儲能技術在大規模新能源并網中的應用分析

摘要：在新能源電力系統中，儲能技術是一項重要組成部分，通過對其進行科學運用，可以緩解再生能源波動性與間歇性帶來的問題，確保新能源電力系統運行期間的穩定性。圍繞儲能技術進行研究，綜合分析了儲能技術的應用需求，探索儲能技術的應用路徑，包括混合儲能技術、構網型儲能技術、儲能系統配置方式。旨在將儲能技術應用于新能源電力系統中，以解決能源轉化、能源存儲等方面問題，確保新能源電力系統的良好運行。

關鍵詞：大規模新能源[A2]"并網 儲能技術 混合儲能 構網型儲能

Applicatio[A3]"n Analysis of Energy Storage Technology in Large-Scale New Energy Grid Connection

HONG Minjian

State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd. Hangzhou Yuhang District Power Supply Company， Hangzhou， Zhejiang Province， 311121 China

Abstract： In the new energy power system， energy storage technology is an important component. Through its scientific application， it can alleviate the problems caused by the volatility and intermittency of renewable energy， and ensure the stability of the new energy power system during operation. Research has been conducted on energy storage technology， the application needs of energy storage technology were comprehensively analyzed， and the application paths of energy storage technology were explored， including hybrid energy storage technology， grid based energy storage technology， and energy storage system configuration methods. The aim is to apply energy storage technology to the new energy power system in order to solve problems such as energy conversion and storage， and ensure the smooth operation of the new energy power system.

Key Words： Large-scale new energy grid integration; Energy storage technology; Hybrid energy storage; Grid based energy storage

現階段，我國電力行業正處于轉型升級關鍵時期，新型電網大規模接入新能源，逐步降低火力發電比重，已經取得了十分顯著的生態效益，并且有利于實現“碳中和”[A4]"“碳達峰”目標與建設環境友好型社會。儲能技術作為大規模新能源并網項目的重要技術手段，負責協調新能源發電系統與電網運行狀態，儲能技術應用水準和并網效果有著密切聯系。為此，要實現儲能技術在大規模新能源并網中的關鍵作用，提高電力系統穩定性，實現電能的高效存儲，支持電力系統的調度靈活性，從而促進可再生能源大規模應用。

1 大規模新能源并網中儲能技術的應用需求

1.1平抑并網功率

新能源發電系統與傳統火力發電系統的核心區別在于，發電過程具備間歇性、波動性與隨機性特征，輸出功率和氣候條件有著密切聯系，不受人為控制。新能源并網期間，新能源出力狀況頻繁波動期間，電網持續承受沖擊，如果沖擊程度超出電網調節范圍，則會引起電壓突變等問題，致使電力設備受損，甚至出現電網停電事件。

儲能技術負責平抑新能源并網功率，新能源發電系統運行數據同步提供給儲能控制系統，或根據所掌握氣象數據，精準預測未來短時新能源輸出功率，動態調整儲能裝置工作模式，用于維持輸出功率平穩狀態，始終把新能源發電系統輸出功率波動幅度控制在安全區間^[1]。

1.2提高電能質量

新能源并網運行期間，電網側頻頻出現電壓突變、電壓閃絡等問題，電壓水平起伏不定，進而導致電能質量下滑，問題根源在于新能源輸出功率持續波動。為解決上述問題，切實提高電能質量，需要應用儲能技術。其主要負責調節新能源輸出功率，并把剩余儲能容量向電網電壓進行協調補償，通過提高電網電壓穩定性來改善電能質量。此外，在新能源發電機組并網步驟，儲能系統還將起到強化低電壓穿越能力的作用，發揮穩定效果，幫助發電機組在短時間內把電壓提升到90%額定電壓以上水準，并在電壓驟降期間控制降幅水準，最低電壓穩定維持在20%額定電壓以上。

