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核心提示：當前，我國新型儲能技術(shù)正加快發(fā)展，新型鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣、氫（氨）儲能、熱（冷）儲能等材料領(lǐng)域技術(shù)相繼涌現(xiàn)，帶動產(chǎn)業(yè)熱度的持續(xù)升溫。
日前，我國首個移動式大容量全場景電池儲能站——南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站投入商業(yè)運行。該儲能站位于保定國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，功率6兆瓦，容量超過7.2兆瓦時，轉(zhuǎn)換效率達到98%。該儲能站的投運標志著我國高壓級聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究取得成功，有效解決了電池儲能站應(yīng)用場景固定限制的難題。
此前，我國電池儲能站主要采用低壓380伏儲能系統(tǒng)，經(jīng)變壓器升壓至10千伏后并入電網(wǎng)儲能發(fā)電。不同于傳統(tǒng)儲能站，南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站應(yīng)用了高壓級聯(lián)鏈式儲能變流器拓撲，將電池組通過模塊級聯(lián)方式直接接入10千伏高壓交流系統(tǒng)。該儲能站采取集裝箱設(shè)計，各電池加裝運輸?shù)鬃蔀槲覈谝蛔鶡o須配套變壓器的移動式電池儲能站，可隨時靈活“動”起來。
實現(xiàn)我國電化學儲能領(lǐng)域三個“首次”
“十四五”時期是我國新型儲能發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期�！�“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》明確提出，到2025年，新型儲能由商業(yè)化初期步入規(guī)�；l(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件；到2030年，新型儲能全面市場化發(fā)展。
新型儲能是指除抽水蓄能以外的新型儲能技術(shù)，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要支撐。
“未來我國大規(guī)模的新能源并網(wǎng)消納需要大電網(wǎng)的支撐，尤其是隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進，儲能站應(yīng)用場景不斷豐富，同時提出了儲能系統(tǒng)可移動性能的新要求。在此背景下，我們開展了移動式大容量全場景電池儲能站的研發(fā)。”南網(wǎng)儲能公司儲能科研院院長、高壓級聯(lián)項目負責人陳滿介紹。該儲能站不僅實現(xiàn)了儲能高效率的目標，還豐富了移動式大容量儲能站作為“有源式”并網(wǎng)測試平臺等應(yīng)用場景。
“這好比原來開的是小汽車，受限于馬力，每次只能拉10噸貨；現(xiàn)在這個大容量全場景電池儲能站是大卡車，直接拉50噸貨甚至更多。”對于大容量，陳滿打了一個形象的比喻。
南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站的示范建設(shè)還實現(xiàn)了我國電化學儲能領(lǐng)域的三個首次：首次運用了“H橋”的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可在大幅減少儲能系統(tǒng)數(shù)量的情況下，實現(xiàn)同等儲能效率；首次研究應(yīng)用電池簇間熱阻隔技術(shù)，對電池柜作耐壓絕緣和防火隔熱處理，在電池陣列之間加裝隔熱板，大幅延長火災(zāi)等極端情況下的救援緩沖時間至60分鐘；首次攻克了移動式大容量電池儲能站黑啟動關(guān)鍵技術(shù)，可為局部電網(wǎng)提供靈活、快速、可靠的黑啟動電源服務(wù)。
大容量和可移動兩種性能完美結(jié)合
如何突破大容量和可移動兩種條件的相互制約，是研發(fā)團隊遇到的最為棘手問題。
“一方面，如何在有限的空間內(nèi)將電池、變流器、控制柜等設(shè)備高效的排列，同時保證電氣絕緣可靠和熱管理安全性，這是一個難題；另一方面，如何在運輸全過程中對集裝箱及其內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測、保障其可靠性，也是必須解決的難題。”南網(wǎng)儲能公司儲能科研院高壓級聯(lián)項目技術(shù)專家李勇琦說。
為此，團隊對移動式大容量高壓級聯(lián)電池儲能系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)進行解剖，創(chuàng)新性地將“H橋”級聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于移動式電站，首次將儲能站大容量和可移動兩種性能完美結(jié)合。
隨著電化學儲能蓬勃發(fā)展，電池熱失控的問題被暴露在聚光燈下，儲能系統(tǒng)安全性能是電化學儲能發(fā)展的底線。
“我們不僅對‘事前’措施進行了創(chuàng)新設(shè)計，還首次采用了不燃耐火材料，對集裝箱式儲能站做了簇間熱阻隔設(shè)計，延長了‘事后’救援緩沖時間。”李勇琦表示，這相當于在船與船之間加上阻燃板，可最大程度避免出現(xiàn)“火燒連環(huán)船”的情景，為延長電池熱失控救援時間提出了新的方向。
