在海拔近3000米的青海省海南藏族自治州生態(tài)太陽(yáng)能發(fā)電園區(qū)里，一座占地約26畝的儲(chǔ)能電站，似光伏“藍(lán)海”中的白色“海浪”，格外醒目。

這是由中國(guó)華能集團(tuán)有限公司青海分公司（以下簡(jiǎn)稱“華能青海公司”）投資開(kāi)發(fā)、中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“清能院”）研發(fā)承建的華能海南州150兆瓦/600兆瓦時(shí)儲(chǔ)能電站（以下簡(jiǎn)稱“海南州儲(chǔ)能電站”）。

儲(chǔ)能是解決清潔能源消納、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、構(gòu)建高比例清潔能源新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。海南州儲(chǔ)能電站采用35千伏高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)，日前已順利并網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。這是目前全球海拔最高、規(guī)模最大的高壓直掛儲(chǔ)能電站。

高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)與傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)有什么不同？該技術(shù)能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)哪些改變？在高海拔地區(qū)應(yīng)用該技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？讓我們一起探尋海南州儲(chǔ)能電站建設(shè)背后的故事。

“電力調(diào)配師”削峰填谷、優(yōu)化電能配置

對(duì)于華能青海公司儲(chǔ)能電站電氣專業(yè)工程師朱萬(wàn)良來(lái)說(shuō)，今年國(guó)慶假期的關(guān)鍵詞無(wú)疑是“忙碌”二字。

“海南州儲(chǔ)能電站并網(wǎng)，并不意味著它開(kāi)始參與電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)作。9月以來(lái)，我們先后進(jìn)行了8輪次滿功率充放電測(cè)試，這是儲(chǔ)能電站正式投運(yùn)前要完成的重點(diǎn)工作之一。從目前測(cè)試結(jié)果看，電站運(yùn)行效果良好，接下來(lái)還將對(duì)電站的穩(wěn)定性、可靠性等進(jìn)行測(cè)試。”朱萬(wàn)良告訴記者，該儲(chǔ)能電站高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)是華能青海公司目前使用的最大儲(chǔ)能單體設(shè)備。為了確保設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行，需要開(kāi)展的并網(wǎng)測(cè)試內(nèi)容也比往常多。

據(jù)了解，海南州儲(chǔ)能電站共有78個(gè)高壓直掛儲(chǔ)能交直流一體艙和6個(gè)并網(wǎng)集裝箱，它們構(gòu)成了6套高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有系統(tǒng)電壓等級(jí)高、單機(jī)容量大、交直流并聯(lián)數(shù)量少、通訊層級(jí)少等特點(diǎn)。每套系統(tǒng)單機(jī)容量達(dá)25兆瓦/100兆瓦時(shí)。這意味著，若按每戶每天使用10度電來(lái)計(jì)算，6套設(shè)備充電一次所儲(chǔ)存的60萬(wàn)千瓦時(shí)電量，可供6萬(wàn)戶家庭使用1天。

選擇在青海建設(shè)高壓直掛儲(chǔ)能電站，與當(dāng)?shù)靥赜械哪茉捶A賦有關(guān)。

青海的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源得天獨(dú)厚，是我國(guó)重要的清潔能源生產(chǎn)基地。近年來(lái)，當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉窗l(fā)展成效顯著。截至今年6月底，該省電網(wǎng)總裝機(jī)容量超5700萬(wàn)千瓦，其中水電、光伏、光熱、風(fēng)電等清潔能源年發(fā)電量占比快速提升，成為全國(guó)率先實(shí)現(xiàn)清潔能源發(fā)電量占比超過(guò)50%的省份。

在大力發(fā)展清潔能源的同時(shí)，如何應(yīng)對(duì)清潔能源高比例接入給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，成為一道亟待解決的“必答題”。

“挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在清潔能源產(chǎn)銷(xiāo)錯(cuò)配上。”清能院儲(chǔ)能技術(shù)部?jī)?chǔ)能技術(shù)研發(fā)主管成前解釋道，青海清潔能源中光伏占比最高，易呈現(xiàn)出“夏豐冬枯”“晝盈夜虧”的特點(diǎn)，使得電能供應(yīng)波動(dòng)明顯，峰谷幅差大。而在電能生產(chǎn)消納上，清潔能源的供需空間不匹配，資源富集區(qū)與用電負(fù)荷中心逆向分布，光伏發(fā)電時(shí)間也無(wú)法完全滿足工業(yè)負(fù)荷要求。“海南州儲(chǔ)能電站就像一位‘電力調(diào)配師’，能夠通過(guò)加快電網(wǎng)側(cè)和電源側(cè)儲(chǔ)能建設(shè)，有效平抑青海清潔能源發(fā)電供應(yīng)的波動(dòng)性和間歇性問(wèn)題，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、電力輔助等服務(wù)。”

