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

未來(lái)總是一個(gè)迷人的話題。當(dāng)談到數(shù)字技術(shù)時(shí)，水晶球和占卜板都難跟上zui新的技術(shù)進(jìn)展。

事實(shí)證明，對(duì)于電網(wǎng)中一些小部件，預(yù)測(cè)往往是落后于實(shí)際發(fā)生的進(jìn)化。這樣的例子很多。然而，確實(shí)有一個(gè)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(chǔ)能。

更具體地說(shuō)，它是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS），它在電網(wǎng)中具有相當(dāng)獨(dú)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(yáng)能對(duì)電網(wǎng)更加友好的關(guān)鍵因素。電池儲(chǔ)能已經(jīng)被視為可再生資源。因此，行業(yè)對(duì)于下一代電池儲(chǔ)能的預(yù)期有很多假設(shè)。

不用描述過(guò)多的技術(shù)，我們只需要知道一個(gè)共同點(diǎn)。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(shuō)，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(jī)器（如，發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)）。過(guò)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(lái)自這些大型同步機(jī)的動(dòng)能存儲(chǔ)（即與電網(wǎng)頻率匹配的軸的旋轉(zhuǎn)）。動(dòng)能存儲(chǔ)提供了電源和負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)平衡。

在開始討論之前，讓我們更深入地了解一下儲(chǔ)能發(fā)展簡(jiǎn)史。

01

轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)

2009年，輸配電世界雜志（T&D World）第一次出版了關(guān)于儲(chǔ)能的增刊。當(dāng)時(shí)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(guò)了十年，當(dāng)?shù)诙€(gè)關(guān)于儲(chǔ)能的增刊問世時(shí)，變化是驚人的。儲(chǔ)能已經(jīng)成為電網(wǎng)更復(fù)雜應(yīng)用的一部分，重點(diǎn)已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變。電池儲(chǔ)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(lái)的變革。

通過(guò)在電網(wǎng)和用戶側(cè)同時(shí)采用電池儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)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(chǔ)能技術(shù)開辟了新的機(jī)遇。它從一個(gè)原來(lái)默默無(wú)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(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)——全球儲(chǔ)能市場(chǎng)將從 2008 年的 3.29 億美元增長(zhǎng)到 2018 年的 41 億美元以上。

事實(shí)確實(shí)如此！只不過(guò)zui終數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)測(cè)。根據(jù)zui近的《財(cái)富》商業(yè)報(bào)告，2018 年儲(chǔ)能市場(chǎng)實(shí)際數(shù)字已經(jīng)達(dá)到了約 1450 億美元。該報(bào)告還預(yù)計(jì)，到 2026 年底，全球儲(chǔ)能市場(chǎng)支出將達(dá)到 2110 億美元。

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

現(xiàn)在，讓我們?cè)倩氐綄?duì)基于電力電子、基于逆變器的可再生能源所帶來(lái)問題的討論。隨著技術(shù)進(jìn)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(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）zui近出版了一份技術(shù)報(bào)告，稱“今天的電力系統(tǒng)正在迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹?lái)越多的非傳統(tǒng)能源發(fā)電，如風(fēng)能和太陽(yáng)能，以及儲(chǔ)能設(shè)備?！?這些資源通過(guò)“電網(wǎng)跟隨型”逆變器連接到電網(wǎng)。這是有關(guān)下一代儲(chǔ)能與風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源一起走向何方的另一個(gè)線索。

我們需要重點(diǎn)談?wù)勀孀兤骷夹g(shù)。“跟網(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(shí)，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）。“跟網(wǎng)型”逆變器的電池儲(chǔ)能無(wú)法應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)。在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，這些逆變器通常會(huì)關(guān)閉輸出，直到干擾過(guò)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(lái)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(qiáng)化現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行。它具有獨(dú)立的內(nèi)部頻率參考，并允許“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器孤島運(yùn)行。

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

“虛擬同步機(jī)”能夠?yàn)榇笮碗娋W(wǎng)提供大量可再生能源運(yùn)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(jí)顧問 John Glassmire 提供了一些“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，包括在澳大利亞輸電網(wǎng)上采用的虛擬同步機(jī)。

