南瑞继保研究院副总工刘为群：支持清洁能源消纳的电池储能关键技术

2021年11月15日，中国新能源发展论坛在盐城召开。

本次论坛由中国电力企业联合会和盐城市人民政府共同主办，论坛以“双碳赋能、智领未来”为主题，旨在持续搭建新能源领域交流合作平台，围绕发展前景、机遇挑战、技术前言、行业热点等议题共同研讨、集思广益，加快推动新能源产业转型升级，助力早日实现碳达峰、碳中和目标。

近年来，盐城积极践行“四个革命，一个合作”能源安全新战略和贯彻落实“2030碳达峰，2060碳中和”的双碳目标，致力于打造引领全球新能源产业发展的风向标和要素资源对接的新高地，一座国际绿色能源之城正在快速崛起。

南瑞继保研究院副总工刘为群出席论坛并致辞，如下为发言实录：

各位领导、各位专家，各位朋友，大家下午好，我汇报的题目是《支持清洁能源消纳的关键储能技术》，主要是储能中的关键技术进行分享和汇报，不对的地方请批评指正。

首先是清洁能源大发展背景给电力系统带来的挑战。我国最高领导人习近平总书记在不到6个月的时间内三次提出三大目标：2030年碳达峰、2060碳中和，2030年新能源装机达到12亿千瓦，最后构建以新能源为主体的新型电力系统。这说明了新能源上升到国家战略的高度，国家出台一系列的配套政策。

但是，电力系统原来接的是常规电源：火电、水电，少数燃机。新能源接入之后有很多问题。首先是新能源大量并网之后常规可调电源占比被压降。新能源本身是波动的，也是间歇的，满足不了调节的要求。电网如何维持功率平衡？负荷变化之后频率一定变化，频率变化之后偏离额定值50赫兹之后，平衡受到了破坏，于是调电源，靠频率调电源。新能源过去不参与调频调压，本身还有很多困难。

再者，新能源发电设备大多是电流特性、系统电压稳定问题等比较突出。新能源发电设备大多数是电子变换器，一个小的同等的扰动对未来新能源电力系统会产生的频率和电压偏差比现在电网大很多。这些是带来的问题。

问题可以分为两个方面，在毫秒级安全稳定问题，一是扰动，电力系统是否可以安全稳定。另外安全稳定不是问题的情况下，也有能源的匹配问题，负荷一段时间内所消耗的能量，这段时间内新能源是否可以供上？如果不行的话就需要储能手段，等等这一系列提出问题需要我们解决。

储能的特点是能为清洁能源消纳，能够为电网提出解决方案，不是唯一的解决方案，但可以解决问题。

其中三个方面可以起到作用，首先以光伏发电为例，用储能重塑外特性。第二，储能构网型控制技术，第三储能系统稳定安全。

蓝色的曲线是光伏发电正常理想的，红线是实际的光伏曲线，该光伏曲线发电并入电网对电网的挑战非常大。为什么？上去和下来都有随机性，对电网调度带来很大的问题，怎么办？有了储能后，我们用储能重塑外特性，不可控和不可预测的部分避免掉，让它可控可预测，利用储能后设定两档功率：P1和P2。假设早上6点光照开始的时候，这时候跟着光伏电站发电，这方面不控。当到了P1设定值的时候，往后给电网注入发电的功率不再变化，光伏发电多出来的部分充到电池中。往前走这时候一片云过来，这个系统的并网功率不变，变化是在上面，储能充电功率变化了而已。到T2点之后，到T3是光伏发电结束之后，T2到T3让并网功率由P1线性下降到P2，这里的功率不够靠储能电来天比。后面用P2功率发，就可以计算出发电的时间。控制后面T3点之后的时间，如果大于30分钟的话给调度工作有两个15分钟的时间，调度完全可以预期后面的电源下去后调其他电源来补偿，光伏发电除了T1到T2，后面一直是T1到T2是P1发电，T2到T3是下降曲线，T3之后是P2，T4就发完电。光伏发电任何变化都变成对电池储能和对电池放电的变化，发电功率不变。最后变成了发电的光照变成了T4停在哪一个地方。光伏不可控的发电变成了可控的发电，对电网调度来讲非常有价值。

另外也可以设置成一个功率点，到T1之后一直以P1的功率发到T4停下来，要求上面的部分多一点，这样可以把光伏拉平，这对建设投资要求比较高。最后光伏的变化影响了最后停止的时间是缩短了还是超前了，还是延迟了，这对调度来讲非常好。

总之。光伏发电量输出时间两个维度可调，P1和P2是我设定的。第二，T4结束的时间点是根据这样的设定决定。在光伏发电期间，通过储能的配合，光伏的波动对电网没有影响，解决了间歇性和波动性问题。再者，发电时长可以定制，需要发电时间长一点储能配得大一点，P1功率降低。效果是并网功率没有随机波动，这里的时长可以控制，只要半小时之前知道时长就可以合理调度其他电源。不同的电站可以通过储能系统把下降的曲线调整，用储能重塑新能源光伏发电的外特性。

