基于全球能源互聯網典型特征的儲能需求及配置分析

葉季蕾，李斌，張宇，李明哲，石博文，王皓靖

基于全球能源互聯網典型特征的儲能需求及配置分析

葉季蕾1，李斌1，張宇2，李明哲1，石博文1，王皓靖2

（1．南京工業大學能源科學與工程學院，江蘇省 南京市 211816；2．國網上海市電力公司電力科學研究院，上海市 虹口區 200000）

全球能源互聯網的發展對長距離電力能量供需平衡、供應持續可靠性提出了更大的挑戰。不同類型的儲能技術是解決電力電量平衡的優選手段，是全球能源互聯網發展必不可少的組成部分。儲能的需求和配置與具體應用場景的特征、應用目標緊密相關。通過文獻調研和示范工程，分析了全球能源互聯網3種典型應用場景中儲能技術的配置方法和性能需求，從而給出了儲能類型、儲能配置的功率和放電時間范圍建議。針對全球能源互聯網的大規模清潔能源和遠距離傳輸的特征，提出了具體的儲能接入拓撲，為模擬儲能接入全球能源互聯網應用的功能驗證提供了解決方案。

全球能源互聯網；儲能；配置；接入拓撲

0 引言

全球能源互聯網的核心是能源清潔發展和能源全球配置[1]。可再生能源接入比例將達80%，特高壓輸電將跨越不同時區，地域長度可達5000km以上，全球能源互聯網發展將面臨著高比例可再生能源供電持續可靠性、跨時空能源生產與消費的功率匹配和能量平衡、跨洲互聯電網運行方式突變及故障擾動下區域電網系統穩定性等諸多挑戰。具體包括：全球能源互聯網能源基地可再生資源的隨機性、間歇性可能導致的長時間尺度(天級)的電力缺乏，進而造成負荷中心電力能量供需不平衡問題；高比例風電、光伏等資源的短時功率波動對送、受端電網的頻率和電壓暫態穩定影響及功率匹配問題；全球能源互聯直流骨干輸電系統換相失敗暫態過程引發的電壓波動及有功振蕩問題；區域負荷中心交直流混聯電網故障造成瞬態、動態過程的潮流轉移、線路阻塞及有功缺額等諸多問題。

儲能技術種類多樣、發展迅速，在電力系統中的多種應用功能已經得到了示范驗證[2-12]。抽水蓄能、電化學儲能等規模化儲能技術能夠實現能量的存儲與釋放，將電力的生產和消費在時間上進行解耦，使傳統的需實時平衡的“剛性”電力系統變得“柔性”，可以提高電網運行的安全性和靈活性，是發展全球能源互聯網的重要技術支撐[13-15]。以抽水蓄能、壓縮空氣儲能為代表的大規模儲能技術較為成熟，在可再生能源基地可解決數小時級的能量平衡及功率匹配問題，提高可再生能源消納；各類電池儲能可以靈活實現分鐘級到小時級有功、無功動態響應，用于平抑可再生能源波動、提供輸配線路的電壓支撐；超級電容和超導磁儲能可實現毫秒級的功率調節，用于短時間的功率支撐等；儲熱、儲氫技術可實現超長時間的能量存儲，滿足數天以上時間尺度的能量調節，保障可再生能源基地電力缺乏時的電能持續可靠供應[16]。

綜上所述，儲能技術將在全球能源互聯網的應用中發揮至關重要的作用。本文首先從全球能源互聯網的典型特征對儲能的需求出發，分析儲能的作用，提出適用于全球能源互聯網典型場景的儲能技術，調研總結大容量儲能技術的發展現狀；然后，根據全球能源互聯網的典型場景案例，計算出儲能的配置范圍；最后，提出規模化儲能在全球能源互聯網場景中的典型接入方案。

