葉季蕾，李斌，張宇，李明哲，石博文，王皓靖

基于全球能源互聯(lián)網(wǎng)典型特征的儲(chǔ)能需求及配置分析

葉季蕾1，李斌1，張宇2，李明哲1，石博文1，王皓靖2

（1．南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省 南京市 211816；2．國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海市 虹口區(qū) 200000）

全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對長距離電力能量供需平衡、供應(yīng)持續(xù)可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)。不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)是解決電力電量平衡的優(yōu)選手段，是全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展必不可少的組成部分。儲(chǔ)能的需求和配置與具體應(yīng)用場景的特征、應(yīng)用目標(biāo)緊密相關(guān)。通過文獻(xiàn)調(diào)研和示范工程，分析了全球能源互聯(lián)網(wǎng)3種典型應(yīng)用場景中儲(chǔ)能技術(shù)的配置方法和性能需求，從而給出了儲(chǔ)能類型、儲(chǔ)能配置的功率和放電時(shí)間范圍建議。針對全球能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模清潔能源和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶卣?，提出了具體的儲(chǔ)能接入拓?fù)?，為模擬儲(chǔ)能接入全球能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的功能驗(yàn)證提供了解決方案。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)；儲(chǔ)能；配置；接入拓?fù)?/p>

0 引言

全球能源互聯(lián)網(wǎng)的核心是能源清潔發(fā)展和能源全球配置[1]?？稍偕茉唇尤氡壤龑⑦_(dá)80%，特高壓輸電將跨越不同時(shí)區(qū)，地域長度可達(dá)5000km以上，全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將面臨著高比例可再生能源供電持續(xù)可靠性、跨時(shí)空能源生產(chǎn)與消費(fèi)的功率匹配和能量平衡、跨洲互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行方式突變及故障擾動(dòng)下區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等諸多挑戰(zhàn)。具體包括：全球能源互聯(lián)網(wǎng)能源基地可再生資源的隨機(jī)性、間歇性可能導(dǎo)致的長時(shí)間尺度(天級)的電力缺乏，進(jìn)而造成負(fù)荷中心電力能量供需不平衡問題；高比例風(fēng)電、光伏等資源的短時(shí)功率波動(dòng)對送、受端電網(wǎng)的頻率和電壓暫態(tài)穩(wěn)定影響及功率匹配問題；全球能源互聯(lián)直流骨干輸電系統(tǒng)換相失敗暫態(tài)過程引發(fā)的電壓波動(dòng)及有功振蕩問題；區(qū)域負(fù)荷中心交直流混聯(lián)電網(wǎng)故障造成瞬態(tài)、動(dòng)態(tài)過程的潮流轉(zhuǎn)移、線路阻塞及有功缺額等諸多問題。

儲(chǔ)能技術(shù)種類多樣、發(fā)展迅速，在電力系統(tǒng)中的多種應(yīng)用功能已經(jīng)得到了示范驗(yàn)證[2-12]。抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等規(guī)?；瘍?chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，將電力的生產(chǎn)和消費(fèi)在時(shí)間上進(jìn)行解耦，使傳統(tǒng)的需實(shí)時(shí)平衡的“剛性”電力系統(tǒng)變得“柔性”，可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和靈活性，是發(fā)展全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐[13-15]。以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能為代表的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)較為成熟，在可再生能源基地可解決數(shù)小時(shí)級的能量平衡及功率匹配問題，提高可再生能源消納；各類電池儲(chǔ)能可以靈活實(shí)現(xiàn)分鐘級到小時(shí)級有功、無功動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用于平抑可再生能源波動(dòng)、提供輸配線路的電壓支撐；超級電容和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)毫秒級的功率調(diào)節(jié)，用于短時(shí)間的功率支撐等；儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超長時(shí)間的能量存儲(chǔ)，滿足數(shù)天以上時(shí)間尺度的能量調(diào)節(jié)，保障可再生能源基地電力缺乏時(shí)的電能持續(xù)可靠供應(yīng)[16]。

