繆楠林--《面向新型電力系統(tǒng)的構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)》

 

 

8月22-24日，由充換電百人會、中國充電樁網(wǎng)、中國風光儲網(wǎng)、聯(lián)聯(lián)充電、國家電投&融和元儲、充電聯(lián)盟等單位聯(lián)合主辦，上海賀勵展覽有限公司、上海賀勵商務(wù)咨詢有限公司承辦的2022中國國際光儲充產(chǎn)業(yè)大會&2022中國國際社區(qū)充電產(chǎn)業(yè)大會，簡稱：金磚光儲充論壇&金磚社區(qū)充電論壇在常州香格里拉大酒店順利召開。本屆大會設(shè)置“論壇峰會+展示臺展示”，既有企業(yè)細致入微的分析，也有行業(yè)專家為市場發(fā)展提出的設(shè)想與方案，助力落實國家提出的“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標要求，積極助力構(gòu)建“雙循環(huán)”新發(fā)展格局。

 

 

南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司 儲能行業(yè)總監(jiān) 繆楠林出席論壇并發(fā)表主題演講——《面向新型電力系統(tǒng)的構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)》 。

 

以下為演講實錄：            

繆楠林：各位同仁大家好，今天上午給大家匯報一下南瑞繼保在儲能方面的理解。

目前大的背景大家比較清楚了，“雙碳”目標和新型電力系統(tǒng)。

目前國家的新能源大的背景大家比較清楚了，新能源的資源是比較豐富的，同時新能源的成本也是快速在下降當中，帶來整個新能源占比急劇的提升。新能源發(fā)電的特性大家都比較清楚了，它有兩大特性，一個是間歇性，第二個是波動性。

同時，光伏逆變器、風電變流器它的并網(wǎng)器件有兩個特點，一個是密度比較低，二是快速控制性。也給我們的電網(wǎng)造成了一個挑戰(zhàn)。

新能源受限的因素，從時間尺度上，整體上可以劃分成對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，以及長時間周期的電力電量平衡能力的兩大方面。

從安全穩(wěn)定性的角度，它主要由電力電子器件電網(wǎng)的弱支撐性、器件脆弱性和控制的快速性。時間尺度上表現(xiàn)的是在毫秒級和秒級的時間尺度上出現(xiàn)的問題。

由于新能源風電和光伏的間歇性、波動性，以及難以存儲性，會給電力系統(tǒng)帶來功率和能源平衡的問題。這個時間尺度上體現(xiàn)的是在秒級、小時級甚至以在年上的時間尺度上帶來問題。

新能源的時空分布性、波動性和不確定性帶來電力電量的時序平衡和空間平衡等影響。

電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是滿足負荷用電需求，即電源按負荷曲線進行調(diào)整。但是新能源無法存儲，不具備這個能力，而且會增加電網(wǎng)的負擔。

為了消納新能源，首先我們的需求是有一個電力電量的平衡，電網(wǎng)需要更多的調(diào)峰資源。隨著電化學儲能技術(shù)今年由于原材料原因有小幅上漲，但總體趨勢向下，它已經(jīng)成為了新能源的標配。但是我們電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力并不是完全局限在電化學儲能上，它有很多的，包括需求側(cè)響應(yīng)、火電機組調(diào)峰改造，包括新能源的預測、抽蓄等等。其中比較重點的一個是抽蓄，抽蓄技術(shù)由于之前調(diào)頻技術(shù)的進步，過去很多不具備上抽蓄條件的自然地形，現(xiàn)在又可以上了。我們看到抽蓄規(guī)劃的量也是很大的，這個會給電化學儲能本質(zhì)上競爭的關(guān)系，有小的影響。

氫能其實業(yè)界也很關(guān)注，但是氫能離產(chǎn)業(yè)化還需要大家做更多的努力。

第二個問題是電網(wǎng)安全穩(wěn)定性問題，由于電網(wǎng)是不可能無限接納新能源的，除了電量的平衡之外，還有穩(wěn)定的問題。新能源大量介入是降低了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

IEEE原來已經(jīng)增加了變流器驅(qū)動穩(wěn)定性、諧振穩(wěn)定性的新分類，之前是完全放在電能質(zhì)量這一環(huán)節(jié)的。

電網(wǎng)穩(wěn)定性常規(guī)機組的減少導致系統(tǒng)受到?jīng)_擊，頻率變化加快、電壓變化劇烈、寬頻振蕩問題凸顯，常規(guī)的措施難以解決。

放到一個大的時間尺度上，我們講新能源對大電網(wǎng)的影響，隨著它的占比是逐步增加的。當前問題還不是太大，如果以很長的時間維度看待這個問題，可能在十年前基本沒有影響，現(xiàn)在可能對電力系統(tǒng)穩(wěn)暫態(tài)調(diào)節(jié)和控制能力提出了一定要求。

