构网型储能：让新能源并网更稳更灵活

　　在整个储能系统中，电池决定着储能系统的容量，超50%的成本占比，也让其在储能产业链中备受各方关注。随着我国能源电力绿色低碳转型的深入推进、新能源装机占比快速增长，在储能电池之外，可以提供同步电压、电流并为电网提供惯量支撑的构网型储能技术开始受到关注。

　　稳定是电力系统的关键

　　随着我国“双碳”目标的提出，以风电、光伏发电为主的新能源装机占比呈逐年上涨趋势。然而风电、光伏发电所具有的间歇性、波动性等特征给电网的稳定性带来了一定挑战。为此，多地发布了新能源配储的相关政策。据《储能产业研究白皮书2023》的不完全统计，截至2022年年底，我国新型储能继续高速发展，累计装机规模首次突破10吉瓦，达到13.1吉瓦。

　　作为保障国民经济正常运转的源源动力，电力供应的稳定性极为重要。

　　“电网作为一个巨大的惯性系统，需要时刻保持惯性和有功功率平衡。过去，在以火力发电为主的年代，同步发电机是保障电力系统稳定的关键。”国网冀北电力有限公司电力科学研究院相关专家表示。

　　在现代电力工业中，同步发电机广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁机，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压，并为电网提供惯量和一次调频。根据转子运动方程，当电网有功功率缺额时，发电机转子加速，电网频率升高，反之电网频率降低。以煤炭、燃气为主的同步发电机之所以被称为能源安全的“压舱石”，也是因为其可以快速响应，对电网的惯量起到支撑作用。

　　但随着新能源发电占比的增大，维持电网稳定性的难度也逐渐加大。

　　“新能源发电与同步发电机发电有着本质区别，现有的新能源基本不具备惯量支撑能力。”专家表示，“风、光等新能源发电需要依靠逆变器并入电网，这些电力电子逆变器设备具有控制灵活、响应迅速等优点，但随着电力系统中电力电子设备的增多，这些装置本身低惯量、低阻尼、弱电压支撑的特点会对电力系统的稳定运行造成影响。”

　　我国2020年7月实施的新版强制性国家标准《电力系统安全稳定导则》(以下简称“导则”)，对新能源场站应具备的功能提出了新的要求。导则明确，新能源场站需具备一次调频、快速调压和调峰等能力，在新能源并网发电比重较大的地区，新能源场站应提供必要的惯量支撑，必要时可配置储能等灵活性调节资源。

　　4月24日，国家能源局发布《关于加强新型电力系统稳定工作的指导意见(征求意见稿)》，其中再次强调：稳定工作是电力系统健康发展的基础;要充分发挥电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、氢储能、热(冷)储能等各类新型储能的优势，探索储能融合发展新场景，提升电力系统安全保障水平和系统综合效率。

　　为解决电力系统安全稳定问题，让大电网回归到同步发电机占主导的形态，即采用构网电压源技术，让原本的电力系统“三道防线”体系可以适应新型电力系统的发展，“构网+储能”的构网型储能技术应运而生。

　　国网新疆经研院院长王晓斌告诉记者，构网型储能可以让储能实现类似同步发电机的运行特性，在电力系统发生扰动的前、中、后各阶段，主动构建起系统稳定运行必需的电势，对电网有四层重要意义——

　　一是提升频率稳定水平。提供真实的惯量支撑，在外电网发生频率扰动后，自然无延时地输出功率，降低电网频率变化速度。二是平抑电压变化。尤其是新能源集中的特高压直流近区，发生换相失败将导致交流系统出现暂态过电压，构网型储能通过及时响应能够平抑电压快速变化，避免常规跟网型动态无功补偿装置的响应滞后和反调问题。三是提升新能源多场站短路比。构网型储能呈现独立电压源的外特性，等价于主网侧并联电压源，可以间接改变系统侧短路阻抗，增加短路电流，进而增大短路容量，支持更多新能源接入。四是提高新型电力系统下“三道防线”的适应性。随着新能源的持续接入，跟网型的新能源机组呈现电流源特性，故障期间存在短路容量不足等问题，传统电流保护无法适应，通过配置构网型储能，等效提升系统内同步发电机这样的电压源设备占比，传统“三道防线”可以沿用。

　　从“跟网”到“构网”

　　在电化学储能系统中，储能变流器是仅次于电池的重要元件。储能变流器(PCS)包括整流器和逆变器，决定着输出电能的质量与特征。并网模式下，在负荷低谷时，储能变流器把电网中的交流电整流成直流电给电池组充电;在负荷高峰时，储能变流器把电池组中的直流电逆变成交流电反送到电网中。因此，在新能源规模化并网的背景下，逆变器的控制技术是构网型储能的关键所在。

　　逆变器主要有两种控制技术，即跟网型(Grid Following)控制技术和构网型(Grid Forming)控制技术。当前，并网储能逆变器通常采用跟网型控制技术。

　　据王晓斌介绍，跟网型逆变器通过跟踪电网的电压、相位来控制其输出，由于跟网型逆变器依赖于电网的实际电压和频率，需要惯性源提供稳定支撑，如旋转质量，因此跟网型储能无法应对电网的扰动。在系统发生扰动时，这些逆变器通常会关闭输出，直到干扰过去，并且需要在大停电后先建立系统，然后重启逆变器的输出。

