微頭條丨構網型儲能技術綜合解決大規模新能源發展難題

我國碳達峰、碳中和的鄭重承諾，以及構建以新能源為主體的新型電力系統的要求，明確了“雙碳”背景下我國能源電力轉型發展的方向，指明了能源電力行業服務“雙碳”目標的核心任務、能源電力創新突破的努力方向和行業高質量發展的必由之路。

未來新能源有較大發展空間

構建以新能源為主體的新型電力系統，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，技術上可開發的風電及光伏資源超過50億千瓦，當前開發量僅10億千瓦，未來新能源仍有較大發展空間。

根據國家發改委等九部門6月1日聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》，我國明確2030年風電和太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。2035年遠景目標，在2030年非化石能源消費占比達到25%左右和風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上的基礎上，上述指標均進一步提高?？稍偕茉醇铀偬娲茉?，新型電力系統取得實質性成效，可再生能源產業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。

預計2030年風電和太陽能發電裝機規模超過煤電，成為裝機主體，新能源發電量占比到2060年前有望超過50%，成為電量主體。

同步發電機應用于傳統電力系統

作為國民經濟的基礎設施，電力系統的兩個核心目標是保證持續可靠的供電和保證良好的電能質量。

我們當前的電力系統電源的主體是同步發電機。同步發電機基于電磁感應原理，以建立穩定電壓源的形式，將水力、煤或燃氣產生的蒸汽等機械能轉化為可靠的電能。不同的發電機之間則通過電功率與功角的比例關系、電功率與機械功率在轉子上的平衡作用等基本機制保持同步運行，從而共同構架起人類創造的最大規模動力系統即電力系統的穩定運行。

當電力系統中的負荷突然退出或投入運行時，同步發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起來，從而保證電力系統用功功率實時平衡。其后，由于發電機機械功率和輸出電功率的不平衡，其轉速就會發生變化，或降低或升高，由于發電機轉子的慣性，轉速的變化速度被控制在合理的范圍內。再后，當轉速的變化超過一定閥值，發電機的動力系統就會自動發出增加或減少機械功率的指令，重新將發電機轉速拉回到額定值附近，從而保證整個電網的頻率在合理的范圍內。

與此同時，當電網受到擾動，例如發生短路故障時，同步發電機可以保持內電勢幅值基本不變，并瞬時輸出無功電流，當短路故障切除后，同步發電機可以根據電網電壓的恢復情況瞬時調整其無功輸出，自動勵磁控制系統也會隨后自動發出增勵磁或者減勵磁指令，將電壓控制在合理的范圍內。

可以看到，在這樣一個系統中，無論是負荷變化還是短路故障，同步發電機通過自身固有特性與調速、勵磁控制的結合，將電網的頻率、電壓控制在合理范圍。

在這樣的傳統電力系統中，負荷大時間尺度上變化可預測，小時間尺度上通過電氣參數自動分配到同步發電機組上保證供需平衡，工作點穩定；同時，電源是可計劃和可控工作的，當自動平衡后的穩定工作點偏離額定值后，都可以通過調節同步發電機電源的功率、電壓輸出使得整個電網恢復到額定的穩定工作點。

新能源發電與同步發電機有本質區別

再來看新能源發電。當前技術下的新能源發電主要指風電和光伏，它們與同步發電機有本質區別，可統稱為非同步機電源，并網器件由電力電子換流器構成，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型控制策略，即通過鎖相環來實現變流器與電網之間的同步，采用矢量電流控制來控制變流器的輸出電流，從而控制饋入電網的有功/無功功率，其本質上是受控電流源，主要控制目標是跟蹤太陽能與風能當前的最大功率，并最大效率的將太陽能、風能轉換為電能饋入電力系統。這種控制策略由于以電流作為控制目標，無法承擔按計劃、受控提供能量保持供需平衡（頻率穩定）和平穩電網電壓。

新型電力系統的顯著特征是新能源在電源結構中占據主要地位，隨著新能源發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，這樣一個系統遇到類似擾動將無法正常運行。

除此之外，當前的新能源發電與同步機發電比較，還有以下特征：

(資料圖片)

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，當新能源發電占比較小時，還可以通過其它同步發電機的調節機制來保證整個大電網的功率平衡，當新能源占比較大時，平衡機制將無法滿足，只能采取限制新能源發電的形式來解決。據初步統計，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，當新能源的占比增加時將導致整個電網的慣量降低。慣量降低后，同樣的功率波動下，頻率變化速度變快，調節難度增大；同時相同時間尺度內頻率總的變化幅度變大，易發生超出設備允許的頻率偏差范圍的事件（例如火電同步機組的轉子長期允許運行的頻率在額定值附近2Hz-3Hz左右），導致電力系統的安全穩定運行風險增大。

