未来总是一个迷人的话题。当谈到数字技术时，水晶球和占卜板都难跟上最新的技术进展。
事实证明，对于电网中一些小部件，预测往往是落后于实际发生的进化。这样的例子很多。然而，确实有一个电网元素作为下一代电网的重要构件，获得了广泛的关注，那就是——储能。
更具体地说，它是电池储能系统（BESS），它在电网中具有相当独特的地位。它可用于输电系统、配电系统、甚至用户侧。它也是使风能和太阳能对电网更加友好的关键因素。电池储能已经被视为可再生资源。因此，行业对于下一代电池储能的预期有很多假设。
不用描述过多的技术，我们只需要知道一个共同点。即：这些可再生资源产生直流电，需要将其转换为交流以供电网使用。也就是说，可再生资源都是基于逆变器的资源，随着电网中这些设备数量的增加，已经成为下一代电网的主要问题。
这些基于逆变器的设备正在大量取代大型旋转机器（如，发电机、汽轮机或燃气轮机）。过去电网正是依赖这些旋转设备所产生的惯性，以保持稳定。惯性是来自这些大型同步机的动能存储（即与电网频率匹配的轴的旋转）。动能存储提供了电源和负载之间的动态平衡。
在开始讨论之前，让我们更深入地了解一下储能发展简史。
南澳大利亚 Dalrymple 变电站和电池储能系统，图片来源：日立能源
01
转型经验
2009年，输配电世界杂志（T&D World）第一次出版了关于储能的增刊。当时的技术主要是抽水蓄能和铅酸电池，增刊围绕可再生能源展开了很多讨论。
又过了十年，当第二个关于储能的增刊问世时，变化是惊人的。储能已经成为电网更复杂应用的一部分，重点已经完全转变。电池储能作为分布式能源的一部分，成为新的游戏规则，并暗示了即将到来的变革。
通过在电网和用户侧同时采用电池储能技术，储能设备进入了电网稳定服务领域。“弹性”开始成为电网的流行词汇，这为电池储能技术开辟了新的机遇。它从一个原来默默无闻的参与者转变为电网的主要力量。
有趣的是，2009 年的增刊曾经援引一家研究机构的预测——全球储能市场将从 2008 年的 3.29 亿美元增长到 2018 年的 41 亿美元以上。
事实确实如此！只不过最终数字远远高于预测。根据最近的《财富》商业报告，2018 年储能市场实际数字已经达到了约 1450 亿美元。该报告还预计，到 2026 年底，全球储能市场支出将达到 2110 亿美元。
电池储能应用绝对是一项快速成长的技术。它将在推动可再生资源脱碳的基础上继续发展。
现在，让我们再回到对基于电力电子、基于逆变器的可再生能源所带来问题的讨论。随着技术进步，一些新的逆变器控制技术可以解决这些问题。
02
“跟网型”与“构网型”逆变器
国家可再生能源实验室（NREL）最近出版了一份技术报告，称“今天的电力系统正在迅速转变为越来越多的非传统能源发电，如风能和太阳能，以及储能设备。” 这些资源通过“电网跟随型”逆变器连接到电网。这是有关下一代储能与风能和太阳能等可再生能源一起走向何方的另一个线索。
我们需要重点谈谈逆变器技术。“跟网型”逆变器跟踪电网的电压、相位以控制其输出。这些“跟网型”逆变器依赖于以下事实，即：电网的电压和频率由惯性源提供稳定（即旋转质量）。“跟网型”逆变器的电池储能无法应对电网的扰动。在系统发生扰动时，这些逆变器通常会关闭输出，直到干扰过去，并且需要在大停电后，先建立系统，然后再重启逆变器的输出。
随着越来越多的大型化石燃料电厂退役并被可再生能源取代，电网需要能够维持其稳定的惯性能源。这就是“构网型”技术发挥作用的地方。“构网型”逆变器可以建立电网或强化现有电网运行。它具有独立的内部频率参考，并允许“构网型”逆变器孤岛运行。
当“构网型”技术与先进的自动化和控制相结合时，就有了“虚拟同步机”。
“虚拟同步机”能够为大型电网提供大量可再生能源运行所需的服务。这就是为什么“构网型”逆变器这种技术创新开始引起人们的兴趣，并获得下一代电网主导地位的原因。
日立能源（前 ABB 电网）电网边缘解决方案高级顾问 John Glassmire 提供了一些“构网型”技术的实际经验，包括在澳大利亚输电网上采用的虚拟同步机。
