2024多元储能构网技术在新型电力系统中的应用报告

多元协同构建未来 多元储能构网技术在新型电力系统中的应用 阳光电源南京研究所 密级：公开2024Copyright©SUNGROW 密级：公开 目录 1.背景与挑战 2.混合储能技术 3.构网型储能技术 4.多元储能构网优势 5.应用场景及案例 密级：公开 2024Copyright©SUNGROW 源 网 荷 风电 住宅 光电 储 商业/机构 水电 电动汽车 虚拟电厂 火电 源网荷储协同互动 工厂 双碳已成为全球共识 新型电力系统 … … 总量大 中国碳排放总量世界第一，占30% 时间短 中国实现碳中和30年 Source:前瞻产业研究院,IEA 电源结构改变，系统脆弱性和复杂性增加 大规模新能源接入造成不确定性的缺电、弃电并存；电力系统调频/调峰/备用容量不足、缺乏转动惯量和阻尼，调节能力和抗扰动能力持续下降，甚至出现宽频振荡等新型稳定问题。 直驱 + 弱电网 光伏 + 弱电网 柔直 + 直驱风机 频率问题 电压问题 新型稳定问题 频率调节能力降低 电压调节特性恶化 宽频振荡问题等 双馈 + 串补电容 火电 + 柔直 密级：公开 目录 1.背景与挑战 2.混合储能技术 3.构网型储能技术 4.多元储能构网优势 5.应用场景及案例 密级：公开 2024Copyright©SUNGROW 不同类型储能的技术水平、性能优势、发展趋势、应用前景各不相同。 储能类型 比能量（Wh/kg） 比功率（W/kg） 响应时间 循环寿命（次） 铅酸电池 40～60 200～350 分 500 钠硫电池 150～240 90～230 秒 5,000 电化学储能 全钒液流电池 40～130 50～140 秒 15,000 锂离子电池 75～250 150～315 秒 10,000 锂离子电池（2C） 75～250 150～315 秒 3,000 超级电容 5～15（当前）16～30（目标） 4000～200000 毫秒 1,000,000 抽水蓄能 0.5～1.5 — 分 — 物理储能 压缩空气储能 30～60 — 分 — 飞轮储能 5～130 400～1600 毫秒 1,000,000 数据来自《储能产业研究白皮书2023》 不同类型储能性能对比 当前，新型电力系统对储能功率、时长、响应时间等需求呈现多样化。任何单一储能技术都无法兼顾功率密度、能量密度、响应速度、效率、寿命及成本等需求，难以满足新型电力系统的要求，储能技术呈现多种类型协同发展的格局。 毫秒级 惯量响应 秒级 一次调频 分钟级 二次调频 分钟级至小时级 日内调峰、备用 日间至中长期 超级电容、飞轮、其他功率型储能 电化学储能、抽水蓄能等 抽水蓄能、大容量电化学储能等 季节性储能 量小，但有持续运行需求 量小，但有持续运行需求 量大，间歇性运行需求 新型电力系统对储能的需求 主要储能形式适用的功率及时长 超级电容适用于高功率短时充放电场景，具备响应速度快、倍率高、循环寿命高等优势： •高功率密度，支持大倍率充放电需求 功率•高响应速度，到达额定功率时间为毫秒级 安全 超级电容 寿命 •-40~65℃宽幅工作温度区间，低温性能良好 •储能原理基本无热失控风险 •循环寿命远高于传统锂电池，约20万次~100万次 •日历使用寿命约12~15年 能效•双电层电容充放电效率达到98% •混合电容充放电效率达到95% •超级电容与锂电池互补，组合的混合储能具有高功率密度、高能量密度、长寿命等特点。 混合储能系统采用两种及以上具有不同性能优势的储能技术结合，以提高储能系统整体性能及经济性，从而满足新型电力系统的多场景细分化需求。 锂电池液流电池 …… 超级电容飞轮 …… 功率型能量型 循环次数 循环效率 超级电容 混合储能 响应时间 混合储能 兼顾功率密度、能量密度、响应速度、效率、寿命及成本等需求 功率密度 锂电池 能量密度 持续放电时间 •两种及以上性能互补的技术结合的混合储能，具有更好的技术经济性能。 