1 全球能源互聯網的典型特征及儲能需求分析

1.1 超大規模可再生能源基地的接入對儲能的需求

全球能源互聯網中的超大規模可再生能源基地位于北極和赤道地區，網絡結構相對薄弱，抗擾動能力較差，外送規模受到限制[1]。一方面，由于可再生能源的短期波動和周期性變化引起的線路電壓超限現象將逐步出現；另一方面機組設備容量不足、網架結構限制、風電反調峰作用等因素將導致電網調峰面臨很大的困難。

在風力發電、太陽能光伏發電等可再生能源基地，通過一定容量的儲能裝置，一方面可平滑可再生能源輸出功率，減少短時功率波動對電網的頻率和電壓影響；另一方面，在可再生能源長時間電力缺乏時可以保障負荷中心的能量供應，大大提升了電網對超大規模可再生能源基地的適應性。

1.2 特高壓交直流電網互聯對儲能的需求

全球能源互聯網采用特高壓直流作為輸電通道，特高壓直流故障后對送端電網和受端電網的暫態穩定性將產生重大影響[17]。其中，送端電網直流故障后造成的暫態過電壓問題易導致新能源機組大規模脫網，進而造成連鎖事故；而受端電網將不得不切除大量負荷，可能造成嚴重的電網事故。

發生直流閉鎖后，若無穩控措施，將發生頻率越限和電壓失穩，需要通過切機幫助系統恢復穩定。與切機手段相比，儲能系統具有毫秒級大功率響應速度，動態特性好，將儲能裝置加入全球能源互聯網輸電系統中，對于系統的安全穩定運行有較好的輔助作用。

1.3 跨時空互補特性的區域負荷中心對儲能的需求

全球能源互聯網以電力為紐帶，將可再生能源轉化為電力進行全球范圍內的共享互聯，但全球范圍內不同地區電力用戶的負荷時間特性不同，且由于全球范圍內不同地區擁有不同的季節和日照，不同地區電力用戶的用電需求和可再生能源發電量也有差異。

通過合理地配置和布點，將儲能安裝在不同等級的負荷中心，可以提高可再生能源消納能力，優化資源配置，也可以滿足對于重要負荷的供電可靠性和電能質量要求，還可實現需求響應、用電管理和電能交易[15]。

2 大容量儲能技術特性及其發展現狀

2.1 技術特性

用于表征儲能技術的主要指標包括能量密度、存儲時間、響應時間、能量效率、循環壽命、自放電率和安全性。

表1給出了各類儲能技術的主要性能指標[18-26]。可以看出，儲氫的應用功率已達數十兆瓦，抽水蓄能、壓縮空氣儲能和儲熱的應用功率等級達到數百甚至數千兆瓦，放電時間可以達到一天以上，但抽水蓄能和壓縮空氣儲能的能量密度較低，安裝位置受地理條件限制，而儲熱和儲氫的能量效率較低；電化學儲能總體具備響應迅速、能量效率高、自放電率低、持續放電時間范圍寬等特點，且功率等級已經達到數十兆瓦，同時具備不受地理條件限制、安全靈活等優勢，在調峰、負荷跟蹤、提高新能源消納等場景具有很大的應用空間。此外，電化學儲能毫秒級的響應特性使其在調頻、提升電能質量等服務中具有不可替代的優勢。但從電力系統應用需求來看，鋰離子電池儲能的安全性和循環壽命是未來重點提升的性能指標。

表1 各類儲能技術性能參數

Tab. 1 Performance status of energy storage technology

注：“+”表示可超過；“DOD”指放電深度。

2.2 儲能技術發展現狀

2.2.1 全球儲能技術發展現狀

截至2019年12月底，全球已投運儲能項目累計裝機規模為184.6GW，同比增長1.9%。其中，抽水蓄能累計裝機規模依然最大，為171.0GW，占比92.6%；電化學儲能累計裝機規模達9520.5MW，同比增長43.7%，累計占比5.2%，較2018年同期增長1.5%[27]。但近10年抽水蓄能的占比下降了近7%。

