構網型儲能支撐新型電力系統建設的思考與實踐

國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司 陳佳凌 張 劍 姜昱昀 陸 杭

十四五時期，新能源發展的規模不斷擴大，電網的“雙高”特征將日益突出，對電網的影響也越來越大。高比例新能源對電網的沖擊表現為：一是風能資源的不確定性增加了電網中、長時間尺度的電荷平衡難度；二是電力電子裝置所占比例越來越大，但其設計余量較低，支持特性較弱，從而降低了電網的安全性和穩定性。目前，針對高比例新能源并網與消納的研究與實踐，多集中于新能源的快速調頻、調壓與機組的慣性響應。構網型儲能技術最初的研究范圍主要是在微電網領域，其技術路線主要有下垂控制、虛擬同步控制、匹配控制、虛擬振蕩器控制等。與風電和光伏相比，儲能具有能源獨立的特點，是一種理想的網絡儲能，在硬件結構上與傳統的儲能基本一致。構網型儲能與傳統儲能的不同之處，就是為了更好地起到電壓源的支撐作用，對電力電子器件的過流能力、設備的散熱性能等提出了更高的要求。

1 構網型儲能原理與建模方法

構網型儲能是一種利用內部電位的相位和幅度來靈活調節輸出功率的新型儲能，具有電壓源的特征。目前，主流的大電網規劃模擬軟件都是基于機電瞬態的方法。為此，要在大電網中推廣應用，就必須建立適合于大電網模擬要求的構網型儲能電機瞬變仿真模型。通過上文的分析，提出了網絡儲能系統中的虛擬功角θ與內部電位E的調節，并與有功調節、無功調節相結合，構成了網絡儲能系統。

2 構網型儲能在新型電力系統中定位

目前，在電源側風光配儲、電網側集中式儲能等應用場景中，儲能只起到了支撐性的作用，其主要內容包括平抑新能源功率波動、削峰填谷、一次調頻等。但是，其實質仍然采用電流源控制的跟網型儲能，依靠交流電網為其提供電壓源支撐作用。而在構網型儲能中，電壓源控制+功率同步控制是其基本特點，可為交流電網提供電壓源支持。而在新一代電力系統中，構網型儲能的定位就是要根據電網發展的各個時期的要求，把握各個時期的“主要問題”。以“碳達峰、碳中和”為核心，以2030年為時間節點，可將新型電力系統的發展分為碳達峰期、碳中和期。

在碳達峰期間，新能源裝機容量逐漸占主導地位，主電網總體上保持較高的慣性矩，且交流系統能夠同時保持交流的穩定性，是當前我國電力系統面臨的重大挑戰。在此階段，構網型儲能要充分發揮其“調和”功能，著重解決高比例新能源電網中存在的“網-源-荷”多要素協同問題，例如缺乏慣性矩引起的頻率變化快，暫態頻率偏差大，新能源多個電站間的短路比值不夠引起的電壓承受力低，阻抗特征不好引起的寬頻振蕩風險增大等。

以上問題在目前大電網中并不具有普遍性，但是由于其自身的特點以及傳統方法的限制，亟須利用構網型儲能來發揮調和源的作用。在碳中和時期，其主要特征是：電源側形成了以新能源電力電量為主體的模式，電網側交直流混聯電網、微電網等多種形態并存。在這一階段，電力系統中電源所占比例大幅度下降，造成了電網穩定性的下降。與傳統的并網裝置一樣，網絡儲能系統也需要像傳統的并網裝置一樣，起到支撐電壓源的作用，以提高系統的穩定性。目前已投入運營的部分離網微電網中的構網型儲能就是這類功能，其通過“電流源控型新能源+電壓源控型構網型儲能”的方式，實現了微電網中100%的新能源孤島化。有別于微電網的應用場景，以大電網為著眼點，研究其與傳統單元之間的電力分配和裝機容量分配問題[1]。

3 儲能技術攻關要點

如圖1所示，在可再生能源占比不斷提高的背景下，“新能源發電+儲能發電”一體化發展將成為新能源發電的主要發展方向。目前，我國能源存儲行業由于其技術更新及生產成本的降低，有望在短期內步入工業成熟期及高速發展期。

圖1 主要儲能技術發展階段及應用場景

3.1 吉瓦級電化學儲能

吉瓦級電化學儲能電站是我國“碳中性”和“碳達峰”的重要保證，其大規模發展具有重要的現實意義。吉瓦級電化學儲能電站在構建過程中還存在著系統集成難度大、運行調控策略實施難度大等問題，尚處在探索和探索階段。在早期，吉瓦級電化學儲能電廠應選擇多元電池的組成態勢，以技術成熟的磷酸鐵鋰為主要內容，其他電池技術并行的方式，對多元電池技術的可能性進行探討。將來，應將各種電池組成一個吉瓦級的電化學儲能電廠，根據不同的情況，選擇出性能優良的電池類型，從而提升電廠的經濟效益和綜合效率。

在我國電力系統中，特別是在大規模、共用式的電力系統與儲能示范基地等基礎上，大力開展吉瓦級電化學儲能發電系統的關鍵技術研發與應用，并在此基礎上進一步提升我國電力系統的綜合性能，進一步推進我國電力系統吉瓦級電化學儲能發電技術的開發與應用。從其發展來看，鋰離子電池在投產后不僅大大提高了性能，能量密度也相應提高，壽命延長了2～3倍，而且在一定程度上降低了儲能系統的建設成本。建筑成本可降低至1200元/kWh～1800元/kWh。同樣，電費也將相應降低。以每天一次充放電為例，可以降低到0.58元/kWh～0.73元/kWh。作為電化學儲能，鉛碳電池投產后循環5000多次，儲能建設成本約為1200元/kWh[2]。