混合储能运行控制系统是实现能量管理和功率管理的高效系统，采用混合储能EMS-协调控制器-PCS三层架构，对不同运行工况进行实时监测、协调控制及优化分析。 超容锂电 工况适应性更强电池寿命更长更安全调频性能和收益更高 混合储能系统满足新型电力系统多元化需求 目标 多应用场景兼顾难多元化需求调控难 痛点 优化配置技术双源叠控构网技术动态功率分配技术 方案 混合储能运行控制系统监控系统协调控制器就地控制 平台 建立含不同储能类型的生命周期经济性模型，针对不同的应用场景组合，以经济性效益最优为目标，结合历史数据，生成混合储能功率/容量/类型等优化配置方案。 优化配置方案 历史数据 •混合储能功率/容量配置方案 •收益分析 •运行寿命评估 平抑功率波动 一次/二次调频 削峰…填谷 场景组合 优化目标：经济性 优化结果 功率/容量/类型配置方案收益分析 基于虚拟同步机（VSG）的双源叠控构网技术，同时进行电压源和电流源控制运算，实现强弱电网支撑能力的互补性，并可针对不同需求实现功率精细化分配与管理。 双源叠控构网 •微秒级电压构建技术 •自适应无极调节 针对多需求场景的快速功率分配技术，功率型储能优先响应高频短时大功率变化量；同类型储能单元功率最优分配方法可减少不必要的储能调控，提升储能工作效率及运行寿命。 动态功率分配 功率型/能量型储能功率分配 30 •混合储能系统实时功率分配 •簇级最优功率分配方法 20 10 0 -10 -20 -30 锂电总超容总 平抑功率波动 快速调频 混合储能 首页 状态监视 EMS PCS 密级：公开 目录 1.背景与挑战 2.混合储能技术 3.构网型储能技术 4.多元储能构网优势 5.应用场景及案例 密级：公开 2024Copyright©SUNGROW 跟随电网 GridFollowing 跟踪电网的电压、相位以控制电源系统的能量输出，但需要依赖于稳定的电网，无法应对电网的扰动。 支撑电网 GridSupporting 电网支撑技术在全球范围内推出，变流器能够进行电流控制以支持电力系统稳定运行。 构网 GridForming 在系统强度弱、惯量低的电网中，变流器采用电压源控制，进行调频、调压，为系统提供虚拟惯量、阻尼、黑启动等构建电网功能。 构网型储能技术的核心是通过变流器采用与同步发电机类似的功率同步策略，构建起支撑大电网稳定运行的电压源，可以起到快速调频调压、增加惯量和短路容量、抑制宽频振荡等作用。 核心特点 构网技术架构 将变流器控制成电压源而非电流源 通过控制变流器自身而非跟随电网来输出功率 有功功率同步 直流电压同步 构网型变流器可以在不依赖外界交流系统的情况下，自行构建交流侧输出电压，以便交流电力系统在正常、干扰、紧急情况下均能运行。因此构网型变流器可以孤岛运行，也可以接入极弱电网运行。 下垂… 控制 虚拟同步发电机 虚拟振荡…匹配 器控制控制 通过模拟同步发电机的本体模型(VSG)，使变流器从运行机制和外特性上具有同步发电机相同的特性，实现对同步发电机调频、调压特性的模拟。 VSG的有功-频率、无功-电压控制 稳定端电压幅值 •并网状态下稳定运行，保证电压幅值、相位不变 •离网状态下能独立或者与其他GFM变流器协同运行 •支持并离网状态无缝切换 •具备快速提供无功支撑能力 在系统发生扰动时，VSG可以实时动态调整控制策略，根据扰动的大小动态调整转动惯量的大小，提高系统等效惯量水平和频率的稳定性。 1.001 1.000 0.999 VSG有功-频率控制+惯量响应 0.998 wpcc 0.997 0.996 0.995 0.994 33.544.555.56 无虚拟惯量算法有虚拟惯量算法 构网型变流器振荡失稳的频率由低到高，分为低频振荡、次同步振荡、工频振荡以及高频/谐波振荡四个层面，可针对其共性的小信号稳定性问题，进行振荡抑制，提高电网稳定性。 