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构网型储能支撑新型电力系统建设

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编辑部
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能源产业聚焦
2022/06/13 17:38
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【摘要】:
构建以新能源为主体的新型电力系统,必然意味着新能源装机的大幅增长。我国新能源资源非常丰富,技术上可开发的风电及光伏资源超过50亿千瓦,当前开发量仅10亿千瓦,未来新能源仍有较大发展空间。

我国碳达峰、碳中和的郑重承诺,以及构建以新能源为主体的新型电力系统的要求,明确了“双碳”背景下我国能源电力转型发展的方向,指明了能源电力行业服务“双碳”目标的核心任务、能源电力创新突破的努力方向和行业高质量发展的必由之路。

 

未来新能源有较大发展空间

构建以新能源为主体的新型电力系统,必然意味着新能源装机的大幅增长。我国新能源资源非常丰富,技术上可开发的风电及光伏资源超过50亿千瓦,当前开发量仅10亿千瓦,未来新能源仍有较大发展空间。

根据国家发改委等九部门6月1日联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》,我国明确2030年风电和太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。2035年远景目标,在2030年非化石能源消费占比达到25%左右和风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上的基础上,上述指标均进一步提高。可再生能源加速替代化石能源,新型电力系统取得实质性成效,可再生能源产业竞争力进一步巩固提升,基本建成清洁低碳、安全高效的能源体系。

预计2030年风电和太阳能发电装机规模超过煤电,成为装机主体,新能源发电量占比到2060年前有望超过50%,成为电量主体。

 

同步发电机应用于传统电力系统

作为国民经济的基础设施,电力系统的两个核心目标是保证持续可靠的供电和保证良好的电能质量。

我们当前的电力系统电源的主体是同步发电机。同步发电机基于电磁感应原理,以建立稳定电压源的形式,将水力、煤或燃气产生的蒸汽等机械能转化为可靠的电能。不同的发电机之间则通过电功率与功角的比例关系、电功率与机械功率在转子上的平衡作用等基本机制保持同步运行,从而共同构架起人类创造的最大规模动力系统即电力系统的稳定运行。

当电力系统中的负荷突然退出或投入运行时,同步发电机首先会大致按照电气距离的远近将这部分功率瞬时分担起来,从而保证电力系统用功功率实时平衡。其后,由于发电机机械功率和输出电功率的不平衡,其转速就会发生变化,或降低或升高,由于发电机转子的惯性,转速的变化速度被控制在合理的范围内。再后,当转速的变化超过一定阀值,发电机的动力系统就会自动发出增加或减少机械功率的指令,重新将发电机转速拉回到额定值附近,从而保证整个电网的频率在合理的范围内。

与此同时,当电网受到扰动,例如发生短路故障时,同步发电机可以保持内电势幅值基本不变,并瞬时输出无功电流,当短路故障切除后,同步发电机可以根据电网电压的恢复情况瞬时调整其无功输出,自动励磁控制系统也会随后自动发出增励磁或者减励磁指令,将电压控制在合理的范围内。

可以看到,在这样一个系统中,无论是负荷变化还是短路故障,同步发电机通过自身固有特性与调速、励磁控制的结合,将电网的频率、电压控制在合理范围。

在这样的传统电力系统中,负荷大时间尺度上变化可预测,小时间尺度上通过电气参数自动分配到同步发电机组上保证供需平衡,工作点稳定;同时,电源是可计划和可控工作的,当自动平衡后的稳定工作点偏离额定值后,都可以通过调节同步发电机电源的功率、电压输出使得整个电网恢复到额定的稳定工作点。

 

新能源发电与同步发电机有本质区别

再来看新能源发电。当前技术下的新能源发电主要指风电和光伏,它们与同步发电机有本质区别,可统称为非同步机电源,并网器件由电力电子换流器构成,其特性主要由换流器的控制特性塑造。目前在实际工程中广泛使用的变流器采用跟网型控制策略,即通过锁相环来实现变流器与电网之间的同步,采用矢量电流控制来控制变流器的输出电流,从而控制馈入电网的有功/无功功率,其本质上是受控电流源,主要控制目标是跟踪太阳能与风能当前的最大功率,并最大效率的将太阳能、风能转换为电能馈入电力系统。这种控制策略由于以电流作为控制目标,无法承担按计划、受控提供能量保持供需平衡(频率稳定)和平稳电网电压。

新型电力系统的显著特征是新能源在电源结构中占据主要地位,随着新能源发电装置占比增加到一定程度,例如新能源占比70%,同步机电源占比30%,即使负荷不变化,当新能源部分的波动由于天气影响超过30%时,30%的同步机电源就无法做到受控按需平衡功率,这样一个系统遇到类似扰动将无法正常运行。

除此之外,当前的新能源发电与同步机发电比较,还有以下特征:

首先,新能源的出力主要受天气的影响,和负荷的供电需求无法自动匹配,当新能源发电占比较小时,还可以通过其它同步发电机的调节机制来保证整个大电网的功率平衡,当新能源占比较大时,平衡机制将无法满足,只能采取限制新能源发电的形式来解决。据初步统计,2022年第一季度我国个别省份的新能源消纳率不足,主要是因为这个原因。

其次,新能源基本不具备惯量支撑能力,当新能源的占比增加时将导致整个电网的惯量降低。惯量降低后,同样的功率波动下,频率变化速度变快,调节难度增大;同时相同时间尺度内频率总的变化幅度变大,易发生超出设备允许的频率偏差范围的事件(例如火电同步机组的转子长期允许运行的频率在额定值附近2Hz-3Hz左右),导致电力系统的安全稳定运行风险增大。