綜上所述，儲(chǔ)能技術(shù)將在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。本文首先從全球能源互聯(lián)網(wǎng)的典型特征對儲(chǔ)能的需求出發(fā)，分析儲(chǔ)能的作用，提出適用于全球能源互聯(lián)網(wǎng)典型場景的儲(chǔ)能技術(shù)，調(diào)研總結(jié)大容量儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；然后，根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的典型場景案例，計(jì)算出儲(chǔ)能的配置范圍；最后，提出規(guī)?；瘍?chǔ)能在全球能源互聯(lián)網(wǎng)場景中的典型接入方案。

1 全球能源互聯(lián)網(wǎng)的典型特征及儲(chǔ)能需求分析

1.1 超大規(guī)?？稍偕茉椿氐慕尤雽?chǔ)能的需求

全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的超大規(guī)模可再生能源基地位于北極和赤道地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對薄弱，抗擾動(dòng)能力較差，外送規(guī)模受到限制[1]。一方面，由于可再生能源的短期波動(dòng)和周期性變化引起的線路電壓超限現(xiàn)象將逐步出現(xiàn)；另一方面機(jī)組設(shè)備容量不足、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制、風(fēng)電反調(diào)峰作用等因素將導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰面臨很大的困難。

在風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等可再生能源基地，通過一定容量的儲(chǔ)能裝置，一方面可平滑可再生能源輸出功率，減少短時(shí)功率波動(dòng)對電網(wǎng)的頻率和電壓影響；另一方面，在可再生能源長時(shí)間電力缺乏時(shí)可以保障負(fù)荷中心的能量供應(yīng)，大大提升了電網(wǎng)對超大規(guī)模可再生能源基地的適應(yīng)性。

1.2 特高壓交直流電網(wǎng)互聯(lián)對儲(chǔ)能的需求

全球能源互聯(lián)網(wǎng)采用特高壓直流作為輸電通道，特高壓直流故障后對送端電網(wǎng)和受端電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性將產(chǎn)生重大影響[17]。其中，送端電網(wǎng)直流故障后造成的暫態(tài)過電壓問題易導(dǎo)致新能源機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)，進(jìn)而造成連鎖事故；而受端電網(wǎng)將不得不切除大量負(fù)荷，可能造成嚴(yán)重的電網(wǎng)事故。

發(fā)生直流閉鎖后，若無穩(wěn)控措施，將發(fā)生頻率越限和電壓失穩(wěn)，需要通過切機(jī)幫助系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。與切機(jī)手段相比，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有毫秒級大功率響應(yīng)速度，動(dòng)態(tài)特性好，將儲(chǔ)能裝置加入全球能源互聯(lián)網(wǎng)輸電系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有較好的輔助作用。

1.3 跨時(shí)空互補(bǔ)特性的區(qū)域負(fù)荷中心對儲(chǔ)能的需求

全球能源互聯(lián)網(wǎng)以電力為紐帶，將可再生能源轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行全球范圍內(nèi)的共享互聯(lián)，但全球范圍內(nèi)不同地區(qū)電力用戶的負(fù)荷時(shí)間特性不同，且由于全球范圍內(nèi)不同地區(qū)擁有不同的季節(jié)和日照，不同地區(qū)電力用戶的用電需求和可再生能源發(fā)電量也有差異。

通過合理地配置和布點(diǎn)，將儲(chǔ)能安裝在不同等級的負(fù)荷中心，可以提高可再生能源消納能力，優(yōu)化資源配置，也可以滿足對于重要負(fù)荷的供電可靠性和電能質(zhì)量要求，還可實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)、用電管理和電能交易[15]。

2 大容量儲(chǔ)能技術(shù)特性及其發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)特性

用于表征儲(chǔ)能技術(shù)的主要指標(biāo)包括能量密度、存儲(chǔ)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、能量效率、循環(huán)壽命、自放電率和安全性。

