构网型储能关键技术探讨

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《新型电力系统下构网型储 能关键技术探讨》 目 录 负责 Responsibility 高效 Efficiency 最好 Excellence 02 网型储能原理分 03 储能现状 与展望 构网型 析 构 01 型储能需求 03 能关键 技术分析 构网型储 分析 构网 构网型储能需求分析 当前 ，新一轮能源变革蓬勃兴起 ，我国能源转型总体处于“积极替代阶段” ，每十年非化石能源消费占比提升 12% ； 2040 年到 2060 年，进入“加速替代阶段”。 传统以同步发电机为主体的电力系统，也将向高比例新能源、高比例电力电子装备的“双高”新型电力系统转变。 迈向“双高”新型电力系统 图片来自华为《光伏发电机白皮书》 高比例的间歇性可再生能源并网将对电网稳定性造成一定冲击。比较典型的问题有宽频振荡、暂态过电压、电能质量劣化、 孤岛光储供电稳定性等。 当前在多个国家和地区 ，能否改善新能源发电的涉网性能， 已成为新能源能否持续发展的最关键问题。 全球电网面临的典型挑战 “ 双高” 带来的挑战 以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰、碳中和目标的重要载体。与同步发电机组相比 ，新能 源具有低可控和低转动惯量等特性 ，发生故障时传统新能源系统无法像同步发电机组一样 ，主动进行电压和 频率支撑 ，给电力系统的安全稳定运行带来了极大挑战。 惯量响应是维持电网暂态频率稳定最关键的环节 ，其时间尺度一般在 6s~10s 左右 高比例新能源经特高压直流送出 加剧送端暂态过电压问题 高比例新能源送端低惯量系统 导致频率稳定控制难度加大 多种功率调节设备的共同 作用引发宽频振荡问题 新型电力系统分析 2 构网型储能原理分析 电流源，功率与无功解耦 电压源，功率与无功耦合 锁相跟随，强电网稳定 独立构网，弱电网稳定 无惯量支撑能力 具有主动惯量支撑能量 弱电网易失步 关注伏特之光公众 强电网易失步 号，获取更多资料 变流器的同步动态特性完全由其控制算法决定 ，可分为跟网型 (grid-following ， GFL) 和构网型 (grid- forming ， GFM) 同步发电机的构网特性：顶梁柱 ，可在扰动前 - 中 - 后，构建电力系统稳定运行的必须内电势，具有转动惯量，稳定频率。 跟网型变流器（ GFL ） 构网型变流器（ GFM ） 构网控制技术 2020 年 4 月国家能源局发布《电力系统安全稳定导则》明确提出新能源场站短路比应达到合理水平；同时电力系统需具 备惯量和短路容量支撑能力。 构网型储能应运而生，可以提高变流器的电压、频率支撑能力 , 增强电力系统稳定性，新型电力系统中有广阔的应用前景。 构网型储能 构网控制策略，通过超配 PCS, 提高短时过流能力 构网型超级电容 子模块配置超级电容 静 止设备，提供惯量 分布式调相机 旋转设备，提供惯量和 短路电流 “ 双高”电网构网解决方案 构网型储能技术 基 于 电 力 电 子 解 决 方 案 基 于 同 步 机 解 决 方 案 解决方 案 提供谐波电流及电压补偿、负序补偿、 闪变抑制等复杂场景高级应用 振荡阻尼 监视系统功率振荡，为系统提供正阻 尼，提高系统动态稳定性 阻抗重塑 为新能源站场站提供附加宽频段正阻 特征提高新能源接入交流系统后的交 互稳定性 6 5 4 3 构网型储能在新型电力系统中作用 提供短路电流 在电力系统暂态期间，提供 3~5 倍 短路电流支撑，确保新能源接入点短 路 比 惯量支撑 参与系统频率调节，提高暂态条件下 系统频率稳定性 构网型储能在系统中作用 参与电力系统电压动态调节，系统暂 态期间提供短时无功功率支撑 动态无功支撑 附加控制 2 1 10 3 构网型储能关键技术分析 构网网控制策略：下垂特性，虚拟同步机控制， 匹配控制，虚拟振荡器控制。 关键控制技术： 1 、如何提升多电压源同步稳定性问题，解决强电网下，干扰稳定裕度降低 ，易失步问题。 2 、如何解决限流保护，避免短路电流危害变流器安全，以及限流引起的暂态稳定性降低问题。 3 、如何在系统动态特性复杂的条件下实现变流器的协同控制，多台电压源并列运行，容易带来环流和抢功率问 题。 