再有,新能源并网换流器从发电经济性上考量,设计的过压、过流能力比同步发电机低较多。在电网发生短路故障时,新能源向故障点提供的短路电流水平较低,故障消除后,新能源也无法给电力系统提供足够的动态无功支撑以促进电力系统的功角和电压稳定工作点的恢复。如果上述阶段造成了接入电网的过电压水平较高(如超过1.3倍额定值)或电压较长时间无法恢复,新能源为了保证设备安全还会主动脱网运行,从而进一步恶化电力系统的频率稳定性。

还有,新能源并网换流器的控制速度快,按基本控制原理,控制速度越快,在接入电网较弱的情况下,发生宽频率振荡的风险也越大。2015年7月,新疆哈密地区新能源引发次同步功率振荡,导致天中直流配套火电三台机组轴系扭振保护动作,当时就引发了行业的高度关注,近几年类似宽频带振荡事件频发,如不能妥善解决,将制约新能源的发展与应用。

总结来看,新能源上述特征的存在,既有其自身发展规律的问题,也与新能源比常规同步电源在电力系统的电压、频率调节控制能力相对降低有关。

同样,解决的办法也需从这两个方面入手:其一,升级新能源发电特性,通过保留功率裕度、提升变流器过载能力同时采用新的控制策略等措施,使其具备常规水、火等同步发电机支撑电网的良好特性,可与同步发电机协同工作。这将影响新能源的发电量,经济性降低,短期内难以实现;其二,在新能源附近增加新的设备,具备同步发电机或者类似同步发电机的电压控制和频率调节能力,来保证既能消纳新能源,又能消除新能源对电力系统带来的不利影响,提供系统的稳定性支撑。

 

构网型储能技术综合解决大规模新能源发展难题

在平抑新能源发电功率波动,降低大电网调峰压力,提升大电网对新能源的接纳水平方面,储能环节是个必选项。各地也不断在尝试新能源场站配置大容量储能系统进行示范应用,电池储能技术得到了迅速发展。各省能源局也纷纷出台相关政策,要求在开发新能源的同时,配套建设10%-20%容量的储能系统。

但是当前配置储能的要求,都是从解决新能源波动的角度提出的。从技术的潜力来看,基于换流器并网的电化学储能的功能远不止如此。通过增加新型的控制策略就可以使储能具备同步发电机或者类似同步发电机的频率调节和电压控制能力,解决以上提出的新能源消纳增长带来的问题,这就是构网型储能技术。为了能够较好的使用新能源,南瑞继保较早时期就组织了团队深入研究如何利用储能系统解决相关问题,率先研制出了大容量构网型储能技术。该技术相较于同容量削峰填谷解决方案,只增加了较少的硬件成本,却可以进一步挖掘发挥储能的潜能,使储能可以对电网电压、频率和惯量进行支撑,从而综合解决大规模新能源发展中面临的难题。

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,可以起到快速调频调压、增加惯量和短路容量、抑制宽频振荡等作用。由于电力电子控制系统的调节速度优势,其快速响应性能甚至超越了传统的发电机。对于电网中大部分新能源场站短路比不足的场合,经初步测算,配置15%具有短时1.5倍10秒过载能力的构网储能系统,基本可以保证新能源的正常运行。由于构网型换流器的特性可以通过控制特性塑造,对于大量接入构网型变流器的场合,还可以通过过载特性的设计,既满足短路容量的要求,又可避免短路电流超标,而这是同步发电机不容易解决的矛盾。在大规模直流外送的特定场合,考虑直流换相失败等严重故障,通过配置一定比例更强过载能力(3倍10秒过载能力)的构网储能系统,可起到类似调相机的作用,在满足新能源接入条件的同时还可以将过电压水平控制在规定范围内,从而保证严重冲击下接入新能源的电网的稳定运行,提高新能源消纳能力。

长久以来,我国构建了以火、水电等同步电源为主导的庞大交流同步电网。作为电网主要支撑性电源,常规同步电源有力保障了电网安全稳定运行。随着“双碳”目标推进,新能源占比增加,而同步发电机电源比例降低,电力系统面临各时间尺度的电力电量平衡难度大,电压、频率安全稳定水平下降等问题,电网的安全运行将受到严峻考验。2022年5月4日,国家发改委、国家能源局下发了《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,提出加快构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统,其中第一个措施就是全面提升电力系统调节能力和灵活性。在新能源附近增加具备同步发电机或者类似同步发电机的频率调节和电压控制能力的新型设备,例如构网型储能系统,属于工程化比较成熟、电网建设可以直接采用的解决方案。该方案较全面地提升了电力系统调节能力和灵活性,可平抑新能源发电波动,提升系统惯量、电压与频率支撑能力,控制短路容量和改善电网阻尼特性,能在技术上有效调和新能源发展过程中将面临的各种矛盾。

虽然从技术维度论述构网型储能能够有效调和新能源占比提升过程中的电网矛盾,但是在推广应用方面还需要考虑到新能源建设、运营,电网建设、运营主体不同,关注侧重点各不相同。5月24日国家发展改革委下发的《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》,对相关利益的协调提出了指导,包括新型储能可作为独立储能参与电力市场、加快推动独立储能参与电力市场配合电网调峰、建立电网侧储能价格机制等指导意见,后续落实时建议也对储能参与电网调频、调压,提供惯量等贡献的定价进行探讨和创新尝试,推动构网型储能等新技术在建设以新能源为主体的新型电力系统过程中,为电力系统安全稳定运行做贡献。

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