2019年，全球新增投運的電化學儲能裝機規模達2895.1MW，較2018年下降了21.7%。從投運地區來看，全球新增電化學儲能項目裝機主要分布在49個國家和地區，裝機規模排名前5位的國家分別是中國、美國、英國、德國、澳大利亞，其中中國新增裝機規模達到636.9MW[27]。從發展速度來看，電化學儲能保持快速增長，其中鋰離子電池是應用范圍最廣泛、發展潛力最大的儲能技術。

從全球投運的電化學儲能項目應用分布來看，用戶側領域占比最大，為36.6%；其次是輔助服務、集中式可再生能源并網、電網側和電源側，占比分別為22.4%、2.2%、14.7%和4.1%，總體上，電化學儲能由于其多重特性，應用分布十分廣泛。

2.2.2 中國儲能技術發展現狀

截至2019年年底，中國投運儲能項目累計裝機規模達到32.4GW，較2018年增長了3.6%，占全球裝機總規模的17.6%。其中，電化學儲能項目累計裝機規模達到1709.6MW，占全球電化學儲能裝機總規模的17.9%，較2018年增長了59.4%[27]。2019年，中國已投運電化學儲能項目的裝機規模為636.9MW，較2018年下降了6.7%，這主要是由于我國電網側儲能建設不能納入輸配電價成本，導致電網側儲能建設增速明顯下降。

從技術路線來看，我國不同類型儲能累計裝機分布如圖1所示，不同類型電池儲能裝機分布如圖2所示。在已投運的電化學儲能項目中，鋰離子電池裝機功率占比最高，達80.6%；其次是鉛蓄電池和液流電池，占比分別為17.8%和1.2%。2019年，在新增投運電化學儲能項目中，鋰離子電池新增投運規模為619.5MW，占比超過97%。

圖1 我國不同類型儲能累計裝機分布圖

圖2 我國不同類型電池儲能裝機分布圖

從應用場景來看，在我國已投運的電化學儲能項目中，與全球分布類似，用戶側累計裝機規模最大，達到802.3MW，占比46.9%；電網側和集中式可再生能源并網分別占比20.2%和17.4%[27]。從2019年新增投運的電化學儲能應用分布(見圖3)來看，用戶側領域新增裝機規模最大，達到277.9MW，占比接近44%，輔助服務、電網側和集中式可再生能源并網緊隨其后。

圖3 2019年我國新增投運電化學儲能在不同應用領域的分布

3 全球能源互聯網典型場景下儲能的配置需求

3.1 替代可再生能源電站長時間持續供電

大規模可再生能源集中并網的置信度對系統的備用容量規劃有一定的參考價值。評估間歇式能源置信容量目的是從容量角度考慮間歇式能源電場的規劃設計，從而既可保證系統供電可靠性，又可經濟高效地大規模利用新能源。目前國內外對間歇式能源的置信容量評估方法大致分為2類[28-30]：一類是從負荷側考慮，保證新增電源接入前后系統的可靠性水平不變，新增電源能夠多承載的負荷量；另一類是從發電側考慮，在保證可靠性不變的前提下，新增電源能夠替代的常規機組容量。本文旨在通過估算可再生能源發電基地等效為常規機組的容量，推算出采用儲能系統替代可再生能源基地長時間持續供電所需配置的容量范圍，因此從發電側考慮采用基于有效載荷能力(effective load carrying capability，ELCC)的評估方法，其流程如圖4所示。

圖4 間歇式能源置信容量評估流程

我國規劃到2020年，擬新建風電場總裝機容量為7212MW。本文所模擬的2020年甘青電網的年峰值負荷為44899MW，外送功率為13500MW，電網包括369臺常規發電機組，容量從2.5MW到1000MW不等，總裝機容量為73223MW。本文采用基于Copula-ARMA的間歇式電源出力模擬，并將模型應用到西北實際電網中，基于ELCC計算了甘肅、青海地區的風電場置信容量。表2給出了西北甘肅、青海地區各個新建風電場單獨接入電網時的置信容量。

表2 西北電網2020年規劃新建風電場裝機及其置信容量

從表2可以看出，所選擇的風電場的置信區間范圍為16%~22%，儲能替代風電場的功率范圍為76~177MW。對于數百兆瓦級容量的風電場，在替代長時間供電應用場景上，儲能配置功率規模為百兆瓦級，持續供電6~24h。