大面積停電后的系統(tǒng)自恢復(fù)通俗地稱為黑啟動。針對儲能站黑啟動要求儲能系統(tǒng)具有離網(wǎng)運行模式，且具備零起升壓、二次調(diào)頻調(diào)壓、頻率范圍控制等能力，對儲能變流器要求較高的特點，團隊逐一攻克了移動式大容量電池儲能站黑啟動的各關(guān)鍵技術(shù)難題。這是黑啟動在移動式儲能站的首次應(yīng)用，未來可為局部電網(wǎng)提供靈活、快速、可靠的黑啟動電源服務(wù)。
可應(yīng)用于各電化學儲能場景
“這樣一座控制技術(shù)成熟、安全性能穩(wěn)定的移動式大容量電池儲能站可應(yīng)用于各電化學儲能場景。”陳滿說。
在電源側(cè)，該儲能站可平滑新能源出力波動，提供備用容量；在電網(wǎng)側(cè)，該儲能站可改善輸配電網(wǎng)絡(luò)功率分布，滿足設(shè)備檢修和線路融冰等特殊時期的臨時供電需求；在用戶側(cè)，該儲能站能夠有效調(diào)節(jié)季節(jié)性區(qū)域內(nèi)負荷，作為電網(wǎng)突發(fā)事故、春運等時段性事件的應(yīng)急電源。此外，該儲能站還可以作為儲能產(chǎn)品并網(wǎng)的性能測試平臺，為不同儲能產(chǎn)品性能對比提供大容量電源。
新能源“看天吃飯”的先天屬性使其帶有間歇性、波動性的特征，而電網(wǎng)又要保持電源和負荷的實時平衡。“該儲能站所用到的高壓級聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)，能為新型電力系統(tǒng)提供更好的調(diào)節(jié)服務(wù)，使得整個電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定。”陳滿表示。
值得一提的是，自2020年起，南方電網(wǎng)公司大力推動科技項目“揭榜制”“掛帥制”落地實施，面向國家重大科研需求、行業(yè)科技前沿等領(lǐng)域發(fā)動科研人員技術(shù)攻關(guān)。該儲能站的“高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)規(guī)�；瘧�(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”是首批科技項目“揭榜制”“掛帥制”試點項目之一，由南網(wǎng)儲能公司“掛帥”攻關(guān)，與北京四方公司、上海交通大學等單位合作研究，推動產(chǎn)學研用一體融合實踐。項目研究工作已發(fā)表論文9篇、完成各類專利受理授權(quán)30余項，下一步將實現(xiàn)更大容量的高壓級聯(lián)，推廣升級前景十分廣闊。
當前，我國新型儲能技術(shù)正加快發(fā)展，新型鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣、氫（氨）儲能、熱（冷）儲能等材料領(lǐng)域技術(shù)相繼涌現(xiàn)，帶動產(chǎn)業(yè)熱度的持續(xù)升溫。預(yù)計到2025年末，新型儲能在電力系統(tǒng)中的裝機規(guī)模將達到3000萬千瓦以上，年均增長50%以上。高壓級聯(lián)作為儲能領(lǐng)域集成應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新突破，將持續(xù)助推儲能產(chǎn)業(yè)模式的優(yōu)化完善，為服務(wù)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)發(fā)揮積極示范作用。
此前，我國電池儲能站主要采用低壓380伏儲能系統(tǒng)，經(jīng)變壓器升壓至10千伏后并入電網(wǎng)儲能發(fā)電。不同于傳統(tǒng)儲能站，南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站應(yīng)用了高壓級聯(lián)鏈式儲能變流器拓撲，將電池組通過模塊級聯(lián)方式直接接入10千伏高壓交流系統(tǒng)。該儲能站采取集裝箱設(shè)計，各電池加裝運輸?shù)鬃蔀槲覈谝蛔鶡o須配套變壓器的移動式電池儲能站，可隨時靈活“動”起來。
實現(xiàn)我國電化學儲能領(lǐng)域三個“首次”
“十四五”時期是我國新型儲能發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期�！�“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》明確提出，到2025年，新型儲能由商業(yè)化初期步入規(guī)�；l(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件；到2030年，新型儲能全面市場化發(fā)展。
新型儲能是指除抽水蓄能以外的新型儲能技術(shù)，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要支撐。
“未來我國大規(guī)模的新能源并網(wǎng)消納需要大電網(wǎng)的支撐，尤其是隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進，儲能站應(yīng)用場景不斷豐富，同時提出了儲能系統(tǒng)可移動性能的新要求。在此背景下，我們開展了移動式大容量全場景電池儲能站的研發(fā)。”南網(wǎng)儲能公司儲能科研院院長、高壓級聯(lián)項目負責人陳滿介紹。該儲能站不僅實現(xiàn)了儲能高效率的目標，還豐富了移動式大容量儲能站作為“有源式”并網(wǎng)測試平臺等應(yīng)用場景。
“這好比原來開的是小汽車，受限于馬力，每次只能拉10噸貨；現(xiàn)在這個大容量全場景電池儲能站是大卡車，直接拉50噸貨甚至更多。”對于大容量，陳滿打了一個形象的比喻。