Glassmire 报告说，“全球部署的大多数电池储能仅能提供部分电网稳定功能，但下一代电池储能——尤其是使用具有虚拟同步机技术的‘构网型’储能技术——对于使可再生能源完全取代基于同步技术的化石能源至关重要。”
“例如，澳大利亚 24% 的电力来自可再生能源，对于这样一个规模的国家来说，这是一项巨大的成就。澳大利亚不断向净零排放迈进，但这些可再生能源的产出是可变的。随着风能和太阳能装机容量的增长，需要新的集成技术。作为推动澳大利亚可再生能源发展承诺的一部分，日立能源参与了储能集成‘商业可再生能源’的南澳大利亚项目 (ESCRI-SA)，为该项目提供了利用微电网技术的大规模电网边缘解决方案。”
图1. ESCRI-SA项目商业模式。其中 ARENA 是澳洲可再生能源局；ElectraNet 是南澳输电网运营商；AGL 是南澳配电网运营商。图片来源：arena.gov.au
根据 Glassmire 的说法，“日立能源于 2018 年在约克半岛下端的一条长辐射型馈线上提供了 30MW 的电池储能。ESCRI-SA 电池储能系统是建立在日立虚拟同步发电机平台上的‘构网型’系统，通过提供惯性、高故障电流、快速电力注入以及有竞争力的市场服务来加强电网。当上游馈线发生故障时，该系统还能够无缝过渡到孤岛运行状态。孤网的电力供应来自附近的 91 兆瓦 Wattle Point 风电场和分布式太阳能。”
图2. 南澳大利亚输电系统示意图。图片来源：arena.gov.au
在 ESCRI-SA 项目完全交付之前，Glassmire 指出：“虚拟同步机为电网提供了极其有价值的服务。它模仿了同步电机和同步调相机等老式技术的行为，但完全是通过电力电子技术实现的。他们甚至可以模拟更复杂和更新的设备，例如用于稳定电网的 STATCOM，同时提供能源和辅助服务。具有虚拟同步机功能的‘构网型’电池储能与一般的具有‘构网型’逆变器系统的电池储能是不同的。其中的自动化和控制是为大型公用电网中使用‘构网型’逆变器的关键要素”。
图3. Dalrymple 储能电站接线示意图。图片来源：arena.gov.au
03
成为热点的“构网型”技术
去年底，澳大利亚宣布了另一个“构网型”储能项目。公用事业公司 AGL 于 2021 年 11 月在托伦斯岛开始建设 250MW/250MWh “构网型”电池储能项目。电池将由瓦锡兰提供，100 多台“构网型”逆变器由 SMA 提供。项目预计在 2023 年初全面投入使用。AGL 表示，电池储能未来将增加到 1,000 MWh. 他们希望该项目可以参与澳大利亚的国家电力市场。
随着人们对“构网型”技术的兴趣不断扩大，美国能源部 (DOE) 宣布将为政府和社会资本合作的通用“构网型”逆变器联盟 (UNIFI) 提供 2500 万美元的资金。美国能源部表示：“该联盟汇集了领先的研究人员、行业利益相关者、公用事业公司和系统运营商，以推进‘构网型’技术。” 该联盟将由国家可再生能源实验室（NREL）、美国电力科学研究院（EPRI）和华盛顿大学领导。
联盟的主要任务之一是为基于逆变器的下一代电网所需的硬件开发互操作标准。互操作性是任何新兴技术的关键问题。我们已经注意到，如果新技术要被电力系统所接受，它们就必须满足互操作性。这就是丹佛斯、伊顿、通用电气、日立能源、施耐德电气、西门子能源、SMA等众多制造商对通用“构网型”逆变器联盟项目感兴趣的原因。
综上所述，下一代电网需要基于逆变器的电池储能。风能、太阳能和电池储能资源的渗透率正在增加，并引发有关电网稳定的关注。当这三种资源超过 60% 或更多时，电网运营商就会感到紧张。老式的基于逆变器的技术无法提供与大型旋转电机发电类似的惯性以及负载稳定性。
然而，“构网型”逆变器可用于解决这些问题，这些问题发生的概率比预期的要高。
在清洁能源取代以化石为燃料的大型旋转机器时，“构网”是为了增加虚拟惯性。基于此，下一代电网的“构网型”电池储能将起到关键作用！