表1給出了各類儲(chǔ)能技術(shù)的主要性能指標(biāo)[18-26]?？梢钥闯觯瑑?chǔ)氫的應(yīng)用功率已達(dá)數(shù)十兆瓦，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱的應(yīng)用功率等級達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千兆瓦，放電時(shí)間可以達(dá)到一天以上，但抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能的能量密度較低，安裝位置受地理?xiàng)l件限制，而儲(chǔ)熱和儲(chǔ)氫的能量效率較低；電化學(xué)儲(chǔ)能總體具備響應(yīng)迅速、能量效率高、自放電率低、持續(xù)放電時(shí)間范圍寬等特點(diǎn)，且功率等級已經(jīng)達(dá)到數(shù)十兆瓦，同時(shí)具備不受地理?xiàng)l件限制、安全靈活等優(yōu)勢，在調(diào)峰、負(fù)荷跟蹤、提高新能源消納等場景具有很大的應(yīng)用空間。此外，電化學(xué)儲(chǔ)能毫秒級的響應(yīng)特性使其在調(diào)頻、提升電能質(zhì)量等服務(wù)中具有不可替代的優(yōu)勢。但從電力系統(tǒng)應(yīng)用需求來看，鋰離子電池儲(chǔ)能的安全性和循環(huán)壽命是未來重點(diǎn)提升的性能指標(biāo)。

表1 各類儲(chǔ)能技術(shù)性能參數(shù)

Tab. 1 Performance status of energy storage technology

注：“+”表示可超過；“DOD”指放電深度。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 全球儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2019年12月底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為184.6GW，同比增長1.9%。其中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模依然最大，為171.0GW，占比92.6%；電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)9520.5MW，同比增長43.7%，累計(jì)占比5.2%，較2018年同期增長1.5%[27]。但近10年抽水蓄能的占比下降了近7%。

2019年，全球新增投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)2895.1MW，較2018年下降了21.7%。從投運(yùn)地區(qū)來看，全球新增電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)主要分布在49個(gè)國家和地區(qū)，裝機(jī)規(guī)模排名前5位的國家分別是中國、美國、英國、德國、澳大利亞，其中中國新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到636.9MW[27]。從發(fā)展速度來看，電化學(xué)儲(chǔ)能保持快速增長，其中鋰離子電池是應(yīng)用范圍最廣泛、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膬?chǔ)能技術(shù)。

從全球投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目應(yīng)用分布來看，用戶側(cè)領(lǐng)域占比最大，為36.6%；其次是輔助服務(wù)、集中式可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)和電源側(cè)，占比分別為22.4%、2.2%、14.7%和4.1%，總體上，電化學(xué)儲(chǔ)能由于其多重特性，應(yīng)用分布十分廣泛。

2.2.2 中國儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2019年年底，中國投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到32.4GW，較2018年增長了3.6%，占全球裝機(jī)總規(guī)模的17.6%。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1709.6MW，占全球電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)總規(guī)模的17.9%，較2018年增長了59.4%[27]。2019年，中國已投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模為636.9MW，較2018年下降了6.7%，這主要是由于我國電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能建設(shè)不能納入輸配電價(jià)成本，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能建設(shè)增速明顯下降。

從技術(shù)路線來看，我國不同類型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)分布如圖1所示，不同類型電池儲(chǔ)能裝機(jī)分布如圖2所示。在已投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目中，鋰離子電池裝機(jī)功率占比最高，達(dá)80.6%；其次是鉛蓄電池和液流電池，占比分別為17.8%和1.2%。2019年，在新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目中，鋰離子電池新增投運(yùn)規(guī)模為619.5MW，占比超過97%。