第二，储能构网型技术，大电网频率要维持正常值，这些才能符合负荷要求，电源的质量才符合要求。系统稳定要有储备和支撑，未来新能源为主体的电力系统需求是什么？我们常规电源少了之后，需要一些角色承担，惯量和阻尼承担电压支撑角色。常规电源少了，要承担调频任务角色，主席是惯量、阻尼和支撑电压。储能系统可以干什么？通过你控制提供惯量和阻尼，我们过去没有做，所以能提供技术的构网型是储能非常重要的控制策略，希望大家注意。

常规的变流器是右上角的图，最后的控制环是维持某一个电流，这个电流不变，如果系统就扰动的时候，电压差增加了，降在Zg电流必然增大，输出的功率增大，这时候会调电流，不支持稳定。整个电网的并网电源都有恒定的电压，不能下去，如果这样的话，系统电压掉一半，所有的电源掉一半，整个系统就跨掉了，没有支撑。构网型的储能是不能用电流原型，或者调节范围足够大支撑电压。于是变成了下面的图，当外面的电压掉下去之后，使得输出电压被拉低的时候就增加力，这是电压源的特性，把电力电子设备回归到支撑电压稳定，这对电网有很大的贡献。它如何实现的？在控制环节模仿同同步机的模型，提出恒定电压源，模拟惯量，用惯量的方式转移过去，该系统就能够支撑电网。首先是支撑电网，第二是有惯量维持不同变流器之间的功率分配，这样的系统叫做构网型（Grid forming）。另外一个是跟踪型，这是国内很多大学研究的技术。国外标准规范都有了，国外还比较少。

构网型有什么特性？首先是以输出电压恒等为目标，以电压无功下垂曲线作为微调。另外，过渡过程模拟同步机的惯量和阻尼，如果做得好就像同步机。在构网型的设备中惯量、阻尼、调频，前三个量是通过参数整定实现，构网型储能模拟同步发电机，我们可以限制电流，避免了系统的短路电流超标，所以能够模拟发电机，胜过同步发电机。称之为电力电子发电机或者柔性发电机。

有了构网型在故障时支撑，平时参与一次调频和调压，这和构网型一样，也可以参与二次调频和调压，还有稳控，这些常规都可以做到。

最后储能系统的主动安全，储能系统出了一些事故，业界对安全问题非常关注。储能涉及到几个方面：电池、系统，我们是作为应用方集成方来讲，电池质量控不了，但电池如何用、系统如何构成，我们有一些思考。比如电池集成方面，从模组到系统，结构、散热的设计要做得非常精细，设计不好，电池将来长期运行很难保证安全。这些仅仅是基础，电池终归不会都很好，总有个别有质量问题会失效，如果不发现失效就是热失控，容易喷发和起火。我们需要用主动安全策略，过去我们对电池做过安全保护，比如电信的过压欠压会停机，但我们认为不够。电池正常工作是30度以内，热失控是200度以上。如果在非常短的时间内，从正常运行的30度一秒钟到40度这说明了什么问题？等等这里可以提供很多信息，我们找到变化量，特别是突变量提前识别电池发生异常，提前介入避免热失控进一步发展。热失控一般是充电过程中，还有充得过多之后静止在那里也会热失控，如果充电过程中热失控尽快停下来可能会降下来，某种意义可以减少一定概率的电池热失控，所以主动安全策略有很多工作需要做，我们正在做这样的事，请大家多关注。

再者系统安全策略，电池直流之后是交流，有低压到高压，整个系统的保护非常重要，特别是BMS信号出来之后，我们要把整个系统停下来，首先要通知PCS和EMS，我们有全套没有死区的保护，最后当起火的时候要配消防，消防仅仅是后面防止事故扩大，一旦起火电池系统可能不会有用了。消防只是避免它对好的系统有影响，不能够保护电池。所以我认为有些投资非常大的方案能解决一些问题，但有过度配置的嫌疑。消防方面主要是多维感知，比如可燃气体，烟感和温感，这些有具体规定。关键是电池的爆炸，电池系统的爆炸非常不容易，我们出现过几次爆炸事故是可燃气体的爆炸，无论是美国还是北京。防爆排风非常重要，如果不做好，其他手段解决不了爆炸的问题。我们建议防爆排风非常重要。

最后小结。先进储能技术支撑清洁能源消纳方面的作用。通过储能配置重塑光伏发电的外特性，一定减少光伏波动性、间歇性对于电网的冲击。构网型储能通过对电网支撑提升电网稳定性。储能消防方面，主动安全是根本，消防是补救。所以通过主动安全策略尽量避免或者减少电池热失控。

关于未来储能系统的角色定位，过去储能只是充电宝，从提出构建以新能源为主体的新型电力系统之后调节手段没有了，储能要有新的定位，即要支撑电网。对于电网储能是未来新能源为主体的电网稳定控制和调节的工具，这个重要性越来越高。常规发电要提高其灵活性，通过储能辅助调频也可以提高灵活性。

我主要汇报这些内容，感谢大家，不对地方请批评指正。