到了2030年的時候，如果占比進一步提升，達到50%以上，可能挑戰(zhàn)到到電力系統(tǒng)基本的強度，在機械和電氣方面。如果到2050年的時候，我們已經(jīng)建成了以能源為主體的新型電力系統(tǒng)的時候，可能會給交流電網(wǎng)本質(zhì)特征（電勢）或者轉(zhuǎn)動慣量，這個本質(zhì)特征如何去維持它，或者如何建立它，就提出一個很大的挑戰(zhàn)。

我們需要建立一個同步的電壓源，去提供一個電壓源支撐的技術(shù)路線有很多種，隨著新能源、儲能技術(shù)的發(fā)展與大量應(yīng)用，以變流器虛擬同步技術(shù)為主的構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)應(yīng)用空間比較大。

最早期可能是常規(guī)機組，水電和火電作為核心的支撐電源?，F(xiàn)在電力系統(tǒng)當中加了很多調(diào)相機，調(diào)相機主要的有限是無功支撐能力比較強，占地適中，建設(shè)成本和運行成本比較高。

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)提出構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)，也有叫電網(wǎng)支撐型技術(shù)借助于儲能，經(jīng)過我們的測算，綜合的動態(tài)特性好于同步電機的，成本低。但是它的缺點是過載能力相對比較弱。

同步電壓源的建立，常規(guī)機組與電力電子變流器不同，常規(guī)機組靠慣量維持電壓內(nèi)電勢，而電力電子變流器靠控制，最終外特性基本接近。

我們也可以看到目前新能源并網(wǎng)，各省發(fā)改委能源局也對新能源配置儲能提出了需求，這主要是為了解決電力電量平衡問題，目前也成為業(yè)內(nèi)強配。除了電力電量問題之外，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》里面也對新能源場站轉(zhuǎn)動慣量或者短路比提出了明確要求，明確提出新能源場站要提供必要的慣量和短路容量的支撐。我們目前強配的這些儲能，后期很有可能對它的構(gòu)網(wǎng)特性提出一定的要求。

我們總結(jié)一下。新能源高占比的電力系統(tǒng)需要提升新能源對電網(wǎng)的支撐水平，設(shè)備當然是電網(wǎng)的電力電量平衡問題，主要借助于儲能；其次要提升新能源場站對于電網(wǎng)的同步支撐能力，構(gòu)網(wǎng)型儲能在當中肯定會發(fā)生一個非常重要的作用。

第二個詳細講一下，大家可能會問構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)上如何實現(xiàn)？構(gòu)網(wǎng)型儲能，在常規(guī)儲能的基礎(chǔ)上，通過增加過流能力、改進控制策略，實現(xiàn)同步電壓支撐。它在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，變壓器、開關(guān)、刀閘等一致，區(qū)別是過載能力提升，包括整個系統(tǒng)的散熱設(shè)計要提升；二是控制策略要改進（構(gòu)網(wǎng)控制），同時保護配置也是不同的。

構(gòu)網(wǎng)型國外叫GFM，控制技術(shù)從實現(xiàn)原理上看，最簡單的表述就是，我們是通過變流器，經(jīng)過阻抗向系統(tǒng)并網(wǎng)點提供一個具有一定維持能力的電壓源。它和傳統(tǒng)的儲能比的話，它的有點是什么？可以實現(xiàn)等效慣量和系統(tǒng)強度的支撐，同時搶弱電網(wǎng)可以自適應(yīng)，也可以孤網(wǎng)運行，可以在無源網(wǎng)絡(luò)運行，如黑啟動。2018年在新疆西北地區(qū)實現(xiàn)了32臺變流器電壓源的黑啟動，同時已經(jīng)穩(wěn)定運行到現(xiàn)在，應(yīng)該是4、5年了，完全是孤網(wǎng)的，因為它離大電網(wǎng)非常遠的地方，整個效果目前看是非常穩(wěn)定的。

構(gòu)網(wǎng)型的控制基礎(chǔ)與常規(guī)的同步機組類似，可以在擾動前、中、后各個階段，構(gòu)建起電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須的電勢（定義），起到真正“支撐性”作用。

下面這個圖它的原理很簡單，我們可以把現(xiàn)在的電力系統(tǒng)跟現(xiàn)在的屋子一樣，它肯定有大梁的，我們現(xiàn)在非常多的火電機組、水電機組通過轉(zhuǎn)動慣量給電網(wǎng)提供電壓的支撐，大家維持在同樣的電壓水平和頻率上面。未來這個新型電力系統(tǒng)之后，新能源占比越來越多，同步機組越來越少，這個房子就不穩(wěn)了，我們通過構(gòu)網(wǎng)型的儲能技術(shù)，給電力系統(tǒng)增加電壓源，也就是我們可以看到我在進行波動的時候，必須要有一定的電壓源把大電網(wǎng)給支撐住。

當前構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)路線有很多，以虛擬同步技術(shù)為基礎(chǔ)的路線占主導地位，其它同步機+現(xiàn)有變流技術(shù)的混合路線。