圖1 我國不同類型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)分布圖

圖2 我國不同類型電池儲(chǔ)能裝機(jī)分布圖

從應(yīng)用場景來看，在我國已投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目中，與全球分布類似，用戶側(cè)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，達(dá)到802.3MW，占比46.9%；電網(wǎng)側(cè)和集中式可再生能源并網(wǎng)分別占比20.2%和17.4%[27]。從2019年新增投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用分布(見圖3)來看，用戶側(cè)領(lǐng)域新增裝機(jī)規(guī)模最大，達(dá)到277.9MW，占比接近44%，輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)和集中式可再生能源并網(wǎng)緊隨其后。

圖3 2019年我國新增投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能在不同應(yīng)用領(lǐng)域的分布

3 全球能源互聯(lián)網(wǎng)典型場景下儲(chǔ)能的配置需求

3.1 替代可再生能源電站長時(shí)間持續(xù)供電

大規(guī)?？稍偕茉醇胁⒕W(wǎng)的置信度對系統(tǒng)的備用容量規(guī)劃有一定的參考價(jià)值。評估間歇式能源置信容量目的是從容量角度考慮間歇式能源電場的規(guī)劃設(shè)計(jì)，從而既可保證系統(tǒng)供電可靠性，又可經(jīng)濟(jì)高效地大規(guī)模利用新能源。目前國內(nèi)外對間歇式能源的置信容量評估方法大致分為2類[28-30]：一類是從負(fù)荷側(cè)考慮，保證新增電源接入前后系統(tǒng)的可靠性水平不變，新增電源能夠多承載的負(fù)荷量；另一類是從發(fā)電側(cè)考慮，在保證可靠性不變的前提下，新增電源能夠替代的常規(guī)機(jī)組容量。本文旨在通過估算可再生能源發(fā)電基地等效為常規(guī)機(jī)組的容量，推算出采用儲(chǔ)能系統(tǒng)替代可再生能源基地長時(shí)間持續(xù)供電所需配置的容量范圍，因此從發(fā)電側(cè)考慮采用基于有效載荷能力(effective load carrying capability，ELCC)的評估方法，其流程如圖4所示。

圖4 間歇式能源置信容量評估流程

我國規(guī)劃到2020年，擬新建風(fēng)電場總裝機(jī)容量為7212MW。本文所模擬的2020年甘青電網(wǎng)的年峰值負(fù)荷為44899MW，外送功率為13500MW，電網(wǎng)包括369臺(tái)常規(guī)發(fā)電機(jī)組，容量從2.5MW到1000MW不等，總裝機(jī)容量為73223MW。本文采用基于Copula-ARMA的間歇式電源出力模擬，并將模型應(yīng)用到西北實(shí)際電網(wǎng)中，基于ELCC計(jì)算了甘肅、青海地區(qū)的風(fēng)電場置信容量。表2給出了西北甘肅、青海地區(qū)各個(gè)新建風(fēng)電場單獨(dú)接入電網(wǎng)時(shí)的置信容量。

表2 西北電網(wǎng)2020年規(guī)劃新建風(fēng)電場裝機(jī)及其置信容量

從表2可以看出，所選擇的風(fēng)電場的置信區(qū)間范圍為16%~22%，儲(chǔ)能替代風(fēng)電場的功率范圍為76~177MW。對于數(shù)百兆瓦級容量的風(fēng)電場，在替代長時(shí)間供電應(yīng)用場景上，儲(chǔ)能配置功率規(guī)模為百兆瓦級，持續(xù)供電6~24h。

3.2 特高壓直流換相失敗的功率支撐

大量工程實(shí)踐[31-32]證明，特高壓直流輸電發(fā)生的單回或多回直流換相失敗對交流斷面造成巨大沖擊，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，中斷功率傳輸。換相失敗會(huì)導(dǎo)致大幅度功率波動(dòng)，雖然故障持續(xù)時(shí)間極短，但波動(dòng)過程卻為換相失敗時(shí)間的100~200倍。換相失敗發(fā)生時(shí)，送端電網(wǎng)直流功率無法傳輸，可能會(huì)造成瞬時(shí)大功率盈余，影響送端交流側(cè)；受端則會(huì)發(fā)生大功率缺失。同時(shí)，故障及恢復(fù)期間，吸收大量無功，直接威脅電網(wǎng)安全。