1.3增加新能源發電經濟效益

在早期新能源發電項目，實際發電效益主要取決于電網負荷規模。由于新能源裝機容量不斷增多，并網運行期間，電網實際發電能力逐漸超出負荷規模，并且新能源出力狀況不受控制，在電網低谷時段，部分電能被無效浪費，沒有創造實際發電效益，統稱為“棄風棄電”現象。儲能技術的應用可以動態維持電網發電規模、負荷規模的匹配狀態：在電網低谷時段，把多余電能臨時儲存在儲能裝置；在電網高峰時段，控制儲能裝置放電，用于減輕電網運行負擔^[2]。此外，由于多數地區電網施行分時計費模式，儲能系統在高峰時段向電網提供更多電能，可以進一步提高新能源發電效益，為新能源企業創造額外收入。

1.4提供備用電源

儲能系統作為新能源發電系統和電網的備用電源，負責在緊急情況下釋放電能，滿足負載供電需求，直至停電問題得到解決。從新能源發電系統角度來看，其往往承擔本地負載供電任務，再把多余電能輸送給電網，如果因發電機組故障停機而導致系統整體癱瘓，則啟動儲能裝置，向本地負載繼續供電。從電網角度來看，儲能裝置主要部署在輸電線路末端，如果重要電力設備和輸電線路故障失效，則利用輸電線路末端儲能裝置，向用戶末端負載供電，儲能容量即為備用電源容量，儲能容量越大，其作為備用電源時的有效供電時間越長。

2 大規模新能源并網中儲能技術的應用方法[wl6]

2.1混合儲能技術

早期新能源并網項目以單一儲能方式為主，包括電化學儲能、抽水儲能、超級電容器儲能等。以電化學儲能技術為例，配備鋰電池、鉛酸電池等種類的蓄電池組具備容量大、能量密度高、使用壽命長的優勢，但蓄電池組的充放電效率、響應速度與儲能成本不具備優勢^[3]。同時，僅配備蓄電池組作為儲能裝置的情況下，需要頻繁執行充放電任務，啟停次數增多，也會縮短蓄電池組實際使用壽命，間接提高了平均儲能成本。

為擺脫單一儲能技術的局限性，可以采取混合儲能形式，提高儲能系統整體經濟性與安全穩定系數。目前，主要采取蓄電池-超級電容器的混合儲能形式，蓄電池組具備良好低頻功率平滑效果，超級電容器有著良好的高頻功率平滑效果。利用超級電容器響應速度快的優勢來彌補蓄電池響應時效性差的短板，并利用蓄電池能量密度高的性能優勢來彌補超級電容器容量有限的短板。混合儲能系統搭建階段，必須掌握任務分配、容量配置兩方面的應用要點。

2.1.1任務分配

基于各類儲能裝置的性能優勢來分配儲能任務。對于蓄電池-超級電容器儲能系統而言，蓄電池負責執行長期、大容量充放電任務，超級電容器負責執行短期、小容量充放電任務。儲能系統運行期間，率先投入超級電容器，充分發揮其響應速度快的優勢作用，負責在短時間內平抑新能源發電系統輸出功率，不對電網造成劇烈沖擊。一段時間后，投入蓄電池組與退出超級電容器，充分發揮蓄電池組容量大、能量密度高的優勢作用，改善儲能效果，也可以減少蓄電池實際啟停次數，延長蓄電池使用壽命。

2.1.2容量配置

混合儲能容量分配給蓄電池組與超級電容器，根據各類儲能裝置所承擔任務要求來確定最佳容量，盡量把儲能容量維持在儲能裝置最佳荷電狀態使用范圍當中。超級電容器有著額定功率大、額定容量小的特征，額定功率控制在蓄電池組3倍左右，額定容量控制在0.15～[A7]"0.2倍蓄電池組額定容量，負責承擔輔助儲能任務。蓄電池組分配絕大多數儲能容量，負責承擔主要儲能任務^[4]。