構(gòu)網(wǎng)控制它的功能是在內(nèi)電勢多時間尺度上進行控制，包括瞬時的響應(yīng)、暫態(tài)的響應(yīng)，以及穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)。

我們可以看一下采用同步虛擬機構(gòu)網(wǎng)儲能的外特性與常規(guī)發(fā)電機基本一致，同時它可以參與電網(wǎng)的調(diào)峰，平滑新能源電站功率的出力，避免棄風、棄光發(fā)生。

同時，在直流發(fā)生換相失敗的時候，導致交流系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，針對常規(guī)的動態(tài)無功補償響應(yīng)滯后存在反調(diào)等問題，構(gòu)網(wǎng)儲能能夠快速平抑電壓的變化。在今年年底我們有一批構(gòu)網(wǎng)性儲能會在西北地區(qū)，像甘肅、新疆、青海這些地方投運。

同時，電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額的時候，構(gòu)網(wǎng)型儲能可以發(fā)揮電壓源的作用，可以瞬時自然分擔電網(wǎng)不平衡功率，減少電網(wǎng)頻率變化速度。從仿真可以看出來，如果上了構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)，整個電網(wǎng)頻率的波動是明顯變小的。

南瑞繼保針對構(gòu)網(wǎng)型儲能也做了很多研究，也有各種技術(shù)載體。其中包括集中式儲能、液冷儲能一體柜低壓儲能、高壓直掛儲能、光儲一體裝置、柔直系統(tǒng)。

集中式儲能這個跟目前的儲能比較接近，一個集中式的PCS加上電池的直流系統(tǒng)。我們發(fā)展了從電池底層BMS到最上級控制EMS的完整設(shè)備體系（4S架構(gòu)），全部是我們自主研發(fā)的，基于同一個平臺。整個響應(yīng)時間非常快，目前實際可以做到50個毫秒之內(nèi)（閉環(huán)響應(yīng)），這個在業(yè)內(nèi)參數(shù)還是比較明顯的。

第二個是戶外型液冷一體柜。

如圖所示，實際上在整個柜子里面我們是交流輸出的，交流可以輸出可以380V，也可以輸出690V，集成的電池PCS，以及全部液冷的冷卻系統(tǒng)，包括儲能變流器也是采用液冷的，全套把它密封在柜子里面。

我們可以做到尺寸1.3m×1.45m是兩米多高，能量密度可以做到200千瓦，400千瓦時，這個能量密度在業(yè)內(nèi)也是處于很高的水平。

它的安全性方面就是柜體只有交流接口，直流不出柜，同時我們支持多柜交流側(cè)并聯(lián)，最多可以支持一千多臺，百兆瓦級，甚至吉瓦級的都可以用這個柜子拼接起來，現(xiàn)場的模塊化非常容易擴展。同時，單簇精細控制和管理，無電池并聯(lián)，電池容量利用率和壽命得到提升。另外，柜體、模組雙重消防，安全性有比較好的保證。

這個產(chǎn)品我非常看好，一是它可以在大型的儲能電站（百兆瓦級以上）也可以用，提升了安全性。今天主題是“光儲充”，很多的用戶側(cè)，我們在浙江和江蘇都有這種產(chǎn)品在推廣，業(yè)主非常看好。包括充電站我放這個產(chǎn)品，因為能量密度比較高，而且全部液冷之后是免維護的，給客戶帶來的體驗非常好。

還有一個是高壓直掛的方案，現(xiàn)在這個方案也比較火，因為在技術(shù)上面難度比較高一點，有一定的先進性。各地用戶會經(jīng)常說做高壓直掛鉤的項目，目前有百兆瓦級的高壓直掛鉤的項目會落地。它的優(yōu)點是，電壓等級到35千伏的話和主網(wǎng)距離會更近，從構(gòu)網(wǎng)角度，給電網(wǎng)的支撐更好。同時避免了傳統(tǒng)的傳統(tǒng)低壓儲能較為分散的特點，單體小的話十幾兆瓦，大的話25兆瓦/5兆瓦時，單個體量這么大，這樣協(xié)同性就會更優(yōu)，構(gòu)網(wǎng)特性也會更好。

此外，還有光儲一體的構(gòu)網(wǎng)技術(shù)。它的儲能和光伏直流側(cè)進行耦合設(shè)計，在并網(wǎng)側(cè)變流器采用構(gòu)網(wǎng)控制，實現(xiàn)靜止同步發(fā)電機的特性，節(jié)約變壓器、并網(wǎng)變流器，投資會少一點。

此外，我們在某個柔直現(xiàn)場，利用成熟技術(shù)，實現(xiàn)更高電壓等級直接儲能的同步并網(wǎng)，儲能接入之后，可以完全解耦柔直兩側(cè)控制，這樣應(yīng)用場景會更廣，在柔性直流線路上擴展儲能的場景，當然這個目前還處在前期項目階段，沒有完全產(chǎn)業(yè)化，時間關(guān)系就講這么多。

 

 

    

  

 

（注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，請勿轉(zhuǎn)載?。?/div>