要游刃有余地駕馭青海豐富的清潔能源并非易事，“電力調(diào)配師”必須掌握一些特殊本領(lǐng)才行。

成前告訴記者，海南州儲(chǔ)能電站不僅可實(shí)現(xiàn)單機(jī)獨(dú)立接受電網(wǎng)調(diào)控，還可以在提升電池容量利用率、解決電池并聯(lián)安全問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率、響應(yīng)速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，更適用于未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能電站應(yīng)用。

新技術(shù)讓儲(chǔ)能構(gòu)型簡(jiǎn)化、效率提升、響應(yīng)提速

以往，行業(yè)內(nèi)普遍采用低壓集中式架構(gòu)技術(shù)路線，即由大量電池單體通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)合的方式，輸出1000—1500伏左右直流電壓，隨后經(jīng)過(guò)功率逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，再借助工頻變壓器完成升壓，最終接入電網(wǎng)。海南州儲(chǔ)能電站所采用的35千伏高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)，與傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)截然不同。

新技術(shù)有什么突出優(yōu)勢(shì)？華能青海公司儲(chǔ)能電站項(xiàng)目經(jīng)理郝卓龍向記者提起一項(xiàng)紀(jì)錄：不到3個(gè)月——海南州儲(chǔ)能電站從開(kāi)工澆筑第一罐混凝土到具備受電條件的時(shí)間，創(chuàng)下了全國(guó)高海拔地區(qū)儲(chǔ)能電站建設(shè)速度的新紀(jì)錄。

“這項(xiàng)紀(jì)錄的誕生，得益于高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了大型儲(chǔ)能電站的構(gòu)建方案。”郝卓龍算了一筆賬，建設(shè)一座150兆瓦/600兆瓦時(shí)儲(chǔ)能電站，如采用低壓儲(chǔ)能技術(shù)，需85—800臺(tái)功率逆變?cè)O(shè)備進(jìn)行并聯(lián)，不僅系統(tǒng)復(fù)雜程度高，且存在低頻或?qū)掝l振蕩風(fēng)險(xiǎn)。要達(dá)到同樣容量，只需要6套采用高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)的設(shè)備，建設(shè)速度自然較快。

記者了解到，海南州儲(chǔ)能電站內(nèi)少了用于“升壓”的工頻變壓器，系統(tǒng)效率提升4%—6%，充放循環(huán)平均效率可達(dá)91%以上。郝卓龍介紹，對(duì)于一座150兆瓦/600兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能電站而言，儲(chǔ)能效率的這一變化，意味著10年可節(jié)約電費(fèi)約2500萬(wàn)元。

不僅如此，高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用使海南州儲(chǔ)能電站整體控制架構(gòu)簡(jiǎn)化，可直接響應(yīng)調(diào)控指令，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)10毫秒內(nèi)充放電快速響應(yīng)，靈敏度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。易于實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能，25兆瓦/100兆瓦時(shí)的超大單機(jī)容量更易構(gòu)建大容量?jī)?chǔ)能電站，以提供強(qiáng)勁的電網(wǎng)支撐力。

每一項(xiàng)新技術(shù)的誕生，都離不開(kāi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的辛勤付出，35千伏高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)也不例外。從2021年7月開(kāi)始，清能院就已經(jīng)聯(lián)合相關(guān)高校、企業(yè)開(kāi)始了這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。

儲(chǔ)能電站的核心組件是電池。清能院結(jié)合多年的儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和工程項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將如何用好電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)效率、安全性等關(guān)鍵指標(biāo)提升的切入點(diǎn)。

“電池所能儲(chǔ)存的電荷量，會(huì)隨著時(shí)間的推移和使用次數(shù)的增加不斷減少，這就是電池容量衰減。為了保證輸出功率和容量，傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)要串聯(lián)、并聯(lián)大量電池，如此一來(lái)不僅會(huì)加速容量衰減，還可能因?yàn)殡娦緝?nèi)部參數(shù)差異、電池放電深度不同，影響電池簇間電壓，導(dǎo)致環(huán)流損耗或電芯過(guò)充情況的出現(xiàn)。”成前介紹，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)電池進(jìn)行分散式精細(xì)化控制，將各電池簇獨(dú)立通過(guò)功率單元進(jìn)行逆變，串聯(lián)后直接形成高壓接入電網(wǎng)，即“直掛”。“以功率單元交流側(cè)串聯(lián)取代電池并聯(lián)，每個(gè)功率單元都具備獨(dú)立的控制和管理功能，杜絕了電池簇間環(huán)流，大幅提升儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命與投資經(jīng)濟(jì)性。”