本文基于示范工程的實(shí)際波形數(shù)據(jù)，通過分析不同情況下?lián)Q相失敗造成的有功和無功缺額，以及對應(yīng)的換相恢復(fù)時(shí)間，從而確定該場景下儲(chǔ)能配置的功率和放電時(shí)間范圍。將儲(chǔ)能配置在受端電網(wǎng)，配合同步調(diào)相機(jī)等調(diào)節(jié)手段，發(fā)揮有功和無功支撐的作用，一方面補(bǔ)充換相失敗造成的大功率缺失，另一方面補(bǔ)充因換相失敗而導(dǎo)致直流從系統(tǒng)吸收的大量無功缺失。

據(jù)文獻(xiàn)[33]報(bào)道，華東電網(wǎng)某500kV線路C相故障跳閘，重合不成功，造成近區(qū)某特高壓直流連續(xù)2次換相失敗，對送端特高壓交流長南線產(chǎn)生約1600MW的有功沖擊。目前運(yùn)行的三大特高壓直流同送、受端，若滿功率運(yùn)行時(shí)同時(shí)發(fā)生一次換相失敗，短時(shí)失去有功達(dá)21.6GW，可造成華北–--華中電網(wǎng)的交流斷面功率波動(dòng)近5000MW，嚴(yán)重時(shí)可能造成相關(guān)交流斷面解列；在開關(guān)拒動(dòng)、故障發(fā)生于快速保護(hù)動(dòng)作死區(qū)或電網(wǎng)振蕩等嚴(yán)重故障情況下，可能發(fā)生多回直流同時(shí)多次換相失敗，造成送端電網(wǎng)失穩(wěn)、多回直流相繼閉鎖，進(jìn)而對受端電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，直流故障過程中需吸收大量無功功率，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，單一特高壓直流換相失敗，逆變側(cè)從系統(tǒng)吸收的無功功率可能高達(dá)4000~5000MV·A；若多回直流同時(shí)換相失敗，產(chǎn)生的無功功率沖擊將更大。

從上述數(shù)據(jù)分析得到，特高壓直流換相失敗引起的有功功率缺額達(dá)數(shù)千兆瓦，持續(xù)時(shí)間數(shù)十到數(shù)百毫秒；無功缺額達(dá)數(shù)千兆伏安，持續(xù)時(shí)間數(shù)十毫秒。抽水蓄能技術(shù)相對成熟，功率規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)千兆瓦級，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動(dòng)等多重作用，但響應(yīng)時(shí)間在分鐘級，無法滿足上述場景的響應(yīng)時(shí)間要求。因此，建議與其他調(diào)節(jié)手段配合，配置百兆瓦級的儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)揮功率和能量的作用，既可滿足短時(shí)間功率缺額，又能滿足重要負(fù)荷短時(shí)間供電的需求，配置時(shí)間為數(shù)十分鐘。

3.3 基于跨時(shí)區(qū)負(fù)荷特性的可再生能源消納能力提升

將可再生能源轉(zhuǎn)化為電力進(jìn)行全球范圍內(nèi)的共享互聯(lián)，北極的風(fēng)電以及中東、非洲等沙漠地區(qū)的光伏發(fā)電可以輸送到各個(gè)地區(qū)的負(fù)荷中心。全球范圍內(nèi)不同地區(qū)的環(huán)境差異和時(shí)區(qū)差異，為儲(chǔ)能技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。將儲(chǔ)能裝置安裝在跨區(qū)負(fù)荷中心落點(diǎn)，用于提高可再生能源消納能力，優(yōu)化資源配置。本文選取中國、美國和歐洲的典型日負(fù)荷特性曲線[17]，分析跨時(shí)區(qū)的負(fù)荷互補(bǔ)特性，結(jié)合大型可再生能源基地的輸出到中國落點(diǎn)后的出力特性，分析用于提升不同可再生能源消納能力的儲(chǔ)能配置范圍。

