“構(gòu)網(wǎng)型電化學(xué)儲能”與下一代電網(wǎng)

未來總是一個迷人的話題。當談到數(shù)字技術(shù)時，水晶球和占卜板都難跟上zui新的技術(shù)進展。

事實證明，對于電網(wǎng)中一些小部件，預(yù)測往往是落后于實際發(fā)生的進化。這樣的例子很多。然而，確實有一個電網(wǎng)元素作為下一代電網(wǎng)的重要構(gòu)件，獲得了廣泛的關(guān)注，那就是——儲能。

更具體地說，它是電池儲能系統(tǒng)（BESS），它在電網(wǎng)中具有相當獨特的地位。它可用于輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、甚至用戶側(cè)。它也是使風(fēng)能和太陽能對電網(wǎng)更加友好的關(guān)鍵因素。電池儲能已經(jīng)被視為可再生資源。因此，行業(yè)對于下一代電池儲能的預(yù)期有很多假設(shè)。

不用描述過多的技術(shù)，我們只需要知道一個共同點。即：這些可再生資源產(chǎn)生直流電，需要將其轉(zhuǎn)換為交流以供電網(wǎng)使用。也就是說，可再生資源都是基于逆變器的資源，隨著電網(wǎng)中這些設(shè)備數(shù)量的增加，已經(jīng)成為下一代電網(wǎng)的主要問題。

這些基于逆變器的設(shè)備正在大量取代大型旋轉(zhuǎn)機器（如，發(fā)電機、汽輪機或燃氣輪機）。過去電網(wǎng)正是依賴這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備所產(chǎn)生的慣性，以保持穩(wěn)定。慣性是來自這些大型同步機的動能存儲（即與電網(wǎng)頻率匹配的軸的旋轉(zhuǎn)）。動能存儲提供了電源和負載之間的動態(tài)平衡。

在開始討論之前，讓我們更深入地了解一下儲能發(fā)展簡史。

01

轉(zhuǎn)型經(jīng)驗

2009年，輸配電世界雜志（T&D World）第一次出版了關(guān)于儲能的增刊。當時的技術(shù)主要是抽水蓄能和鉛酸電池，增刊圍繞可再生能源展開了很多討論。

又過了十年，當?shù)诙€關(guān)于儲能的增刊問世時，變化是驚人的。儲能已經(jīng)成為電網(wǎng)更復(fù)雜應(yīng)用的一部分，重點已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變。電池儲能作為分布式能源的一部分，成為新的游戲規(guī)則，并暗示了即將到來的變革。

通過在電網(wǎng)和用戶側(cè)同時采用電池儲能技術(shù)，儲能設(shè)備進入了電網(wǎng)穩(wěn)定服務(wù)領(lǐng)域?！皬椥浴遍_始成為電網(wǎng)的流行詞匯，這為電池儲能技術(shù)開辟了新的機遇。它從一個原來默默無聞的參與者轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)的主要力量。

有趣的是，2009 年的增刊曾經(jīng)援引一家研究機構(gòu)的預(yù)測——全球儲能市場將從 2008 年的 3.29 億美元增長到 2018 年的 41 億美元以上。

事實確實如此！只不過zui終數(shù)字遠遠高于預(yù)測。根據(jù)zui近的《財富》商業(yè)報告，2018 年儲能市場實際數(shù)字已經(jīng)達到了約 1450 億美元。該報告還預(yù)計，到 2026 年底，全球儲能市場支出將達到 2110 億美元。

電池儲能應(yīng)用絕對是一項快速成長的技術(shù)。它將在推動可再生資源脫碳的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)在，讓我們再回到對基于電力電子、基于逆變器的可再生能源所帶來問題的討論。隨著技術(shù)進步，一些新的逆變器控制技術(shù)可以解決這些問題。

02

“跟網(wǎng)型”與“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器

國家可再生能源實驗室（NREL）zui近出版了一份技術(shù)報告，稱“今天的電力系統(tǒng)正在迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹碓蕉嗟姆莻鹘y(tǒng)能源發(fā)電，如風(fēng)能和太陽能，以及儲能設(shè)備?！?這些資源通過“電網(wǎng)跟隨型”逆變器連接到電網(wǎng)。這是有關(guān)下一代儲能與風(fēng)能和太陽能等可再生能源一起走向何方的另一個線索。

我們需要重點談?wù)勀孀兤骷夹g(shù)?！案W(wǎng)型”逆變器跟蹤電網(wǎng)的電壓、相位以控制其輸出。這些“跟網(wǎng)型”逆變器依賴于以下事實，即：電網(wǎng)的電壓和頻率由慣性源提供穩(wěn)定（即旋轉(zhuǎn)質(zhì)量）?！案W(wǎng)型”逆變器的電池儲能無法應(yīng)對電網(wǎng)的擾動。在系統(tǒng)發(fā)生擾動時，這些逆變器通常會關(guān)閉輸出，直到干擾過去，并且需要在大停電后，先建立系統(tǒng)，然后再重啟逆變器的輸出。

隨著越來越多的大型化石燃料電廠退役并被可再生能源取代，電網(wǎng)需要能夠維持其穩(wěn)定的慣性能源。這就是“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)發(fā)揮作用的地方?！皹?gòu)網(wǎng)型”逆變器可以建立電網(wǎng)或強化現(xiàn)有電網(wǎng)運行。它具有獨立的內(nèi)部頻率參考，并允許“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器孤島運行。

當“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)與先進的自動化和控制相結(jié)合時，就有了“虛擬同步機”。