　　随着越来越多的新能源和电力电子设备接入，电力系统惯性减小、系统强度变弱趋势明显，稳定性问题越发严重，构网型逆变器逐步受到青睐。

　　前述专家表示，构网型储能技术的核心是通过储能逆变器构建起支撑大电网稳定运行的电压源，以起到快速调频调压、增加惯量和短路容量支撑、抑制宽频振荡等作用。“与跟网型控制技术相比，构网型技术具有可提供同步电压电流，为电网提供虚拟惯性等优势;在极端环境下，还可以提供故障穿越、黑启动及有功、无功稳定功能，同时减少备用线路的改造需求，保障电网稳定。”他说。

　　相较于常规发电机组，构网型储能在过载能力和控制灵活性方面也更具优势。

　　王晓斌表示，从过载能力方面来看，当输出视在电流即将超过3倍过载能力时，需投入虚拟阻抗进行快速限流，此时外特性与理想电压源将存在差距，而构网型控制技术可以保证有足够的过载能力，满足电网侧大部分故障情况下的需要。从控制灵活性程度来看，构网型控制技术的函数中有众多可变参数，因此构网型储能可以实现比同步发电机更灵活的参数控制，对不同场景的适应性更强。

　　“例如，传统常规机组的同步发电机功率输出必须经过转子的加速，爬坡率为1%～1.5%，而构网型储能可以通过在输出端叠加偏差量，实现功率不经过构网控制的快速调节。因此，控制参数的灵活性使构网型储能兼具同步发电机稳定电压源和电力电子灵活快速控制的优势。此外，同步发电机为旋转设备，损耗相较于静止设备的构网型储能更大。从同步电压支撑方面看，构网型储能未来可以部分替代火电厂，尤其在火电厂建设有困难的地区，可以作为局部电网的同步电压源运行。”王晓斌说。

　　不过他也特别指出，从能量角度来看，构网型储能不能替代火电厂，因为储能是先储后放，自身并不能产生电能，而火电厂可以发电。

　　今年3月15日，国网新疆电力有限公司在阿克陶县龙源奥依塔克光伏储能电站完成了全疆首套构网型储能系统并网性能调试及现场测试。阿克陶50兆瓦光伏项目通过配置一套3倍过载能力的5兆瓦/10兆瓦时构网储能，有效提升了接入点阿克陶光伏汇集母线近区的新能源多场站短路比，在导则规定的机端短路比不低于1.5、并网点短路比不低于2.0的标准下，可以满足阿克陶当地更多的新能源接入需要，提升了当地的新能源消纳水平。

　　为有力推动南疆千万千瓦级光伏发电在更大范围开发和消纳，2019年6月，750千伏大电网首次延伸到新疆最南端的和田地区，大电网已全部覆盖新疆南部四地州。

　　国网新疆电力有限公司经济技术研究院新型电力系统规划研究中心副主任辛超山表示：“阿克陶地处南疆电网，南疆750千伏网架输电距离长、电压支撑较薄弱，通过配置阿克陶构网型储能系统，可以在其过载能力范围内提升近区的电压支撑水平，改善近区交流故障后的暂态电压问题，提升对南疆电网的同步支撑能力。”

　　协调运转仍是难点

　　从“被动跟网”到“主动构网”，构网型储能系统不仅能为电网提供稳定的电压源，还可主动平抑电网中各类大小扰动，缓解电力系统的暂态电压、频率等稳定问题，有效提升新能源消纳能力。在近期的储能行业会议上，不少专家都提到构网型储能“新能源电站+储能+合适的算法控制”模式建立以后，将具有与火电厂类似的功能。

　　不过据不完全统计，截至目前，构网型储能电站的数量在我国仅为个位数。

　　当前，我国的构网型储能尚处于起步阶段，构网型储能作为电压源，若多台电压源设备并列运行，可能存在环流、抢功率等问题，影响系统的稳定性。国网冀北电力有限公司电力科学研究院储能组组长表示，和储能电站已有的其他模拟电压源“抢活儿”是当前构网型储能发展亟待解决的问题。

　　“构网型技术既可以提供有功功率，也可以提供无功功率。从无功角度来说，一般储能电站或新能源电站中都会配有诸如静止无功补偿装置(SVC)、有源电力滤波器(APF)、静止无功发生器(SVG)等设备，构网型设备如何与这些已有的无功源设备相互协调是个问题。比如电路出现故障后，这些设备都可以去支撑，但是谁先谁后呢?”

　　王晓斌也表示，构网型储能多台设备并列运行也将面临稳定性的问题，该问题是制约构网型储能应用于大电网的技术难点。

　　他认为，为进一步挖掘构网型储能在大电网层面的应用潜力，后续可从以下四方面发力：一是推进基于国内主流大电网仿真平台的构网型设备模型开发工作，支撑工程实践应用;二是围绕构网型储能过流能力选取、对传统继电保护适应性等方面，完善构网型技术在大电网层面应用的相关标准体系建设;三是探索构网型储能参与电力辅助服务市场的创新机制，建立构网型储能参与系统调峰、调频、转动惯量等辅助服务及评价体系;四是聚集政府、企业、权威科研机构力量，积极探索产学研创新联合体、产业技术研究院、产学研穿行战略联盟等多样性产学研融通平台，加快构网型储能技术突破及推广应用。

　　来源：能源评论杂志