再有，新能源并網換流器從發電經濟性上考量，設計的過壓、過流能力比同步發電機低較多。在電網發生短路故障時，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提供足夠的動態無功支撐以促進電力系統的功角和電壓穩定工作點的恢復。如果上述階段造成了接入電網的過電壓水平較高（如超過1.3倍額定值）或電壓較長時間無法恢復，新能源為了保證設備安全還會主動脫網運行，從而進一步惡化電力系統的頻率穩定性。

還有，新能源并網換流器的控制速度快，按基本控制原理，控制速度越快，在接入電網較弱的情況下，發生寬頻率振蕩的風險也越大。2015年7月，新疆哈密地區新能源引發次同步功率振蕩，導致天中直流配套火電三臺機組軸系扭振保護動作，當時就引發了行業的高度關注，近幾年類似寬頻帶振蕩事件頻發，如不能妥善解決，將制約新能源的發展與應用。

總結來看，新能源上述特征的存在，既有其自身發展規律的問題，也與新能源比常規同步電源在電力系統的電壓、頻率調節控制能力相對降低有關。

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，使其具備常規水、火等同步發電機支撐電網的良好特性，可與同步發電機協同工作。這將影響新能源的發電量，經濟性降低，短期內難以實現；其二，在新能源附近增加新的設備，具備同步發電機或者類似同步發電機的電壓控制和頻率調節能力，來保證既能消納新能源，又能消除新能源對電力系統帶來的不利影響，提供系統的穩定性支撐。

構網型儲能技術綜合解決大規模新能源發展難題

在平抑新能源發電功率波動，降低大電網調峰壓力，提升大電網對新能源的接納水平方面，儲能環節是個必選項。各地也不斷在嘗試新能源場站配置大容量儲能系統進行示范應用，電池儲能技術得到了迅速發展。各省能源局也紛紛出臺相關政策，要求在開發新能源的同時，配套建設10%-20%容量的儲能系統。

但是當前配置儲能的要求，都是從解決新能源波動的角度提出的。從技術的潛力來看，基于換流器并網的電化學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電機或者類似同步發電機的頻率調節和電壓控制能力，解決以上提出的新能源消納增長帶來的問題，這就是構網型儲能技術。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解決相關問題，率先研制出了大容量構網型儲能技術。該技術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揮儲能的潛能，使儲能可以對電網電壓、頻率和慣量進行支撐，從而綜合解決大規模新能源發展中面臨的難題。

構網型儲能技術的核心是通過儲能逆變器，構建起支撐大電網穩定運行的電壓源，可以起到快速調頻調壓、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的調節速度優勢，其快速響應性能甚至超越了傳統的發電機。對于電網中大部分新能源場站短路比不足的場合，經初步測算，配置15%具有短時1.5倍10秒過載能力的構網儲能系統，基本可以保證新能源的正常運行。由于構網型換流器的特性可以通過控制特性塑造，對于大量接入構網型變流器的場合，還可以通過過載特性的設計，既滿足短路容量的要求，又可避免短路電流超標，而這是同步發電機不容易解決的矛盾。在大規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）的構網儲能系統，可起到類似調相機的作用，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定范圍內，從而保證嚴重沖擊下接入新能源的電網的穩定運行，提高新能源消納能力。

長久以來，我國構建了以火、水電等同步電源為主導的龐大交流同步電網。作為電網主要支撐性電源，常規同步電源有力保障了電網安全穩定運行。隨著“雙碳”目標推進，新能源占比增加，而同步發電機電源比例降低，電力系統面臨各時間尺度的電力電量平衡難度大，電壓、頻率安全穩定水平下降等問題，電網的安全運行將受到嚴峻考驗。2022年5月4日，國家發改委、國家能源局下發了《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》，提出加快構建適應新能源占比逐漸提高的新型電力系統，其中第一個措施就是全面提升電力系統調節能力和靈活性。在新能源附近增加具備同步發電機或者類似同步發電機的頻率調節和電壓控制能力的新型設備，例如構網型儲能系統，屬于工程化比較成熟、電網建設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調節能力和靈活性，可平抑新能源發電波動，提升系統慣量、電壓與頻率支撐能力，控制短路容量和改善電網阻尼特性，能在技術上有效調和新能源發展過程中將面臨的各種矛盾。

雖然從技術維度論述構網型儲能能夠有效調和新能源占比提升過程中的電網矛盾，但是在推廣應用方面還需要考慮到新能源建設、運營，電網建設、運營主體不同，關注側重點各不相同。5月24日國家發展改革委下發的《關于進一步推動新型儲能參與電力市場和調度運用的通知》，對相關利益的協調提出了指導，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調峰、建立電網側儲能價格機制等指導意見，后續落實時建議也對儲能參與電網調頻、調壓，提供慣量等貢獻的定價進行探討和創新嘗試，推動構網型儲能等新技術在建設以新能源為主體的新型電力系統過程中，為電力系統安全穩定運行做貢獻。

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