為便于分析，將不同國家的典型日負(fù)荷曲線統(tǒng)一處理成負(fù)荷率曲線，并將此負(fù)荷曲線作為三大區(qū)域電網(wǎng)的典型日負(fù)荷率曲線，如圖5所示。可以看出，日負(fù)荷需求曲線比較相似，白天的負(fù)荷需求明顯高于晚上。

圖5 不考慮時(shí)區(qū)的典型等效日負(fù)荷曲線

上述三大區(qū)域電網(wǎng)典型的日負(fù)荷曲線是以當(dāng)?shù)氐膶?shí)際時(shí)間為準(zhǔn)，由于區(qū)域間存在時(shí)差，需要對日負(fù)荷曲線進(jìn)行同步調(diào)整。假設(shè)不同區(qū)域電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線是按日重復(fù)的，以零時(shí)區(qū)的一天作為絕對時(shí)間，對區(qū)域電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線進(jìn)行時(shí)間的同步調(diào)整，調(diào)整后的負(fù)荷需求曲線對位于不同時(shí)區(qū)的區(qū)域電網(wǎng)而言不是一天，而是24h的電力負(fù)荷需求曲線，如圖6所示。可以看出，位于不同時(shí)區(qū)、日負(fù)荷曲線十分相像的三大區(qū)域電網(wǎng)，由于時(shí)差的原因，24h負(fù)荷需求差別很大，但同時(shí)也具有自然的互補(bǔ)性。

三大區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，客觀上通過時(shí)差可以減小負(fù)荷需求的波動(dòng)，但對可再生能源的利用還可通過適當(dāng)配置儲(chǔ)能，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可再生能源的空間轉(zhuǎn)移，提高可再生能源的消納能力。

圖6 以中國為絕對時(shí)區(qū)的典型等效日負(fù)荷曲線

圖7給出了可再生能源基地的典型日發(fā)電曲線和考慮時(shí)差前后的區(qū)域總等效負(fù)荷曲線。通過積分求解，比較可再生能源日發(fā)電量和日負(fù)荷用電量，計(jì)算理論最大消納能力；通過對凈負(fù)荷曲線進(jìn)行積分求解，獲得實(shí)際消納能力；設(shè)置一定的消納能力提升目標(biāo)，通過就地消納率與可再生能源、負(fù)荷特性約束關(guān)系，結(jié)合充放控制，將可再生能源出力與負(fù)荷進(jìn)行最優(yōu)匹配，獲取所需最小的儲(chǔ)能充放電功率和容量。分別對考慮時(shí)差前后的日負(fù)荷曲線與可再生能源發(fā)電曲線進(jìn)行匹配，通過上述方法計(jì)算出用于提升消納能力的儲(chǔ)能配置功率和容量，如表3所示。

圖7 可再生能源典型日等效發(fā)電曲線及等效負(fù)荷曲線

表3 用于提升可再生能源消納的儲(chǔ)能配置

可以看出，用于提升區(qū)域負(fù)荷側(cè)對可再生能源消納能力的儲(chǔ)能裝置，其規(guī)模與可再生能源發(fā)電規(guī)模和負(fù)荷特性緊密相關(guān)，功率可在數(shù)十到數(shù)百兆瓦級，放電時(shí)間應(yīng)在4~6h。

3.4 3種典型應(yīng)用場景對儲(chǔ)能配置需求對比

根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的特征，分析3類典型應(yīng)用場景中儲(chǔ)能配置的需求。通過文獻(xiàn)和示范工程調(diào)研、估算等方法，對各應(yīng)用場景進(jìn)行量化分析，從而得到儲(chǔ)能配置的規(guī)模和持續(xù)放電時(shí)間范圍，如表4所示。