南方電網(wǎng)河北保定電池儲能站的示范建設(shè)還實現(xiàn)了我國電化學儲能領(lǐng)域的三個首次：首次運用了“H橋”的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可在大幅減少儲能系統(tǒng)數(shù)量的情況下，實現(xiàn)同等儲能效率；首次研究應(yīng)用電池簇間熱阻隔技術(shù)，對電池柜作耐壓絕緣和防火隔熱處理，在電池陣列之間加裝隔熱板，大幅延長火災(zāi)等極端情況下的救援緩沖時間至60分鐘；首次攻克了移動式大容量電池儲能站黑啟動關(guān)鍵技術(shù)，可為局部電網(wǎng)提供靈活、快速、可靠的黑啟動電源服務(wù)。
大容量和可移動兩種性能完美結(jié)合
如何突破大容量和可移動兩種條件的相互制約，是研發(fā)團隊遇到的最為棘手問題。
“一方面，如何在有限的空間內(nèi)將電池、變流器、控制柜等設(shè)備高效的排列，同時保證電氣絕緣可靠和熱管理安全性，這是一個難題；另一方面，如何在運輸全過程中對集裝箱及其內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測、保障其可靠性，也是必須解決的難題。”南網(wǎng)儲能公司儲能科研院高壓級聯(lián)項目技術(shù)專家李勇琦說。
為此，團隊對移動式大容量高壓級聯(lián)電池儲能系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)進行解剖，創(chuàng)新性地將“H橋”級聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于移動式電站，首次將儲能站大容量和可移動兩種性能完美結(jié)合。
隨著電化學儲能蓬勃發(fā)展，電池熱失控的問題被暴露在聚光燈下，儲能系統(tǒng)安全性能是電化學儲能發(fā)展的底線。
“我們不僅對‘事前’措施進行了創(chuàng)新設(shè)計，還首次采用了不燃耐火材料，對集裝箱式儲能站做了簇間熱阻隔設(shè)計，延長了‘事后’救援緩沖時間。”李勇琦表示，這相當于在船與船之間加上阻燃板，可最大程度避免出現(xiàn)“火燒連環(huán)船”的情景，為延長電池熱失控救援時間提出了新的方向。
大面積停電后的系統(tǒng)自恢復(fù)通俗地稱為黑啟動。針對儲能站黑啟動要求儲能系統(tǒng)具有離網(wǎng)運行模式，且具備零起升壓、二次調(diào)頻調(diào)壓、頻率范圍控制等能力，對儲能變流器要求較高的特點，團隊逐一攻克了移動式大容量電池儲能站黑啟動的各關(guān)鍵技術(shù)難題。這是黑啟動在移動式儲能站的首次應(yīng)用，未來可為局部電網(wǎng)提供靈活、快速、可靠的黑啟動電源服務(wù)。
可應(yīng)用于各電化學儲能場景
“這樣一座控制技術(shù)成熟、安全性能穩(wěn)定的移動式大容量電池儲能站可應(yīng)用于各電化學儲能場景。”陳滿說。
在電源側(cè)，該儲能站可平滑新能源出力波動，提供備用容量；在電網(wǎng)側(cè)，該儲能站可改善輸配電網(wǎng)絡(luò)功率分布，滿足設(shè)備檢修和線路融冰等特殊時期的臨時供電需求；在用戶側(cè)，該儲能站能夠有效調(diào)節(jié)季節(jié)性區(qū)域內(nèi)負荷，作為電網(wǎng)突發(fā)事故、春運等時段性事件的應(yīng)急電源。此外，該儲能站還可以作為儲能產(chǎn)品并網(wǎng)的性能測試平臺，為不同儲能產(chǎn)品性能對比提供大容量電源。
新能源“看天吃飯”的先天屬性使其帶有間歇性、波動性的特征，而電網(wǎng)又要保持電源和負荷的實時平衡。“該儲能站所用到的高壓級聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)，能為新型電力系統(tǒng)提供更好的調(diào)節(jié)服務(wù)，使得整個電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定。”陳滿表示。
值得一提的是，自2020年起，南方電網(wǎng)公司大力推動科技項目“揭榜制”“掛帥制”落地實施，面向國家重大科研需求、行業(yè)科技前沿等領(lǐng)域發(fā)動科研人員技術(shù)攻關(guān)。該儲能站的“高壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)規(guī)�；瘧�(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”是首批科技項目“揭榜制”“掛帥制”試點項目之一，由南網(wǎng)儲能公司“掛帥”攻關(guān)，與北京四方公司、上海交通大學等單位合作研究，推動產(chǎn)學研用一體融合實踐。項目研究工作已發(fā)表論文9篇、完成各類專利受理授權(quán)30余項，下一步將實現(xiàn)更大容量的高壓級聯(lián)，推廣升級前景十分廣闊。
當前，我國新型儲能技術(shù)正加快發(fā)展，新型鋰離子電池、液流電池、飛輪、壓縮空氣、氫（氨）儲能、熱（冷）儲能等材料領(lǐng)域技術(shù)相繼涌現(xiàn)，帶動產(chǎn)業(yè)熱度的持續(xù)升溫。預(yù)計到2025年末，新型儲能在電力系統(tǒng)中的裝機規(guī)模將達到3000萬千瓦以上，年均增長50%以上。高壓級聯(lián)作為儲能領(lǐng)域集成應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新突破，將持續(xù)助推儲能產(chǎn)業(yè)模式的優(yōu)化完善，為服務(wù)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)發(fā)揮積極示范作用。