3.2 特高壓直流換相失敗的功率支撐

大量工程實踐[31-32]證明，特高壓直流輸電發生的單回或多回直流換相失敗對交流斷面造成巨大沖擊，嚴重時將導致直流系統閉鎖，中斷功率傳輸。換相失敗會導致大幅度功率波動，雖然故障持續時間極短，但波動過程卻為換相失敗時間的100~200倍。換相失敗發生時，送端電網直流功率無法傳輸，可能會造成瞬時大功率盈余，影響送端交流側；受端則會發生大功率缺失。同時，故障及恢復期間，吸收大量無功，直接威脅電網安全。

本文基于示范工程的實際波形數據，通過分析不同情況下換相失敗造成的有功和無功缺額，以及對應的換相恢復時間，從而確定該場景下儲能配置的功率和放電時間范圍。將儲能配置在受端電網，配合同步調相機等調節手段，發揮有功和無功支撐的作用，一方面補充換相失敗造成的大功率缺失，另一方面補充因換相失敗而導致直流從系統吸收的大量無功缺失。

據文獻[33]報道，華東電網某500kV線路C相故障跳閘，重合不成功，造成近區某特高壓直流連續2次換相失敗，對送端特高壓交流長南線產生約1600MW的有功沖擊。目前運行的三大特高壓直流同送、受端，若滿功率運行時同時發生一次換相失敗，短時失去有功達21.6GW，可造成華北–--華中電網的交流斷面功率波動近5000MW，嚴重時可能造成相關交流斷面解列；在開關拒動、故障發生于快速保護動作死區或電網振蕩等嚴重故障情況下，可能發生多回直流同時多次換相失敗，造成送端電網失穩、多回直流相繼閉鎖，進而對受端電網產生嚴重影響。此外，直流故障過程中需吸收大量無功功率，相關數據表明，單一特高壓直流換相失敗，逆變側從系統吸收的無功功率可能高達4000~5000MV·A；若多回直流同時換相失敗，產生的無功功率沖擊將更大。

從上述數據分析得到，特高壓直流換相失敗引起的有功功率缺額達數千兆瓦，持續時間數十到數百毫秒；無功缺額達數千兆伏安，持續時間數十毫秒。抽水蓄能技術相對成熟，功率規模可達數千兆瓦級，在電力系統中發揮調峰、調頻、調相、緊急事故備用、黑啟動等多重作用，但響應時間在分鐘級，無法滿足上述場景的響應時間要求。因此，建議與其他調節手段配合，配置百兆瓦級的儲能系統，同時發揮功率和能量的作用，既可滿足短時間功率缺額，又能滿足重要負荷短時間供電的需求，配置時間為數十分鐘。

3.3 基于跨時區負荷特性的可再生能源消納能力提升

將可再生能源轉化為電力進行全球范圍內的共享互聯，北極的風電以及中東、非洲等沙漠地區的光伏發電可以輸送到各個地區的負荷中心。全球范圍內不同地區的環境差異和時區差異，為儲能技術提供了廣闊的應用空間。將儲能裝置安裝在跨區負荷中心落點，用于提高可再生能源消納能力，優化資源配置。本文選取中國、美國和歐洲的典型日負荷特性曲線[17]，分析跨時區的負荷互補特性，結合大型可再生能源基地的輸出到中國落點后的出力特性，分析用于提升不同可再生能源消納能力的儲能配置范圍。

為便于分析，將不同國家的典型日負荷曲線統一處理成負荷率曲線，并將此負荷曲線作為三大區域電網的典型日負荷率曲線，如圖5所示。可以看出，日負荷需求曲線比較相似，白天的負荷需求明顯高于晚上。

