变电站超级电容储能尝试毫秒级电网调频

近日，国家电网有限公司率先发布“碳达峰、碳中和”行动方案。方案中明确了要加强系统调节能力建设，大力推进抽水蓄能电站和调峰气电建设，推广应用大规模储能装置。今年2月，国网江苏省电力有限公司自主研制的变电站超级电容微储能装置投运，可快速功率响应、主动抑制电网谐波、灵活调节无功、提高供电可靠性，助力电网运行更加安全可靠。

“自超级电容微储能装置投运以来，虎桥变电站供电电压合格率始终保持在100%，谐波含量降低15.6%，电压闪变现象也得到根本抑制。有了这套装置，我们再也不用担心客户反映电能质量问题了。” 江苏南京供电公司运检部副主任何萍说。2月7日，国网江苏省电力有限公司自主研制的国内首套变电站超级电容微储能装置在南京江北新区110千伏虎桥变电站投运。截至3月8日，该装置已安全运行29天，为提升南京江北国家级开发区电能质量和供电可靠性发挥了重要作用。

灵活调控，新型储能装置让电网运行更安全

当前，风电和光伏发电机组、直流输电装置等电力电子设备在电力系统的大规模应用，显著缩短了传统燃煤机组的运行时长，降低了电力消费的碳排放水平。但电力电子发电设备在替代传统燃煤机组的同时，也同步压减了电网旋转备用容量。电力电子化电力系统的低惯量、欠阻尼特征是大电网安全稳定运行面临的最大挑战。

储能技术是目前公认的可以有效提升电网旋转备用容量的途径。储能的方式有很多种，主要包括基于化学方式的锂电池、铅酸电池、铅碳电池等，基于机械方式的飞轮储能，基于势能方式的抽水蓄能、压缩空气储能，以及基于电磁场方式的超级电容、超导磁储能。

江苏电力科学研究院高级工程师史明明博士介绍，受电化学反应速率的限制，锂电池、铅酸电池、铅碳电池等电化学类储能系统的功率密度比较小。当发生电网暂态扰动事件功率突变时，电化学储能系统不能快速地吸收或释放目标功率，较难满足系统的动态要求。

超级电容器具有充放电速度快、循环寿命长、安全性高等优势，尤其适合短时大容量功率需求场景，放电倍率是锂电池的百倍以上，近年来成为国内外广泛关注的一种新型储能元件。超级电容器如果能在电网中应用，可快速释放能量，“一揽子”解决大扰动情形下电网频率失稳、电压暂降等问题。

基于超级电容器的性能优势，2019年8月，国网江苏电力设备部组建了电能质量提升专项技术攻关团队，聚焦电压暂降、谐波消除等“卡脖子”难题攻关。江苏电科院专业人员深入现场调研，分析对比技术路线，提出了集谐波抑制、无功补偿、暂降治理、储能等功能于一体的超级电容微储能技术方案。

为确保项目可行性，攻关团队先在实验室完成50千瓦样机各项功能试验后，再进行500千瓦超级电容微储能装置的研制。该装置主要由超级电容模块、电力电子变流器和快速功率控制器三部分组成。快速功率控制器可在10毫秒内完成频率检测，电力电子变流器可在2毫秒内实现有功功率的快速、精准支撑，并且电力电子变流器集成了电网谐波主动抑制、无功功率灵活调节功能，让该装置成为集储能与电能质量管理于一体的新型补偿装置。今年2月7日，这套变电站超级电容微储能装置投入使用。

试点先行，毫秒级响应让电网运行更可靠

“江苏作为长三角重镇，高端制造业发达，高新技术产业园区众多，半导体集成电路企业、数据中心等高产值用户对电能质量的要求很高。如何进一步提升电能质量成为迫在眉睫的难题。”国网江苏电力设备部副主任景巍巍说。

他介绍，南京江北新区作为江苏省唯一的国家级新区，是江苏对接“一带一路”倡议和长江经济带战略的重要支撑点，用电负荷增长快，对供电可靠性要求高。而110千伏虎桥变电站邻近长江沿岸、靠近南京科技创新总部大厦，主要供电客户为大型写字楼、高新技术研创园、自贸区等，对供电可靠性的要求尤其高。

“超级电容微储能装置在江北新区110千伏虎桥变电站投运以来，实时检测电网运行数据，动态调整电网的无功功率，消除电网超标的谐波电流，补偿电网电压暂降，保障供电质量。有了它的支撑，电网更安全了。”史明明说。他介绍，正常情况下，该装置以电能质量综合治理模式运行，保障日常供电质量。而万一电网发生大波动引起频率跌落时，该微储能装置可以在12毫秒内进入一次调频模式。传统发电机组因为机械惯量大，一次调频响应延迟会达到10秒以上，从而引起故障范围的扩大。而超级电容微储能装置好比“涡轮增压装置”，弥补了关键时间窗口的功率缺口，使电网的一次调频过程明显提速。

前景广阔，小装置蕴藏大潜能

截至2020年年底，江苏电网新能源发电装机达3217.7万千瓦，占全省发电总装机的22.7%。根据国网江苏电力“十四五”规划，江苏电网的新能源发电装机占比将进一步提升——到2025年年底，江苏风电总装机将达到5200万千瓦、光伏发电总装机将达到3800万千瓦，总共将占全省发电总装机的近50%。高比例新能源接入正给现有电网网架带来新的问题，电网亟须毫秒级的快速功率支撑装置。

在发展应用储能技术提升电网安全运行水平方面，江苏电网一直在探索。近年来，国网江苏电力先后建成了大规模源网荷互动系统，并在镇江、苏州、淮安等地相继投运电化学储能电站，总容量22万千瓦。电化学储能在消除新能源波动、降低负荷峰谷差、提高供电设备利用率、提升供电可靠性等方面具有突出优势，是实现能源供应清洁化、用户用电智能化、网荷高效互动化的重要手段。而南京江北新区110千伏虎桥变电站超级电容储能示范工程的成功投运，为安全、经济、高效的储能技术应用探索了一条新路。

超级电容微储能装置多能合一，具有结构紧凑、占地小的优点，可充分发挥变电站内零星闲散空间资源效能。此外，它还可以替代变电站电容器、电抗器，占地仅为传统设备的60%，而且电压曲线控制更平滑，大大提升了变电站的智能化水平。

“超级电容微储能装置不仅可以作为电网的‘涡轮增压装置’，保障电网的安全稳定运行；也是电网谐波的清除者，能保障用户的绿色供电；还是配网的‘充电宝’，可在突发电压暂降时，保障用户供电不间断。” 国网江苏电力设备管理部技术处副处长付慧说。

随着江苏产业结构进一步升级、高尖端企业比重不断提升，超级电容微储能装置将有良好的应用市场。超级电容微储能装置可在省内变电站、配电站房推广应用。据国网江苏电力初步测算，省内变电站的可利用空间具有新增200万千瓦超级电容微储能装机规模的潜力，为超级电容微储能带来广阔应用前景。