模拟摇摆方程的构网型控制 模拟下垂特性的构网型控制 考虑电磁暂态特性的构网型控制 构网型控制策略 国内尚无构网型储能过载能力的明确规范要求， 新疆自治区《关于组织上报 2023 年独立新型储建 设 方案的通知》要求，构网型储能具备 300% 额 定电流 10 秒短时过载能力。 现阶段，一般通过超配 PCS 数量达到过载要求。 例如，某 50MW/100MWh 构网型储能项目， PCS 单机过载能力为 1.25 倍，配置数量为跟网型的 2.4 倍，实现 3 倍过载能力。 PCS 成本急剧提高，如何降本？ 构网型变流器配置框图 高过载能力实现 我国青海某基地，处于直流电网送端，存在新能源消纳受限、短路容量不足、负荷末端电压支撑能力不足等问题。 根据基地建设规划，建立整个发电系统仿真模型。在考虑电源侧、负荷侧曲线以及送出通道约束的条件下，开展电力电量平 衡分析，暂态稳定计算分析，来明确灵活可调的构网型储能需求。 并网方式 计算新能源多场 站短路比 机端 1.5 并网点 2.0 是 暂态稳定 确定构网型储能 容量 是 满足约束 条件 增加构网型 储能容量 否 否 增加构网型储能 容量 系统仿真 + 定容分 析 暂态稳定性 扫描 构网型储能容量分析流程 否 惯量支撑能力： 构网型储能系统具备类似同步发电机有功功率调节特性，等效惯量时间常数应灵活可设，按照《虚拟同步机第 1 部分：总则》，其惯量公式满足： 储能惯量响应启动时间不应超过 50ms ，响应时间不应超过 150ms ，调节时间不应超过 500ms ，控制偏差应 在 ± 1.0%Pn 以内。 一次调频能力： 构网型储能系统具备主动一次调频能力。其一次调频系数应满足下式： 式中： ΔP 为构网型储能电站有功功率变化量， Δf 为系统频率变化量。 一次调频功能在与惯量响应、 AGC 等功能协调 ，宜设定一定的死区 ( 0.033HZ~0.1HZ ），控制偏差应在 ±1.0%Pn 以内。 主动频率支撑能力 ΔQ 为构网型储能电站无功功率变化量， ΔU 为并网点电压幅值变化量， SN 为构网型储能变流器的视在功率 构网型储能无功启动时间不应超过 5ms 、无功响应时间不应超过 10ms ，最大无功电流能力应不低于 3 倍额 定电流。 短路电流支撑能力 提升弱电网地区新能源厂站的短路容量比，构网型储能应提供一定的短路电流。其过载能力应不低于 3 倍，过载持续运行时间应不低于 10s 。 构网型储能的短路支撑能力可通过变流器器件的能力提升以及多机并联等多种方式实现。 多机并联运 行时，并机环流小于 5% 。 主动电压支撑能力： 构网型储能系统具备类似同步发电机有功功率调节特性，具备内电势和无功调压能力，其调压公式满足： 主动电压、短路电流支撑能力 4 构网型储能现状与展望 2011 2012 2014 2017 2018-2020 2021 2022 2023 国外构网型储能技术最早在微电网中进行工程应用。 日立 ABB 在澳大利亚约克半岛部署一个 30MW/8MWh 电池储能系统，已于 2018 年投入使用。 2022 年，特斯拉对 18 年投运的澳大利亚 150MW/193.5MWh 电池储能项目升级，将能够为电网提供惯性支撑。 2023 年， 现阶段全球最大的 Grid-forming 储能项目 250MW/250MWh 投运。 国外构网型储能技术新动态 18 19 国内研究构网型储能技术主要有南瑞继保、华为数字能源、远景能源、阳光电源、科华等企业。在工程示范应用方面 ， 南瑞和华为走在前列。从 2023 年开始，国内陆续有 100MWh 级示范性构网型电站建成。 华东院在青海正在建设 2 座大型构网型储能，采用不同的技术路线。 华能 100MW/200MWh 分散控制构网型独 立储能电站 龙源电力江苏盱胎 10MW/20MWh 构网型 示范储能电站 国内首座构网型储能电站——湖北荆门新 港 50MW/100MWh 储能电站 国内构网型技术新动态 构网型储能对比其它构网技术，优势明显，将在弱电网和“双高”电网获得极大发展。 现阶段都是通过超配 PCS 方式提高过载能力，建议加快研发专门的构网型变流器，提高单机过载能 力，以降低建设成本。 现阶段构网型 PCS 缺乏型式试验报告和制造标准，建议加快制定相应规程规范。 推动构网型储能设备在主流大电网仿真平台上的建模开发，支撑工程规划设计。 探索构网型储能参与电力辅助服务市场的创新机制，建立构网型储能参与惯量支撑、紧急频率支撑、 黑启动等辅助服务及评价体系。 展望和建议 20 Thank You