“虛擬同步機”能夠為大型電網(wǎng)提供大量可再生能源運行所需的服務(wù)。這就是為什么“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器這種技術(shù)創(chuàng)新開始引起人們的興趣，并獲得下一代電網(wǎng)主導(dǎo)地位的原因。

日立能源（前 ABB 電網(wǎng)）電網(wǎng)邊緣解決方案高級顧問 John Glassmire 提供了一些“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)的實際經(jīng)驗，包括在澳大利亞輸電網(wǎng)上采用的虛擬同步機。

Glassmire 報告說，“全球部署的大多數(shù)電池儲能僅能提供部分電網(wǎng)穩(wěn)定功能，但下一代電池儲能——尤其是使用具有虛擬同步機技術(shù)的‘構(gòu)網(wǎng)型’儲能技術(shù)——對于使可再生能源完全取代基于同步技術(shù)的化石能源至關(guān)重要?！?/p>

“例如，澳大利亞 24% 的電力來自可再生能源，對于這樣一個規(guī)模的國家來說，這是一項巨大的成就。澳大利亞不斷向凈零排放邁進，但這些可再生能源的產(chǎn)出是可變的。隨著風(fēng)能和太陽能裝機容量的增長，需要新的集成技術(shù)。作為推動澳大利亞可再生能源發(fā)展承諾的一部分，日立能源參與了儲能集成‘商業(yè)可再生能源’的南澳大利亞項目 (ESCRI-SA)，為該項目提供了利用微電網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模電網(wǎng)邊緣解決方案?！?/p>

根據(jù) Glassmire 的說法，“日立能源于 2018 年在約克半島下端的一條長輻射型饋線上提供了 30MW 的電池儲能。ESCRI-SA 電池儲能系統(tǒng)是建立在日立虛擬同步發(fā)電機平臺上的‘構(gòu)網(wǎng)型’系統(tǒng)，通過提供慣性、高故障電流、快速電力注入以及有競爭力的市場服務(wù)來加強電網(wǎng)。當上游饋線發(fā)生故障時，該系統(tǒng)還能夠無縫過渡到孤島運行狀態(tài)。孤網(wǎng)的電力供應(yīng)來自附近的 91 兆瓦 Wattle Point 風(fēng)電場和分布式太陽能?！?br/>在 ESCRI-SA 項目完全交付之前，Glassmire 指出：“虛擬同步機為電網(wǎng)提供了極其有價值的服務(wù)。它模仿了同步電機和同步調(diào)相機等老式技術(shù)的行為，但完全是通過電力電子技術(shù)實現(xiàn)的。他們甚至可以模擬更復(fù)雜和更新的設(shè)備，例如用于穩(wěn)定電網(wǎng)的 STATCOM，同時提供能源和輔助服務(wù)。具有虛擬同步機功能的‘構(gòu)網(wǎng)型’電池儲能與一般的具有‘構(gòu)網(wǎng)型’逆變器系統(tǒng)的電池儲能是不同的。其中的自動化和控制是為大型公用電網(wǎng)中使用‘構(gòu)網(wǎng)型’逆變器的關(guān)鍵要素”。

03

成為熱點的“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)

去年底，澳大利亞宣布了另一個“構(gòu)網(wǎng)型”儲能項目。公用事業(yè)公司 AGL 于 2021 年 11 月在托倫斯島開始建設(shè) 250MW/250MWh “構(gòu)網(wǎng)型”電池儲能項目。電池將由瓦錫蘭提供，100 多臺“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器由 SMA 提供。項目預(yù)計在 2023 年初全面投入使用。AGL 表示，電池儲能未來將增加到 1,000 MWh. 他們希望該項目可以參與澳大利亞的國家電力市場。

隨著人們對“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)的興趣不斷擴大，美國能源部 (DOE) 宣布將為政府和社會資本合作的通用“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器聯(lián)盟 (UNIFI) 提供 2500 萬美元的資金。美國能源部表示：“該聯(lián)盟匯集了領(lǐng)先的研究人員、行業(yè)利益相關(guān)者、公用事業(yè)公司和系統(tǒng)運營商，以推進‘構(gòu)網(wǎng)型’技術(shù)?！?該聯(lián)盟將由國家可再生能源實驗室（NREL）、美國電力科學(xué)研究院（EPRI）和華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)。

聯(lián)盟的主要任務(wù)之一是為基于逆變器的下一代電網(wǎng)所需的硬件開發(fā)互操作標準?；ゲ僮餍允侨魏涡屡d技術(shù)的關(guān)鍵問題。我們已經(jīng)注意到，如果新技術(shù)要被電力系統(tǒng)所接受，它們就必須滿足互操作性。這就是丹佛斯、伊頓、通用電氣、日立能源、施耐德電氣、西門子能源、SMA等眾多制造商對通用“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器聯(lián)盟項目感興趣的原因。

綜上所述，下一代電網(wǎng)需要基于逆變器的電池儲能。風(fēng)能、太陽能和電池儲能資源的滲透率正在增加，并引發(fā)有關(guān)電網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)注。當這三種資源超過 60% 或更多時，電網(wǎng)運營商就會感到緊張。老式的基于逆變器的技術(shù)無法提供與大型旋轉(zhuǎn)電機發(fā)電類似的慣性以及負載穩(wěn)定性。

然而，“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器可用于解決這些問題，這些問題發(fā)生的概率比預(yù)期的要高。

在清潔能源取代以化石為燃料的大型旋轉(zhuǎn)機器時，“構(gòu)網(wǎng)”是為了增加虛擬慣性。基于此，下一代電網(wǎng)的“構(gòu)網(wǎng)型”電池儲能將起到關(guān)鍵作用！

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