3.2 大規模壓縮空氣儲能

壓縮空氣作為一種可規模化、低成本、高效率和環境友好的能源存儲方式，被認為是一種極具發展前景的大規模能源存儲技術。常規的壓縮空氣能量存儲技術面臨著依賴于儲氣庫、依賴于化石燃料和能量轉換效率低下的技術難題。而利用氣體壓力進行液化氣或氣體壓力存儲，則能使天然氣不再依靠地下空穴作為儲氣庫。采用儲熱技術對燃氣的加壓工藝進行了回收率和使用率的提高。針對目前已經建設或正在建設的高壓空氣能量儲存工程，目前兆瓦級功率下，其能量轉換效率為52.1%，12MW功率下，其能量轉換效率為60.2%，而30MW 率下，其能量轉換效率為70%。隨著電池的不斷升級和升級，電池的轉換效率將接近75%。

3.3 可再生能源耦合制氫與氫網系統

氫能是清潔能源的一種，是推動我國能源系統深度“脫碳”的一個關鍵突破口。當前，通過大規模的風電、光伏進行電解水制氫的過程，可達到零碳排放的目的，降低化石能源的消費，提高電網消納能力，還可實現新能源與煤化工、石油化工、的多聯產。面向未來高比例、大規模、不穩定的可再生資源，發展大規模的制氫、儲氫和制氫發電技術具有重要的現實意義。此外，建立一套完整的氫能源網絡，并有效地解決氫能源的消耗問題，對我國發展氫能源具有重要的現實意義。

發展可再生資源的聯合制氫，重點解決制氫系統的規劃與優化配置方法，系統的協調控制技術，以及氫氣網絡的規劃技術等問題；探索多種氫能應用方式，將氫能應用于各個領域，突破低碳發展與新能源消納的兩難困境，引導氫能產業鏈發展，探索“零碳”新能源發展路徑，加快豐富風能資源的開發，推動國家能源與工業系統的低碳發展。隨著“3060”戰略的實施，國家將向低碳能源發展的方向邁進，建立以新能源為主的電網已是勢在必行。

由于其具備的雙向電源特征與彈性調節功能，可通過能量“斷點續傳”，支持能量與信息的實時互動，可有效解決新能源波動大、電網調峰調頻等問題，是建設以新能源為主的新能源電網的重要一環。在儲能繁榮發展的情況下，要將技術創新作為支撐，加快布局前瞻性、系統性、戰略性儲能關鍵技術，堅持儲能技術多樣化發展。以能源存儲技術為突破口，積極推進工業技術改造；以資源稟賦為中心，對儲能產業的布局與場景規劃進行理性的策劃，加速對儲能技術和重點地區進行試點示范，并對其進行積極的宣傳，從而可有效提升儲能產業的市場競爭力和活力，全方位地促進儲能大規模高質量發展[3]。

3.4 開展儲能在綜合能源服務中的技術研究及示范應用

在碳排放、能源安全等約束條件下，通過對儲能與多能源系統協同利用的最優設計方法進行深入地探索，把握在多能源系統中合理的配置方式與尺度，從而達到多能源系統能量效率與調節能力的提高，以及多能源系統的最優經濟性。通過研究電網調度的優化方法，保證電網穩定、靈活、高效地運轉，并獲得與電網相關的利益。在此基礎上，對多種儲能技術在綜合能量供應體系中的運用進行比較研究，并在幾種典型情景下，對其進行規劃與設計。在此基礎上，研究多類集成能量業務中的多目標協同控制方法，發展多目標協同控制技術。在此基礎上，搭建集成能源服務的示范平臺，驗證系統的設計方法和調度方法。

3.5 注重用戶側儲能參與的微電網或綜合能源投資與建設

峰谷套利是目前最重要的客戶端電力存儲方式，通過在峰電期間向電力市場進行充值，以達到既節約了電力消費又獲得了一定利潤的目的。為了減少峰谷差，保持電力系統的均衡運行，目前，我國多數地方都實行了日間用電高峰時提高、日間用電低谷時降低的峰谷價率。我國以北京、長三角和珠三角等工業和商業發展水平高的城市和區域為主，這些地區有大量的配套園區和商用電力需求，是電力系統中存儲和綜合能量業務投入的重要方向。

3.6 積極研究謀劃西部風電資源富集區、海上風電的大型共享儲能電站

我國青海已開展了共享式儲能發電量的示范應用基地，并擬在新疆、甘肅、寧夏、內蒙古、吉林等多個風能豐富地區，統籌規劃一批國內領先的、具有自主知識產權的新型能源發電量。我國東部沿海地區對海上風力發電的爭奪日益加劇，當地政府對風力發電產業的引入和儲能支持等方面的需求越來越強烈。在尋求資源杠桿作用的切入點上，提出以大規模共用式儲能發電及相關的能源生產行業作為切入點，推進陸上及海上風電資源開發利用的系統性規劃。在電力送出、消納、存儲等，以及儲能設備的引入等方面，進行全面的統籌規劃，從而在大型的資源采集方面取得了突破，在新能源領域取得了重要的戰略部署上取得了突破[4]。

4 結語

綜上所述，將構網型儲能運用到新型電力系統建設工作中，是今后電力行業發展的必然趨勢。在電力市場中，構網型儲能技術是保障電力市場穩定、節約能源、提高電力市場競爭力的重要手段。