“構網型電化學儲能”與下一代電網

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

事實證明，對于電網中一些小部件，預測往往是落后于實際發生的進化。這樣的例子很多。然而，確實有一個電網元素作為下一代電網的重要構件，獲得了廣泛的關注，那就是——儲能。

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

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

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

在開始討論之前，讓我們更深入地了解一下儲能發展簡史。

01

轉型經驗

2009年，輸配電世界雜志（T&D World）第一次出版了關于儲能的增刊。當時的技術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，當第二個關于儲能的增刊問世時，變化是驚人的。儲能已經成為電網更復雜應用的一部分，重點已經完全轉變。電池儲能作為分布式能源的一部分，成為新的游戲規則，并暗示了即將到來的變革。

通過在電網和用戶側同時采用電池儲能技術，儲能設備進入了電網穩定服務領域。“彈性”開始成為電網的流行詞匯，這為電池儲能技術開辟了新的機遇。它從一個原來默默無聞的參與者轉變為電網的主要力量。

有趣的是，2009 年的增刊曾經援引一家研究機構的預測——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終數字遠遠高于預測。根據zui近的《財富》商業報告，2018 年儲能市場實際數字已經達到了約 1450 億美元。該報告還預計，到 2026 年底，全球儲能市場支出將達到 2110 億美元。

電池儲能應用絕對是一項快速成長的技術。它將在推動可再生資源脫碳的基礎上繼續發展。

現在，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。隨著技術進步，一些新的逆變器控制技術可以解決這些問題。

02

“跟網型”與“構網型”逆變器

國家可再生能源實驗室（NREL）zui近出版了一份技術報告，稱“今天的電力系統正在迅速轉變為越來越多的非傳統能源發電，如風能和太陽能，以及儲能設備。” 這些資源通過“電網跟隨型”逆變器連接到電網。這是有關下一代儲能與風能和太陽能等可再生能源一起走向何方的另一個線索。

我們需要重點談談逆變器技術。“跟網型”逆變器跟蹤電網的電壓、相位以控制其輸出。這些“跟網型”逆變器依賴于以下事實，即：電網的電壓和頻率由慣性源提供穩定（即旋轉質量）。“跟網型”逆變器的電池儲能無法應對電網的擾動。在系統發生擾動時，這些逆變器通常會關閉輸出，直到干擾過去，并且需要在大停電后，先建立系統，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，電網需要能夠維持其穩定的慣性能源。這就是“構網型”技術發揮作用的地方。“構網型”逆變器可以建立電網或強化現有電網運行。它具有獨立的內部頻率參考，并允許“構網型”逆變器孤島運行。

當“構網型”技術與先進的自動化和控制相結合時，就有了“虛擬同步機”。

“虛擬同步機”能夠為大型電網提供大量可再生能源運行所需的服務。這就是為什么“構網型”逆變器這種技術創新開始引起人們的興趣，并獲得下一代電網主導地位的原因。

日立能源（前 ABB 電網）電網邊緣解決方案高級顧問 John Glassmire 提供了一些“構網型”技術的實際經驗，包括在澳大利亞輸電網上采用的虛擬同步機。

Glassmire 報告說，“全球部署的大多數電池儲能僅能提供部分電網穩定功能，但下一代電池儲能——尤其是使用具有虛擬同步機技術的‘構網型’儲能技術——對于使可再生能源完全取代基于同步技術的化石能源至關重要。”

“例如，澳大利亞 24% 的電力來自可再生能源，對于這樣一個規模的國家來說，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出是可變的。隨著風能和太陽能裝機容量的增長，需要新的集成技術。作為推動澳大利亞可再生能源發展承諾的一部分，日立能源參與了儲能集成‘商業可再生能源’的南澳大利亞項目 (ESCRI-SA)，為該項目提供了利用微電網技術的大規模電網邊緣解決方案。”

根據 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 電池儲能系統是建立在日立虛擬同步發電機平臺上的‘構網型’系統，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來加強電網。當上游饋線發生故障時，該系統還能夠無縫過渡到孤島運行狀態。孤網的電力供應來自附近的 91 兆瓦 Wattle Point 風電場和分布式太陽能。”
在 ESCRI-SA 項目完全交付之前，Glassmire 指出：“虛擬同步機為電網提供了極其有價值的服務。它模仿了同步電機和同步調相機等老式技術的行為，但完全是通過電力電子技術實現的。他們甚至可以模擬更復雜和更新的設備，例如用于穩定電網的 STATCOM，同時提供能源和輔助服務。具有虛擬同步機功能的‘構網型’電池儲能與一般的具有‘構網型’逆變器系統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中使用‘構網型’逆變器的關鍵要素”。

03

成為熱點的“構網型”技術

去年底，澳大利亞宣布了另一個“構網型”儲能項目。公用事業公司 AGL 于 2021 年 11 月在托倫斯島開始建設 250MW/250MWh “構網型”電池儲能項目。電池將由瓦錫蘭提供，100 多臺“構網型”逆變器由 SMA 提供。項目預計在 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“構網型”技術的興趣不斷擴大，美國能源部 (DOE) 宣布將為政府和社會資本合作的通用“構網型”逆變器聯盟 (UNIFI) 提供 2500 萬美元的資金。美國能源部表示：“該聯盟匯集了領先的研究人員、行業利益相關者、公用事業公司和系統運營商，以推進‘構網型’技術。” 該聯盟將由國家可再生能源實驗室（NREL）、美國電力科學研究院（EPRI）和華盛頓大學領導。

聯盟的主要任務之一是為基于逆變器的下一代電網所需的硬件開發互操作標準。互操作性是任何新興技術的關鍵問題。我們已經注意到，如果新技術要被電力系統所接受，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“構網型”逆變器聯盟項目感興趣的原因。

綜上所述，下一代電網需要基于逆變器的電池儲能。風能、太陽能和電池儲能資源的滲透率正在增加，并引發有關電網穩定的關注。當這三種資源超過 60% 或更多時，電網運營商就會感到緊張。老式的基于逆變器的技術無法提供與大型旋轉電機發電類似的慣性以及負載穩定性。

然而，“構網型”逆變器可用于解決這些問題，這些問題發生的概率比預期的要高。

在清潔能源取代以化石為燃料的大型旋轉機器時，“構網”是為了增加虛擬慣性。基于此，下一代電網的“構網型”電池儲能將起到關鍵作用！

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