圖5 不考慮時區的典型等效日負荷曲線

上述三大區域電網典型的日負荷曲線是以當地的實際時間為準，由于區域間存在時差，需要對日負荷曲線進行同步調整。假設不同區域電網的日負荷曲線是按日重復的，以零時區的一天作為絕對時間，對區域電網的日負荷曲線進行時間的同步調整，調整后的負荷需求曲線對位于不同時區的區域電網而言不是一天，而是24h的電力負荷需求曲線，如圖6所示。可以看出，位于不同時區、日負荷曲線十分相像的三大區域電網，由于時差的原因，24h負荷需求差別很大，但同時也具有自然的互補性。

三大區域電網的互聯，客觀上通過時差可以減小負荷需求的波動，但對可再生能源的利用還可通過適當配置儲能，在全球范圍內實現可再生能源的空間轉移，提高可再生能源的消納能力。

圖6 以中國為絕對時區的典型等效日負荷曲線

圖7給出了可再生能源基地的典型日發電曲線和考慮時差前后的區域總等效負荷曲線。通過積分求解，比較可再生能源日發電量和日負荷用電量，計算理論最大消納能力；通過對凈負荷曲線進行積分求解，獲得實際消納能力；設置一定的消納能力提升目標，通過就地消納率與可再生能源、負荷特性約束關系，結合充放控制，將可再生能源出力與負荷進行最優匹配，獲取所需最小的儲能充放電功率和容量。分別對考慮時差前后的日負荷曲線與可再生能源發電曲線進行匹配，通過上述方法計算出用于提升消納能力的儲能配置功率和容量，如表3所示。

圖7 可再生能源典型日等效發電曲線及等效負荷曲線

表3 用于提升可再生能源消納的儲能配置

可以看出，用于提升區域負荷側對可再生能源消納能力的儲能裝置，其規模與可再生能源發電規模和負荷特性緊密相關，功率可在數十到數百兆瓦級，放電時間應在4~6h。

3.4 3種典型應用場景對儲能配置需求對比

根據全球能源互聯網的特征，分析3類典型應用場景中儲能配置的需求。通過文獻和示范工程調研、估算等方法，對各應用場景進行量化分析，從而得到儲能配置的規模和持續放電時間范圍，如表4所示。

表4 不同應用場景的儲能應用需求

4 儲能在全球能源互聯網典型應用場景中的接入設計

由于儲能的適用類型、接入的電壓等級、控制模式有顯著的差異，全球能源互聯網中的儲能接入方案有所不同。

4.1 可再能源發電場站中儲能接入方案

在可再生能源發電場站側，儲能可在風電場或光伏電站并網處集中接入，通過升壓變壓器接入高壓側母線(10kV或35kV)，用于減少發電場站預測誤差，平抑發電波動，聯合可再生能源電站參與電網自動發電量控制(automatic generation control，AGC)、自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)，如圖8所示。

圖8 儲能在可再生能源場站集中并網接入

4.2 區域電網應用場景中儲能接入方案

區域電網應用中，儲能用于調頻、調峰、備用等輔助服務，對于抽水蓄能、壓縮空氣儲能，其通過同步發電機并網，再通過升壓變壓器接入高壓電網。對于電池儲能、飛輪儲能等單元容量較小的儲能技術，需要集成大規模儲能接入高電壓等級電網。圖9給出了目前電池儲能的主要并網拓撲。以一個50MW/100MW·h的大規模電池儲能系統為例，由50個1MW/2MW·h的儲能子系統構成。每個儲能子系統中，2套1MW·h的固定串并聯電池組件分別經2臺500kW變流器轉換為交流電壓后進行匯集。每個儲能子系統由一臺升壓變壓器將交流低壓變換為10kV/35kV接入高壓匯集母線。在該并網拓撲中，由于多個單元儲能在控制性能上的差異性和集中控制方式對通信的依賴，儲能系統在控制精度、響應速度上受到一定限制。

圖9 大規模電池儲能并網接入方案

另一種并網拓撲如圖10所示，將儲能單元通過級聯的電力電子電路并入高電壓等級，其中的鏈式換流器包括3個單相換流鏈，每個換流鏈由10~12個換流模塊交流側鏈接構成。鏈式換流器可以將多個電池組件通過直流-交流-鏈接變換為10kV/35kV，然后接入并網變壓器，可以節省匯流用變壓器。在鏈式換流器的接入方式下，儲能系統可實現快速、精準的響應。

