn)檫^充電或過放電而影響儲(chǔ)能密度和使用壽命。
此外，飛輪儲(chǔ)能屬于物理儲(chǔ)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(duì)環(huán)境極為友好的儲(chǔ)能產(chǎn)品，目前，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且在全球范圍內(nèi)有多個(gè)應(yīng)用案例。
但這項(xiàng)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(chǎng)景較窄。
其他儲(chǔ)能技術(shù)，如壓縮空氣儲(chǔ)能響應(yīng)速度秒級(jí)，適合調(diào)峰，慣量支撐場(chǎng)景中動(dòng)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(jí)），且建設(shè)受地理?xiàng)l件限制，更適合大規(guī)模調(diào)峰，而非瞬時(shí)慣量支撐。
從技術(shù)選擇上看，如果應(yīng)對(duì)短期高頻擾動(dòng)，可優(yōu)先選超級(jí)電容，利用其毫秒級(jí)響應(yīng)快速“穩(wěn)頻”；如應(yīng)對(duì)中長(zhǎng)期頻率調(diào)節(jié)與慣量協(xié)同可選鋰離子電池儲(chǔ)能，兼顧功率輸出與能量?jī)?chǔ)備；在電網(wǎng)側(cè)，飛輪儲(chǔ)能獨(dú)立調(diào)頻電站可以實(shí)現(xiàn)在波動(dòng)源的就地調(diào)節(jié)，是更優(yōu)的選擇；在大規(guī)模電網(wǎng)場(chǎng)景下，壓縮空氣儲(chǔ)能可作為補(bǔ)充。
03
儲(chǔ)能在慣量支撐方面的技術(shù)新趨勢(shì)
隨著儲(chǔ)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(shì)，主要表現(xiàn)為構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能和混合儲(chǔ)能應(yīng)用。
構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能構(gòu)網(wǎng)儲(chǔ)能可以主動(dòng)提供慣量支撐，在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)迅速啟動(dòng)慣量響應(yīng)，避免電站被強(qiáng)制切除。
該項(xiàng)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(jí)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(chǔ)能可以在電網(wǎng)電壓異常時(shí)維持穩(wěn)定運(yùn)行并支撐電網(wǎng)，從而提升電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。
此前，國(guó)家層面，多部門已發(fā)文支持構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和工程示范，推動(dòng)電網(wǎng)慣量支撐技術(shù)的發(fā)展，如《“十四五” 新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》明確提出要加快發(fā)展構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)。
機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2030年，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)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(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)為72.5GW。
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)將多種儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，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(jí)電容 + 電池”的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，既能應(yīng)對(duì)突發(fā)擾動(dòng)的快速慣量需求，又能通過電池補(bǔ)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)電網(wǎng)支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源雙向互動(dòng)和動(dòng)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(jì)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(chǔ)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(jìn)程中，儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。