對(duì)電池進(jìn)行分散式精細(xì)化控制只是第一步，受低壓集中式架構(gòu)的固有限制，傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)存在一些不足。比如，工頻變壓器在充放電運(yùn)行時(shí)需要2小時(shí)或4小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行工況與配電系統(tǒng)相比更為惡劣，導(dǎo)致故障率升高，也會(huì)提高損耗率。同時(shí)，低壓集中式架構(gòu)限制了功率逆變器的單機(jī)容量，大量逆變器并聯(lián)，模塊間存在高頻環(huán)流問(wèn)題和振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

為了突破這些限制，成前說(shuō)研究團(tuán)隊(duì)做了一回“加減法”，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電磁兼容、絕緣設(shè)計(jì)、控制方法、故障旁路與容錯(cuò)控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、測(cè)試方案等關(guān)鍵問(wèn)題的技術(shù)攻關(guān)，從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)取代了工頻變壓器的作用，使低壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換為高壓。

“安全衛(wèi)士”守護(hù)電站安全穩(wěn)定運(yùn)行

在高海拔缺氧的環(huán)境下建設(shè)施工，郝卓龍笑稱“靠的是專業(yè)能力，拼的是意志品質(zhì)”。要幫助海南州儲(chǔ)能電站適應(yīng)高原天氣條件，需要耐心細(xì)致的修正。

絕緣和電氣間隙在保證電器安全中起著重要作用。隨著海拔的升高，空氣密度、安全系數(shù)與抗電磁干擾能力都會(huì)隨之變化。

考慮到海南州儲(chǔ)能電站海拔超過(guò)了3000米，研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)對(duì)絕緣和電氣間隙進(jìn)行了修正，并保留一定裕量，以確保儲(chǔ)能電站在高海拔條件下安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

修正只是確保海南州儲(chǔ)能電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的其中一環(huán)。圍繞安全、穩(wěn)定，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了“安全衛(wèi)士”。

首先，高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)在安全性能上的優(yōu)勢(shì)，提供了高效的控制和保護(hù)系統(tǒng)管理，規(guī)避了電池串并聯(lián)的不穩(wěn)定性，并通過(guò)電池簇的運(yùn)行均衡控制避免電池過(guò)充過(guò)放。

其次，結(jié)合電芯發(fā)展趨勢(shì)和熱管理技術(shù)優(yōu)化，清能院迭代升級(jí)了適用于能量密度更高的314安時(shí)大電芯液冷系統(tǒng)，能夠保證電池運(yùn)行溫度始終處于最佳范圍，以進(jìn)一步提高電池的安全性。

第三，項(xiàng)目采用了多層級(jí)的消防系統(tǒng)。除了采用傳統(tǒng)的全氟己酮儲(chǔ)能消防系統(tǒng)，還配備了更適合電池設(shè)備的水基壓縮空氣泡沫消防以及站級(jí)水消防，筑牢儲(chǔ)能電站安全底線。

值得一提的是，故障旁路與容錯(cuò)控制的應(yīng)用，從電力電子層面為儲(chǔ)能電站提供了保障，這也是清能院針對(duì)高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)專門(mén)研制、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。

“以往遇到單個(gè)功率變換單元部件故障，可能需要整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)，待排查修復(fù)后再重新啟動(dòng)。有了故障旁路與容錯(cuò)控制就靈活許多。”成前解釋，故障旁路與容錯(cuò)控制為電站運(yùn)行提供一定冗余空間，若只是單個(gè)部件故障，會(huì)第一時(shí)間判斷發(fā)生位置、繞開(kāi)問(wèn)題部件以確保整體穩(wěn)定暢通運(yùn)行。同時(shí)進(jìn)行評(píng)估登記，待定期運(yùn)行維護(hù)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一更換。

“高壓直掛儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)一步提升儲(chǔ)能電站安全性，減少運(yùn)維操作頻次，這對(duì)發(fā)展先進(jìn)儲(chǔ)能、開(kāi)發(fā)綠色能源、打造清潔能源產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)意義重大。”成前說(shuō)。