中國儲能網(wǎng)訊：在整個儲能系統(tǒng)中，電池決定著儲能系統(tǒng)的容量，超50%的成本占比，也讓其在儲能產(chǎn)業(yè)鏈中備受各方關注。隨著我國能源電力綠色低碳轉型的深入推進、新能源裝機占比快速增長，在儲能電池之外，可以提供同步電壓、電流并為電網(wǎng)提供慣量支撐的構網(wǎng)型儲能技術開始受到關注。
穩(wěn)定是電力系統(tǒng)的關鍵
隨著我國“雙碳”目標的提出，以風電、光伏發(fā)電為主的新能源裝機占比呈逐年上漲趨勢。然而風電、光伏發(fā)電所具有的間歇性、波動性等特征給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了一定挑戰(zhàn)。為此，多地發(fā)布了新能源配儲的相關政策。據(jù)《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2023》的不完全統(tǒng)計，截至2022年年底，我國新型儲能繼續(xù)高速發(fā)展，累計裝機規(guī)模首次突破10吉瓦，達到13.1吉瓦。
作為保障國民經(jīng)濟正常運轉的源源動力，電力供應的穩(wěn)定性極為重要。
“電網(wǎng)作為一個巨大的慣性系統(tǒng)，需要時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)電機是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵。”國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院相關專家表示。
在現(xiàn)代電力工業(yè)中，同步發(fā)電機廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機發(fā)電。由于同步發(fā)電機一般采用直流勵磁機，當其單機獨立運行時，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓，并為電網(wǎng)提供慣量和一次調(diào)頻。根據(jù)轉子運動方程，當電網(wǎng)有功功率缺額時，發(fā)電機轉子加速，電網(wǎng)頻率升高，反之電網(wǎng)頻率降低。以煤炭、燃氣為主的同步發(fā)電機之所以被稱為能源安全的“壓艙石”，也是因為其可以快速響應，對電網(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)電機發(fā)電有著本質區(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、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備具有控制靈活、響應迅速等優(yōu)點，但隨著電力系統(tǒng)中電力電子設備的增多，這些裝置本身低慣量、低阻尼、弱電壓支撐的特點會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響?！?
我國2020年7月實施的新版強制性國家標準《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》（以下簡稱“導則”），對新能源場站應具備的功能提出了新的要求。導則明確，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)，新能源場站應提供必要的慣量支撐，必要時可配置儲能等靈活性調(diào)節(jié)資源。
4月24日，國家能源局發(fā)布《關于加強新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的指導意見（征求意見稿）》，其中再次強調(diào)：穩(wěn)定工作是電力系統(tǒng)健康發(fā)展的基礎；要充分發(fā)揮電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、氫儲能、熱（冷）儲能等各類新型儲能的優(yōu)勢，探索儲能融合發(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)電機占主導的形態(tài)，即采用構網(wǎng)電壓源技術，讓原本的電力系統(tǒng)“三道防線”體系可以適應新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，“構網(wǎng)+儲能”的構網(wǎng)型儲能技術應運而生。
國網(wǎng)新疆經(jīng)研院院長王曉斌告訴記者，構網(wǎng)型儲能可以讓儲能實現(xiàn)類似同步發(fā)電機的運行特性，在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動的前、中、后各階段，主動構建起系統(tǒng)穩(wěn)定運行必需的電勢，對電網(wǎng)有四層重要意義——
一是提升頻率穩(wěn)定水平。提供真實的慣量支撐，在外電網(wǎng)發(fā)生頻率擾動后，自然無延時地輸出功率，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)生換相失敗將導致交流系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，構網(wǎng)型儲能通過及時響應能夠平抑電壓快速變化，避免常規(guī)跟網(wǎng)型動態(tài)無功補償裝置的響應滯后和反調(diào)問題。三是提升新能源多場站短路比。構網(wǎng)型儲能呈現(xiàn)獨立電壓源的外特性，等價于主網(wǎng)側并聯(lián)電壓源，可以間接改變系統(tǒng)側短路阻抗，增加短路電流，進而增大短路容量，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”的適應性。隨著新能源的持續(xù)接入，跟網(wǎng)型的新能源機組呈現(xiàn)電流源特性，故障期間存在短路容量不足等問題，傳統(tǒng)電流保護無法適應，通過配置構網(wǎng)型儲能，等效提升系統(tǒng)內(nèi)同步發(fā)電機這樣的電壓源設備占比，傳統(tǒng)“三道防線”可以沿用。
從“跟網(wǎng)”到“構網(wǎng)”
在電化學儲能系統(tǒng)中，儲能變流器是僅次于電池的重要元件。儲能變流器（PCS）包括整流器和逆變器，決定著輸出電能的質量與特征。并網(wǎng)模式下，在負荷低谷時，儲能變流器把電網(wǎng)中的交流電整流成直流電給電池組充電；在負荷高峰時，儲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)?；⒕W(wǎng)的背景下，逆變器的控制技術是構網(wǎng)型儲能的關鍵所在。
逆變器主要有兩種控制技術，即跟網(wǎng)型（Grid Following）控制技術和構網(wǎng)型（Grid Forming）控制技術。當前，并網(wǎng)儲能逆變器通常采用跟網(wǎng)型控制技術。