Glassmire 報(bào)告說(shuō)，“全球部署的大多數(shù)電池儲(chǔ)能僅能提供部分電網(wǎng)穩(wěn)定功能，但下一代電池儲(chǔ)能——尤其是使用具有虛擬同步機(jī)技術(shù)的‘構(gòu)網(wǎng)型’儲(chǔ)能技術(shù)——對(duì)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。”

“例如，澳大利亞 24% 的電力來(lái)自可再生能源，對(duì)于這樣一個(gè)規(guī)模的國(guó)家來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)巨大的成就。澳大利亞不斷向凈零排放邁進(jìn)，但這些可再生能源的產(chǎn)出是可變的。隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能裝機(jī)容量的增長(zhǎng)，需要新的集成技術(shù)。作為推動(dòng)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(chǔ)能集成‘商業(yè)可再生能源’的南澳大利亞項(xiàng)目 (ESCRI-SA)，為該項(xiàng)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。”

根據(jù) Glassmire 的說(shuō)法，“日立能源于 2018 年在約克半島下端的一條長(zhǎng)輻射型饋線上提供了 30MW 的電池儲(chǔ)能。ESCRI-SA 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是建立在日立虛擬同步發(fā)電機(jī)平臺(tái)上的‘構(gòu)網(wǎng)型’系統(tǒng)，通過(guò)提供慣性、高故障電流、快速電力注入以及有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)服務(wù)來(lái)加強(qiáng)電網(wǎng)。當(dāng)上游饋線發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)還能夠無(wú)縫過(guò)渡到孤島運(yùn)行狀態(tài)。孤網(wǎng)的電力供應(yīng)來(lái)自附近的 91 兆瓦 Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng)和分布式太陽(yáng)能。”
在 ESCRI-SA 項(xiàng)目完全交付之前，Glassmire 指出：“虛擬同步機(jī)為電網(wǎng)提供了極其有價(jià)值的服務(wù)。它模仿了同步電機(jī)和同步調(diào)相機(jī)等老式技術(shù)的行為，但完全是通過(guò)電力電子技術(shù)實(shí)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(shí)提供能源和輔助服務(wù)。具有虛擬同步機(jī)功能的‘構(gòu)網(wǎng)型’電池儲(chǔ)能與一般的具有‘構(gòu)網(wǎng)型’逆變器系統(tǒng)的電池儲(chǔ)能是不同的。其中的自動(dòng)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(diǎn)的“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)

去年底，澳大利亞宣布了另一個(gè)“構(gòu)網(wǎng)型”儲(chǔ)能項(xiàng)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(chǔ)能項(xiàng)目。電池將由瓦錫蘭提供，100 多臺(tái)“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器由 SMA 提供。項(xiàng)目預(yù)計(jì)在 2023 年初全面投入使用。AGL 表示，電池儲(chǔ)能未來(lái)將增加到 1,000 MWh. 他們希望該項(xiàng)目可以參與澳大利亞的國(guó)家電力市場(chǎng)。

隨著人們對(duì)“構(gòu)網(wǎng)型”技術(shù)的興趣不斷擴(kuò)大，美國(guó)能源部 (DOE) 宣布將為政府和社會(huì)資本合作的通用“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器聯(lián)盟 (UNIFI) 提供 2500 萬(wàn)美元的資金。美國(guó)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(yùn)營(yíng)商，以推進(jìn)‘構(gòu)網(wǎng)型’技術(shù)?！?該聯(lián)盟將由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）、美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)?；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(duì)通用“構(gòu)網(wǎng)型”逆變器聯(lián)盟項(xiàng)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(chǔ)能。風(fēng)能、太陽(yáng)能和電池儲(chǔ)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(dāng)這三種資源超過(guò) 60% 或更多時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商就會(huì)感到緊張。老式的基于逆變器的技術(shù)無(wú)法提供與大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)電類似的慣性以及負(fù)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(jī)器時(shí)，“構(gòu)網(wǎng)”是為了增加虛擬慣性?；诖?，下一代電網(wǎng)的“構(gòu)網(wǎng)型”電池儲(chǔ)能將起到關(guān)鍵作用！

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