圖10 鏈式換流器的交流接入

4.3 跨區域傳輸應用場景中儲能接入方案

由于系統缺乏阻尼，遠距離高壓交流傳輸線路可能出現低頻振蕩等現象。電池儲能系統可對有功和無功同時進行調節，從而增強電力系統小干擾穩定性。如圖11所示，將儲能接入聯絡線的一側，向系統提供正阻尼，可有效改善系統穩定性。此時，儲能作為具有四象限調節能力的靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)接入，對于跨區域直流傳輸中換流站單極閉鎖等故障可能引起的受端或送端系統功率突變，儲能系統能提供快速的有功和無功支撐，幫助系統維持穩定。

圖11 儲能接入區域聯絡線一側

5 結論

從全球能源互聯網特征出發，結合電力儲能技術特性，提出替代可再生能源電站長時間供電、特高壓直流換相失敗的功率支撐以及提升負荷中心可再生能源消納典型應用場景下儲能配置分析方法，并提出了可再生能源發電場站、區域電網及跨區域傳輸應用場景中的儲能接入拓撲，主要結論如下：

1）全球能源互聯網對儲能的技術需求可歸納為超大規模可再生能源基地接入、特高壓交直流電網安全及區域負荷中心供電。不同類型的儲能技術可解決不同時間尺度下的電力電量平衡，是全球能源互聯網發展必不可少的部分。

2）在替代可再生能源電站長時間供電應用場景，儲能的配置功率等級達到數十~數百兆瓦，具體應結合可再生能源基地規模進行核算，響應時間為分鐘級，適合的儲能技術包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能等。

3）在特高壓直流換相失敗的功率支撐場景，儲能的配置功率高達數百~數千兆瓦，具體數值結合輸電容量和其他調節能力確定，響應時間為毫秒級，適合的儲能技術為電化學儲能技術。

4）在提升負荷中心可再生能源消納能力場景，儲能的配置功率為數十~數百兆瓦，具體結合可再生能源發電及負荷特性確定，適合的儲能技術以電化學儲能為主。

5）電力儲能技術類型多樣，功率等級和持續放電時間已達到多種應用場景的需求，尤其是電化學儲能技術在動態響應特性要求高的場景更是具有不可替代的優勢，但其安全性和循環壽命仍是未來重點提升的性能指標。

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Energy Storage Requirements and Configuration Analysis Based on Typical Characteristics of Global Energy Internet

YE Jilei1, LI Bin1, ZHANG Yu2, LI Mingzhe1, SHI Bowen1, WANG Haojing2

(1. School of Energy Science and Engineering, Nanjing Technology University, Nanjing 211816, Jiangsu Province, China;2. State Grid Shanghai Power Company Electric Power Research Institute, Hongkou District, Shanghai 200000, China)

The development of global energy internet (GEI) poses greater challenges to long-distance power energy supply and demand balance and sustainable supply reliability. Different types of energy storage technologies are the preferred means to solve the power and electricity balance, which are essential parts of GEI development. The requirements and configuring of energy storage are closely related to the characteristics and goals of specific application scenarios. Through literature research and demonstration projects, the configuration methods and performance requirements of energy storage technologies in three typical application scenarios of GEI were analyzed.The suggestions on energy storage types, power of energy storage configuration and discharge time range suitable for different applications were given. Aiming at the characteristics of large-scale clean energy and long-distance transmission of the GEI, a specific energy storage access topology was proposed, which provided a solution for the functional verification of simulated energy storage access to GEI applications.

global energy internet; energy storage; configuration; access topology

10.12096/j.2096-4528.pgt.20082

TK 02; TM 711.1

上海市2020年度“科技創新行動計劃”技術標準項目(20DZ2205400)。

Project Supported by Technical Standard of Shanghai 2020 “Technology Innovation Action Plan” (20DZ2205400).

2020-09-21。

(責任編輯 尚彩娟)