核心提示 近日，國家電網有限公司率先發布“碳達峰、碳中和”行動方案。方案中明確了要加強系統調節能力建設，大力推進抽水蓄能電站和調峰氣電建設，推廣應用大規模儲能裝置。今年2月，國網江蘇省電力有限公司自主研制的變電站超級電容微儲能裝置投運，可快速功率響應、主動抑制電網諧波、靈活調節無功、提高供電可靠性，助力電網運行更加安全可靠。
“自超級電容微儲能裝置投運以來，虎橋變電站供電電壓合格率始終保持在100%，諧波含量降低15.6%，電壓閃變現象也得到根本抑制。有了這套裝置，我們再也不用擔心客戶反映電能質量問題了。” 江蘇南京供電公司運檢部副主任何萍說。2月7日，國網江蘇省電力有限公司自主研制的國內首套變電站超級電容微儲能裝置在南京江北新區110千伏虎橋變電站投運。截至3月8日，該裝置已安全運行29天，為提升南京江北國家級開發區電能質量和供電可靠性發揮了重要作用。
靈活調控，新型儲能裝置讓電網運行更安全
當前，風電和光伏發電機組、直流輸電裝置等電力電子設備在電力系統的大規模應用，顯著縮短了傳統燃煤機組的運行時長，降低了電力消費的碳排放水平。但電力電子發電設備在替代傳統燃煤機組的同時，也同步壓減了電網旋轉備用容量。電力電子化電力系統的低慣量、欠阻尼特征是大電網安全穩定運行面臨的最大挑戰。
儲能技術是目前公認的可以有效提升電網旋轉備用容量的途徑。儲能的方式有很多種，主要包括基于化學方式的鋰電池、鉛酸電池、鉛碳電池等，基于機械方式的飛輪儲能，基于勢能方式的抽水蓄能、壓縮空氣儲能，以及基于電磁場方式的超級電容、超導磁儲能。
江蘇電力科學研究院高級工程師史明明博士介紹，受電化學反應速率的限制，鋰電池、鉛酸電池、鉛碳電池等電化學類儲能系統的功率密度比較小。當發生電網暫態擾動事件功率突變時，電化學儲能系統不能快速地吸收或釋放目標功率，較難滿足系統的動態要求。
超級電容器具有充放電速度快、循環壽命長、安全性高等優勢，尤其適合短時大容量功率需求場景，放電倍率是鋰電池的百倍以上，近年來成為國內外廣泛關注的一種新型儲能元件。超級電容器如果能在電網中應用，可快速釋放能量，“一攬子”解決大擾動情形下電網頻率失穩、電壓暫降等問題。
基于超級電容器的性能優勢，2019年8月，國網江蘇電力設備部組建了電能質量提升專項技術攻關團隊，聚焦電壓暫降、諧波消除等“卡脖子”難題攻關。江蘇電科院專業人員深入現場調研，分析對比技術路線，提出了集諧波抑制、無功補償、暫降治理、儲能等功能于一體的超級電容微儲能技術方案。
為確保項目可行性，攻關團隊先在實驗室完成50千瓦樣機各項功能試驗后，再進行500千瓦超級電容微儲能裝置的研制。該裝置主要由超級電容模塊、電力電子變流器和快速功率控制器三部分組成。快速功率控制器可在10毫秒內完成頻率檢測，電力電子變流器可在2毫秒內實現有功功率的快速、精準支撐，并且電力電子變流器集成了電網諧波主動抑制、無功功率靈活調節功能，讓該裝置成為集儲能與電能質量管理于一體的新型補償裝置。今年2月7日，這套變電站超級電容微儲能裝置投入使用。
試點先行，毫秒級響應讓電網運行更可靠
“江蘇作為長三角重鎮，高端制造業發達，高新技術產業園區眾多，半導體集成電路企業、數據中心等高產值用戶對電能質量的要求很高。如何進一步提升電能質量成為迫在眉睫的難題。”國網江蘇電力設備部副主任景巍巍說。
他介紹，南京江北新區作為江蘇省唯一的國家級新區，是江蘇對接“一帶一路”倡議和長江經濟帶戰略的重要支撐點，用電負荷增長快，對供電可靠性要求高。而110千伏虎橋變電站鄰近長江沿岸、靠近南京科技創新總部大廈，主要供電客戶為大型寫字樓、高新技術研創園、自貿區等，對供電可靠性的要求尤其高。
“超級電容微儲能裝置在江北新區110千伏虎橋變電站投運以來，實時檢測電網運行數據，動態調整電網的無功功率，消除電網超標的諧波電流，補償電網電壓暫降，保障供電質量。有了它的支撐，電網更安全了。”史明明說。他介紹，正常情況下，該裝置以電能質量綜合治理模式運行，保障日常供電質量。而萬一電網發生大波動引起頻率跌落時，該微儲能裝置可以在12毫秒內進入一次調頻模式。傳統發電機組因為機械慣量大，一次調頻響應延遲會達到10秒以上，從而引起故障范圍的擴大。而超級電容微儲能裝置好比“渦輪增壓裝置”，彌補了關鍵時間窗口的功率缺口，使電網的一次調頻過程明顯提速。
前景廣闊，小裝置蘊藏大潛能
截至2020年年底，江蘇電網新能源發電裝機達3217.7萬千瓦，占全省發電總裝機的22.7%。根據國網江蘇電力“十四五”規劃，江蘇電網的新能源發電裝機占比將進一步提升——到2025年年底，江蘇風電總裝機將達到5200萬千瓦、光伏發電總裝機將達到3800萬千瓦，總共將占全省發電總裝機的近50%。高比例新能源接入正給現有電網網架帶來新的問題，電網亟須毫秒級的快速功率支撐裝置。
在發展應用儲能技術提升電網安全運行水平方面，江蘇電網一直在探索。近年來，國網江蘇電力先后建成了大規模源網荷互動系統，并在鎮江、蘇州、淮安等地相繼投運電化學儲能電站，總容量22萬千瓦。電化學儲能在消除新能源波動、降低負荷峰谷差、提高供電設備利用率、提升供電可靠性等方面具有突出優勢，是實現能源供應清潔化、用戶用電智能化、網荷高效互動化的重要手段。而南京江北新區110千伏虎橋變電站超級電容儲能示范工程的成功投運，為安全、經濟、高效的儲能技術應用探索了一條新路。
超級電容微儲能裝置多能合一，具有結構緊湊、占地小的優點，可充分發揮變電站內零星閑散空間資源效能。此外，它還可以替代變電站電容器、電抗器，占地僅為傳統設備的60%，而且電壓曲線控制更平滑，大大提升了變電站的智能化水平。
“超級電容微儲能裝置不僅可以作為電網的‘渦輪增壓裝置’，保障電網的安全穩定運行；也是電網諧波的清除者，能保障用戶的綠色供電；還是配網的‘充電寶’，可在突發電壓暫降時，保障用戶供電不間斷。” 國網江蘇電力設備管理部技術處副處長付慧說。
隨著江蘇產業結構進一步升級、高尖端企業比重不斷提升，超級電容微儲能裝置將有良好的應用市場。超級電容微儲能裝置可在省內變電站、配電站房推廣應用。據國網江蘇電力初步測算，省內變電站的可利用空間具有新增200萬千瓦超級電容微儲能裝機規模的潛力，為超級電容微儲能帶來廣闊應用前景。
作者：本報記者 黃蕾 通訊員 葛雪峰 孫婷 李雙偉
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