自适应阻尼 •构网型变流器的阻尼D是其自身控制参数，取值较为灵活 控制策略改进 •针对特征频率，采用虚拟阻抗、有源阻尼等进行阻抗重塑和振荡抑制 (MW) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 TIELINEPOWER (MW) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 POD功率振荡抑制 TIELINEPOWER 基于快速正负序解耦技术及动态虚拟阻抗技术，构网型变流器可以满足连续高低电压穿越的运行要求，快速抑制过载及过电压，保证电力系统稳定运行。 低电压穿越曲线高电压穿越曲线连续高低穿无功响应 构网型储能具备启动和支持系统崩溃后的重启能力，当微电网出现异常时，构网型储能可以自行完成交流电压的建立，为主发电单元提供励磁，在必要时自行组建电网。 黑启动 •PCS并联协调控制建立励磁 •具备自行组建电网能力 密级：公开 目录 1.背景与挑战 2.混合储能技术 3.构网型储能技术 4.多元储能构网优势 5.应用场景及案例 密级：公开 2024Copyright©SUNGROW 基于构网型变流器的高速控制响应能力，以及功率型储能单元的快速大功率充放电特性，在混合储能系统中应用构网技术可进一步提升电网尤其是微电网的稳定性。 ACDCAC 锂电池 超级电容 构网型PCS 构网型PCS 变压器 电网 交流侧耦合 锂电池 超级电容 DC/DC DC/DC 构网型PCS 直流侧耦合 变压器 电网 目前，新疆、西藏等省区已经对构网型储能应用提出了要求，其中要求构网型储能需具备300%额定电流短时过载能力，可进一步探索应用多元储能技术满足该要求。 功能 混合储能系统(超级电容+锂电池) 锂电池储能系统 功率控制 充放电转换时间极短，可根据场景执行精细化功率分配 充放电转换时间短 惯量响应 具备更好的惯量响应速度及支撑能力 惯量响应时间较长 故障穿越 利用功率型储能特性完成短时故障穿越(300%过载等) 短时3倍过载支撑能力不足 并离网切换及运行 混合储能构网响应速度快，更全面覆盖并网/离网运行工况 并网/离网运行控制时间长 调频/调压能力 一次调频、电压阶跃响应调节速度快(100ms以内) 电压、频率响应调节时间较长 振荡抑制 根据不同振荡类型，快速高效完成振荡抑制 振荡抑制调节时间长，类型单一 黑启动 具备更好的抗励磁冲击能力 抗励磁冲击能力弱 密级：公开 目录 1.背景与挑战 2.混合储能技术 3.构网型储能技术 4.多元储能构网优势 5.应用场景及案例 密级：公开 2024Copyright©SUNGROW 火电厂 新能源场站电网侧 用户侧 火储联合调频，实现对调节指令的毫秒级响应，提升调频性能与收益 辅助新能源场站进行一次调频、惯量支撑、平抑功率波动以及能量时移 电网侧调频、调峰，参与辅助服务，缓解线路阻塞，黑启动 减轻负荷冲击（例如港口、抽油机），提升电能质量，实现并离网无缝切换 提升系统强度和短路容量 提升了电网强度和稳定裕度，使得系统具备更高水平的可再生能源发电消纳能力。 抑制宽频振荡 通过阻抗重塑和改进控制结构，提升系统稳定性，保证电网可靠运行。 提供惯量支撑 为新能源电站提供基于构网型变流器的惯性，确保电力系统在干扰期间坚固而安全。 支持快速黑启动 快速安全地进行本地电网分散式黑启动，具有独立组建电网的能力，快速恢复电网，并支持构网型变流器孤岛运行。 港口电能质量治理 上海洋山港 风机惯量支撑改造 山西昔阳 电网频率支撑 英国门迪 源网荷储一体化系统 沙特Amaala景区 海岛微电网 广西涠洲岛 偏远地区微电网 西藏措勤 谢谢Thanks 密级：公开2024Copyright©SUNGROW34