國網(wǎng)江蘇電力自主研發(fā)應(yīng)用變電站超級電容微儲能裝置

　　核心提示 近日，國家電網(wǎng)有限公司率先發(fā)布“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案。方案中明確了要加強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力建設(shè)，大力推進(jìn)抽水蓄能電站和調(diào)峰氣電建設(shè)，推廣應(yīng)用大規(guī)模儲能裝置。今年2月，國網(wǎng)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(yīng)、主動抑制電網(wǎng)諧波、靈活調(diào)節(jié)無功、提高供電可靠性，助力電網(wǎng)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(xiàn)象也得到根本抑制。有了這套裝置，我們再也不用擔(dān)心客戶反映電能質(zhì)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(wǎng)江蘇省電力有限公司自主研制的國內(nèi)首套變電站超級電容微儲能裝置在南京江北新區(qū)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(fā)區(qū)電能質(zhì)量和供電可靠性發(fā)揮了重要作用。

　　靈活調(diào)控，新型儲能裝置讓電網(wǎng)運行更安全

　　當(dāng)前，風(fēng)電和光伏發(fā)電機組、直流輸電裝置等電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，顯著縮短了傳統(tǒng)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(fā)電設(shè)備在替代傳統(tǒng)燃煤機組的同時，也同步壓減了電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量。電力電子化電力系統(tǒng)的低慣量、欠阻尼特征是大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨的最大挑戰(zhàn)。

　　儲能技術(shù)是目前公認(rèn)的可以有效提升電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量的途徑。儲能的方式有很多種，主要包括基于化學(xué)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(dǎo)磁儲能。

　　江蘇電力科學(xué)研究院高級工程師史明明博士介紹，受電化學(xué)反應(yīng)速率的限制，鋰電池、鉛酸電池、鉛碳電池等電化學(xué)類儲能系統(tǒng)的功率密度比較小。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)暫態(tài)擾動事件功率突變時，電化學(xué)儲能系統(tǒng)不能快速地吸收或釋放目標(biāo)功率，較難滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求。

　　超級電容器具有充放電速度快、循環(huán)壽命長、安全性高等優(yōu)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(nèi)外廣泛關(guān)注的一種新型儲能元件。超級電容器如果能在電網(wǎng)中應(yīng)用，可快速釋放能量，“一攬子”解決大擾動情形下電網(wǎng)頻率失穩(wěn)、電壓暫降等問題。

　　基于超級電容器的性能優(yōu)勢，2019年8月，國網(wǎng)江蘇電力設(shè)備部組建了電能質(zhì)量提升專項技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊，聚焦電壓暫降、諧波消除等“卡脖子”難題攻關(guān)。江蘇電科院專業(yè)人員深入現(xiàn)場調(diào)研，分析對比技術(shù)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(shù)方案。

　　為確保項目可行性，攻關(guān)團(tuán)隊先在實驗室完成50千瓦樣機各項功能試驗后，再進(jìn)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(nèi)完成頻率檢測，電力電子變流器可在2毫秒內(nèi)實現(xiàn)有功功率的快速、精準(zhǔn)支撐，并且電力電子變流器集成了電網(wǎng)諧波主動抑制、無功功率靈活調(diào)節(jié)功能，讓該裝置成為集儲能與電能質(zhì)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(yīng)讓電網(wǎng)運行更可靠

　　“江蘇作為長三角重鎮(zhèn)，高端制造業(yè)發(fā)達(dá)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)眾多，半導(dǎo)體集成電路企業(yè)、數(shù)據(jù)中心等高產(chǎn)值用戶對電能質(zhì)量的要求很高。如何進(jìn)一步提升電能質(zhì)量成為迫在眉睫的難題。”國網(wǎng)江蘇電力設(shè)備部副主任景巍巍說。

　　他介紹，南京江北新區(qū)作為江蘇省唯一的國家級新區(qū)，是江蘇對接“一帶一路”倡議和長江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略的重要支撐點，用電負(fù)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(chuàng)新總部大廈，主要供電客戶為大型寫字樓、高新技術(shù)研創(chuàng)園、自貿(mào)區(qū)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(qū)110千伏虎橋變電站投運以來，實時檢測電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整電網(wǎng)的無功功率，消除電網(wǎng)超標(biāo)的諧波電流，補償電網(wǎng)電壓暫降，保障供電質(zhì)量。有了它的支撐，電網(wǎng)更安全了。”史明明說。他介紹，正常情況下，該裝置以電能質(zhì)量綜合治理模式運行，保障日常供電質(zhì)量。而萬一電網(wǎng)發(fā)生大波動引起頻率跌落時，該微儲能裝置可以在12毫秒內(nèi)進(jìn)入一次調(diào)頻模式。傳統(tǒng)發(fā)電機組因為機械慣量大，一次調(diào)頻響應(yīng)延遲會達(dá)到10秒以上，從而引起故障范圍的擴(kuò)大。而超級電容微儲能裝置好比“渦輪增壓裝置”，彌補了關(guān)鍵時間窗口的功率缺口，使電網(wǎng)的一次調(diào)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(wǎng)新能源發(fā)電裝機達(dá)3217.7萬千瓦，占全省發(fā)電總裝機的22.7%。根據(jù)國網(wǎng)江蘇電力“十四五”規(guī)劃，江蘇電網(wǎng)的新能源發(fā)電裝機占比將進(jìn)一步提升——到2025年年底，江蘇風(fēng)電總裝機將達(dá)到5200萬千瓦、光伏發(fā)電總裝機將達(dá)到3800萬千瓦，總共將占全省發(fā)電總裝機的近50%。高比例新能源接入正給現(xiàn)有電網(wǎng)網(wǎng)架帶來新的問題，電網(wǎng)亟須毫秒級的快速功率支撐裝置。

　　在發(fā)展應(yīng)用儲能技術(shù)提升電網(wǎng)安全運行水平方面，江蘇電網(wǎng)一直在探索。近年來，國網(wǎng)江蘇電力先后建成了大規(guī)模源網(wǎng)荷互動系統(tǒng)，并在鎮(zhèn)江、蘇州、淮安等地相繼投運電化學(xué)儲能電站，總?cè)萘?2萬千瓦。電化學(xué)儲能在消除新能源波動、降低負(fù)荷峰谷差、提高供電設(shè)備利用率、提升供電可靠性等方面具有突出優(yōu)勢，是實現(xiàn)能源供應(yīng)清潔化、用戶用電智能化、網(wǎng)荷高效互動化的重要手段。而南京江北新區(qū)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(jīng)濟(jì)、高效的儲能技術(shù)應(yīng)用探索了一條新路。

　　超級電容微儲能裝置多能合一，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地小的優(yōu)點，可充分發(fā)揮變電站內(nèi)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(tǒng)設(shè)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(wǎng)的‘渦輪增壓裝置’，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行;也是電網(wǎng)諧波的清除者，能保障用戶的綠色供電;還是配網(wǎng)的‘充電寶’，可在突發(fā)電壓暫降時，保障用戶供電不間斷。” 國網(wǎng)江蘇電力設(shè)備管理部技術(shù)處副處長付慧說。

　　隨著江蘇產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步升級、高尖端企業(yè)比重不斷提升，超級電容微儲能裝置將有良好的應(yīng)用市場。超級電容微儲能裝置可在省內(nèi)變電站、配電站房推廣應(yīng)用。據(jù)國網(wǎng)江蘇電力初步測算，省內(nèi)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(guī)模的潛力，為超級電容微儲能帶來廣闊應(yīng)用前景。