表4 不同應(yīng)用場景的儲(chǔ)能應(yīng)用需求

4 儲(chǔ)能在全球能源互聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景中的接入設(shè)計(jì)

由于儲(chǔ)能的適用類型、接入的電壓等級、控制模式有顯著的差異，全球能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能接入方案有所不同。

4.1 可再能源發(fā)電場站中儲(chǔ)能接入方案

在可再生能源發(fā)電場站側(cè)，儲(chǔ)能可在風(fēng)電場或光伏電站并網(wǎng)處集中接入，通過升壓變壓器接入高壓側(cè)母線(10kV或35kV)，用于減少發(fā)電場站預(yù)測誤差，平抑發(fā)電波動(dòng)，聯(lián)合可再生能源電站參與電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電量控制(automatic generation control，AGC)、自動(dòng)電壓控制(automatic voltage control，AVC)，如圖8所示。

圖8 儲(chǔ)能在可再生能源場站集中并網(wǎng)接入

4.2 區(qū)域電網(wǎng)應(yīng)用場景中儲(chǔ)能接入方案

區(qū)域電網(wǎng)應(yīng)用中，儲(chǔ)能用于調(diào)頻、調(diào)峰、備用等輔助服務(wù)，對于抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能，其通過同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，再通過升壓變壓器接入高壓電網(wǎng)。對于電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等單元容量較小的儲(chǔ)能技術(shù)，需要集成大規(guī)模儲(chǔ)能接入高電壓等級電網(wǎng)。圖9給出了目前電池儲(chǔ)能的主要并網(wǎng)拓?fù)?。以一個(gè)50MW/100MW·h的大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，由50個(gè)1MW/2MW·h的儲(chǔ)能子系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)中，2套1MW·h的固定串并聯(lián)電池組件分別經(jīng)2臺(tái)500kW變流器轉(zhuǎn)換為交流電壓后進(jìn)行匯集。每個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)由一臺(tái)升壓變壓器將交流低壓變換為10kV/35kV接入高壓匯集母線。在該并網(wǎng)拓?fù)渲?，由于多個(gè)單元儲(chǔ)能在控制性能上的差異性和集中控制方式對通信的依賴，儲(chǔ)能系統(tǒng)在控制精度、響應(yīng)速度上受到一定限制。

圖9 大規(guī)模電池儲(chǔ)能并網(wǎng)接入方案

另一種并網(wǎng)拓?fù)淙鐖D10所示，將儲(chǔ)能單元通過級聯(lián)的電力電子電路并入高電壓等級，其中的鏈?zhǔn)綋Q流器包括3個(gè)單相換流鏈，每個(gè)換流鏈由10~12個(gè)換流模塊交流側(cè)鏈接構(gòu)成。鏈?zhǔn)綋Q流器可以將多個(gè)電池組件通過直流-交流-鏈接變換為10kV/35kV，然后接入并網(wǎng)變壓器，可以節(jié)省匯流用變壓器。在鏈?zhǔn)綋Q流器的接入方式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的響應(yīng)。

圖10 鏈?zhǔn)綋Q流器的交流接入

4.3 跨區(qū)域傳輸應(yīng)用場景中儲(chǔ)能接入方案

由于系統(tǒng)缺乏阻尼，遠(yuǎn)距離高壓交流傳輸線路可能出現(xiàn)低頻振蕩等現(xiàn)象。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可對有功和無功同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。如圖11所示，將儲(chǔ)能接入聯(lián)絡(luò)線的一側(cè)，向系統(tǒng)提供正阻尼，可有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。此時(shí)，儲(chǔ)能作為具有四象限調(diào)節(jié)能力的靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)接入，對于跨區(qū)域直流傳輸中換流站單極閉鎖等故障可能引起的受端或送端系統(tǒng)功率突變，儲(chǔ)能系統(tǒng)能提供快速的有功和無功支撐，幫助系統(tǒng)維持穩(wěn)定。