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)的實際電壓和頻率，需要慣性源提供穩(wěn)定支撐，如旋轉質量，因此跟網(wǎng)型儲能無法應對電網(wǎng)的擾動。在系統(tǒng)發(fā)生擾動時，這些逆變器通常會關閉輸出，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備接入，電力系統(tǒng)慣性減小、系統(tǒng)強度變?nèi)踮厔菝黠@，穩(wěn)定性問題越發(fā)嚴重，構網(wǎng)型逆變器逐步受到青睞。
前述專家表示，構網(wǎng)型儲能技術的核心是通過儲能逆變器構建起支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運行的電壓源，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)型控制技術相比，構網(wǎng)型技術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、黑啟動及有功、無功穩(wěn)定功能，同時減少備用線路的改造需求，保障電網(wǎng)穩(wěn)定。”他說。
相較于常規(guī)發(fā)電機組，構網(wǎng)型儲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，當輸出視在電流即將超過3倍過載能力時，需投入虛擬阻抗進行快速限流，此時外特性與理想電壓源將存在差距，而構網(wǎng)型控制技術可以保證有足夠的過載能力，滿足電網(wǎng)側大部分故障情況下的需要。從控制靈活性程度來看，構網(wǎng)型控制技術的函數(shù)中有眾多可變參數(shù)，因此構網(wǎng)型儲能可以實現(xiàn)比同步發(fā)電機更靈活的參數(shù)控制，對不同場景的適應性更強。
“例如，傳統(tǒng)常規(guī)機組的同步發(fā)電機功率輸出必須經(jīng)過轉子的加速，爬坡率為1%～1.5%，而構網(wǎng)型儲能可以通過在輸出端疊加偏差量，實現(xiàn)功率不經(jīng)過構網(wǎng)控制的快速調(diào)節(jié)。因此，控制參數(shù)的靈活性使構網(wǎng)型儲能兼具同步發(fā)電機穩(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)電機為旋轉設備，損耗相較于靜止設備的構網(wǎng)型儲能更大。從同步電壓支撐方面看，構網(wǎng)型儲能未來可以部分替代火電廠，尤其在火電廠建設有困難的地區(qū)，可以作為局部電網(wǎng)的同步電壓源運行。”王曉斌說。
不過他也特別指出，從能量角度來看，構網(wǎng)型儲能不能替代火電廠，因為儲能是先儲后放，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源奧依塔克光伏儲能電站完成了全疆首套構網(wǎng)型儲能系統(tǒng)并網(wǎng)性能調(diào)試及現(xiàn)場測試。阿克陶50兆瓦光伏項目通過配置一套3倍過載能力的5兆瓦/10兆瓦時構網(wǎng)儲能，有效提升了接入點阿克陶光伏匯集母線近區(qū)的新能源多場站短路比，在導則規(guī)定的機端短路比不低于1.5、并網(wǎng)點短路比不低于2.0的標準下，可以滿足阿克陶當?shù)馗嗟男履茉唇尤胄枰?，提升了當?shù)氐男履茉聪{水平。
為有力推動南疆千萬千瓦級光伏發(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)濟技術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，通過配置阿克陶構網(wǎng)型儲能系統(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，提升對南疆電網(wǎng)的同步支撐能力?！?
協(xié)調(diào)運轉仍是難點
從“被動跟網(wǎng)”到“主動構網(wǎng)”，構網(wǎng)型儲能系統(tǒng)不僅能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓源，還可主動平抑電網(wǎng)中各類大小擾動，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。在近期的儲能行業(yè)會議上，不少專家都提到構網(wǎng)型儲能“新能源電站+儲能+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，截至目前，構網(wǎng)型儲能電站的數(shù)量在我國僅為個位數(shù)。
當前，我國的構網(wǎng)型儲能尚處于起步階段，構網(wǎng)型儲能作為電壓源，若多臺電壓源設備并列運行，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研究院儲能組組長表示，和儲能電站已有的其他模擬電壓源“搶活兒”是當前構網(wǎng)型儲能發(fā)展亟待解決的問題。
“構網(wǎng)型技術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，一般儲能電站或新能源電站中都會配有諸如靜止無功補償裝置（SVC）、有源電力濾波器（APF）、靜止無功發(fā)生器（SVG）等設備，構網(wǎng)型設備如何與這些已有的無功源設備相互協(xié)調(diào)是個問題。比如電路出現(xiàn)故障后，這些設備都可以去支撐，但是誰先誰后呢？”
王曉斌也表示，構網(wǎng)型儲能多臺設備并列運行也將面臨穩(wěn)定性的問題，該問題是制約構網(wǎng)型儲能應用于大電網(wǎng)的技術難點。
他認為，為進一步挖掘構網(wǎng)型儲能在大電網(wǎng)層面的應用潛力，后續(xù)可從以下四方面發(fā)力：一是推進基于國內(nèi)主流大電網(wǎng)仿真平臺的構網(wǎng)型設備模型開發(fā)工作，支撐工程實踐應用；二是圍繞構網(wǎng)型儲能過流能力選取、對傳統(tǒng)繼電保護適應性等方面，完善構網(wǎng)型技術在大電網(wǎng)層面應用的相關標準體系建設；三是探索構網(wǎng)型儲能參與電力輔助服務市場的創(chuàng)新機制，建立構網(wǎng)型儲能參與系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、轉動慣量等輔助服務及評價體系；四是聚集政府、企業(yè)、權威科研機構力量，積極探索產(chǎn)學研創(chuàng)新聯(lián)合體、產(chǎn)業(yè)技術研究院、產(chǎn)學研穿行戰(zhàn)略聯(lián)盟等多樣性產(chǎn)學研融通平臺，加快構網(wǎng)型儲能技術突破及推廣應用。