2.2構網型儲能技術

隨著新能源并網規模的持續增加，電網結構發生變化，隨之出現電網慣量降低、呈現弱網趨勢、電壓頻率異常波動等問題。對此，需要應用構網型（Grid-Forming，GFM）[wl8]"儲能技術，在儲能變換器控制程序內植入包括無功下垂控制在內的多套控制算法，持續采集并網點電壓值、電流值，根據采樣數據精準掌握儲能變換器端口功率水平，使儲能變換器具備和同步機較為相似的電壓源特性。簡單來講，以模擬同步發電機運動特性作為技術思路，基于功率控制功能保持同步狀態，在無需采集電壓、相位信息的情況下，精準感知電網相位角變化情況并做出[A9]"響應，既可以控制儲能裝置精準執行充電任務、放電任務，同時也可額外提供有功功率和無功功率，即使電網處于弱網模式或孤島模式，仍可以保持平穩運行狀況。此外，構網型儲能技術落地應用普遍選擇采取若干GFM型儲能變換器經輸電線路并入電網的拓撲結構。在電網阻抗干擾下，有較高概率出現并網振蕩現象，需要組合采取阻抗動態辨識、阻抗重構兩項技術措施，用于抑制并網振蕩程度。

2.2.1阻抗動態辨識

新能源并網模式下，儲能系統基于功率執行來調控輸出電壓，負責調節儲能電站出力狀況。在系統阻抗影響下，儲能裝置運行特征隨著接入位置而變化，由此引起并網功率振蕩現象。需要在儲能系統內增設并網阻抗動態辨識功能，通過精準辨識系統阻抗來調節儲能運行策略。可以選擇調整電壓指令內容，新增特定激勵分量，新能源出力信息包含電網阻抗信息，從中提取系統阻抗。

2.2.2阻抗重構

傳統并網振蕩抑制措施為無源阻尼，向電路添加電阻，電阻元件產生明顯損耗，加劇網損程度。需要重新設計阻抗抑制方案，基于阻抗特性，把電網全頻段分為低頻、中頻、高頻3個頻段，制[A10]"訂專項阻抗重構方案。推薦采取“改進控制參數+增設虛擬阻抗控制器“的重構方法，按順序依次對低頻、中頻與高頻段重構阻抗，最終起到改善系統阻抗特性的作用^[5]。阻抗重構后，還應在構網型儲能系統投運使用前組織開展阻尼特性測試，觀測頻率變化期間的有功功率響應情況，用于驗證儲能系統是否具備有效抑制有功振蕩程度的能力。正常情況下，阻尼系數和有功功率振蕩程度呈現反比例關系，阻尼系數越大，功率振蕩值越小，振蕩周期越短。

2.3儲能系統配置方式

2.3.1分布式儲能系統

以用戶側或中低壓配電側作為儲能裝置接入位置，根據實際需求來確定儲能裝置功率、容量。電網內并聯連接分布式電源與儲能系統，也可選擇把儲能系統獨立接入低壓配電網。分布式儲能系統具備配置靈活、接入環境與自然條件要求寬泛的優勢，但同等規模分布式儲能系統的前期建設成本和運行維護成本高于集中式儲能系統。

2.3.2集中式儲能系統

以新能源發電系統并網點作為儲能裝置安裝位置，集中安裝全部儲能裝置，根據并網點監測數據來調整儲能策略。集中式儲能系統具備結構簡單、易于維護保養、總體成本低廉的顯著優勢，也是多數新能源發電系統最終采取的儲能配置方式，以新能源系統整體作為儲能服務對象，無法向單臺新能源發電機組獨立提供儲能服務。

3 結語

綜上所述，得益于儲能技術的應用推廣，大幅加快了電網工程轉型升級步伐，也是保證新能源發電系統平穩運行的重要支撐。從業人員理應提高對儲能技術的重視程度，以滿足新能源并網需求作為規劃儲能技術應用方案的核心思路，在現有技術方案基礎上，并行采取混合儲能、構網型儲能、儲能系統配置3項應用措施，全面改善儲能技術應用條件。

參考文獻

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