圖11 儲(chǔ)能接入?yún)^(qū)域聯(lián)絡(luò)線一側(cè)

5 結(jié)論

從全球能源互聯(lián)網(wǎng)特征出發(fā)，結(jié)合電力儲(chǔ)能技術(shù)特性，提出替代可再生能源電站長時(shí)間供電、特高壓直流換相失敗的功率支撐以及提升負(fù)荷中心可再生能源消納典型應(yīng)用場景下儲(chǔ)能配置分析方法，并提出了可再生能源發(fā)電場站、區(qū)域電網(wǎng)及跨區(qū)域傳輸應(yīng)用場景中的儲(chǔ)能接入拓?fù)?，主要結(jié)論如下：

1）全球能源互聯(lián)網(wǎng)對儲(chǔ)能的技術(shù)需求可歸納為超大規(guī)?？稍偕茉椿亟尤?、特高壓交直流電網(wǎng)安全及區(qū)域負(fù)荷中心供電。不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)可解決不同時(shí)間尺度下的電力電量平衡，是全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展必不可少的部分。

2）在替代可再生能源電站長時(shí)間供電應(yīng)用場景，儲(chǔ)能的配置功率等級達(dá)到數(shù)十~數(shù)百兆瓦，具體應(yīng)結(jié)合可再生能源基地規(guī)模進(jìn)行核算，響應(yīng)時(shí)間為分鐘級，適合的儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等。

3）在特高壓直流換相失敗的功率支撐場景，儲(chǔ)能的配置功率高達(dá)數(shù)百~數(shù)千兆瓦，具體數(shù)值結(jié)合輸電容量和其他調(diào)節(jié)能力確定，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，適合的儲(chǔ)能技術(shù)為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。

4）在提升負(fù)荷中心可再生能源消納能力場景，儲(chǔ)能的配置功率為數(shù)十~數(shù)百兆瓦，具體結(jié)合可再生能源發(fā)電及負(fù)荷特性確定，適合的儲(chǔ)能技術(shù)以電化學(xué)儲(chǔ)能為主。

5）電力儲(chǔ)能技術(shù)類型多樣，功率等級和持續(xù)放電時(shí)間已達(dá)到多種應(yīng)用場景的需求，尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求高的場景更是具有不可替代的優(yōu)勢，但其安全性和循環(huán)壽命仍是未來重點(diǎn)提升的性能指標(biāo)。

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Energy Storage Requirements and Configuration Analysis Based on Typical Characteristics of Global Energy Internet

YE Jilei1, LI Bin1, ZHANG Yu2, LI Mingzhe1, SHI Bowen1, WANG Haojing2

(1. School of Energy Science and Engineering, Nanjing Technology University, Nanjing 211816, Jiangsu Province, China;2. State Grid Shanghai Power Company Electric Power Research Institute, Hongkou District, Shanghai 200000, China)

The development of global energy internet (GEI) poses greater challenges to long-distance power energy supply and demand balance and sustainable supply reliability. Different types of energy storage technologies are the preferred means to solve the power and electricity balance, which are essential parts of GEI development. The requirements and configuring of energy storage are closely related to the characteristics and goals of specific application scenarios. Through literature research and demonstration projects, the configuration methods and performance requirements of energy storage technologies in three typical application scenarios of GEI were analyzed.The suggestions on energy storage types, power of energy storage configuration and discharge time range suitable for different applications were given. Aiming at the characteristics of large-scale clean energy and long-distance transmission of the GEI, a specific energy storage access topology was proposed, which provided a solution for the functional verification of simulated energy storage access to GEI applications.

global energy internet; energy storage; configuration; access topology

10.12096/j.2096-4528.pgt.20082

TK 02; TM 711.1

上海市2020年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目(20DZ2205400)。

Project Supported by Technical Standard of Shanghai 2020 “Technology Innovation Action Plan” (20DZ2205400).

2020-09-21。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)