在海拔近3000米的青海省海南藏族自治州生態太陽能發電園區里，一座占地約26畝的儲能電站，似光伏“藍海”中的白色“海浪”，格外醒目。
這是由中國華能集團有限公司青海分公司（以下簡稱“華能青海公司”）投資開發、中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司（以下簡稱“清能院”）研發承建的華能海南州150兆瓦/600兆瓦時儲能電站（以下簡稱“海南州儲能電站”）。
儲能是解決清潔能源消納、提高電網穩定性、構建高比例清潔能源新型電力系統的關鍵支撐技術。海南州儲能電站采用35千伏高壓直掛儲能技術，日前已順利并網并實現滿功率運行。這是目前全球海拔最高、規模最大的高壓直掛儲能電站。
高壓直掛儲能技術與傳統儲能技術有什么不同？該技術能夠對儲能系統帶來哪些改變？在高海拔地區應用該技術面臨哪些挑戰？讓我們一起探尋海南州儲能電站建設背后的故事。
“電力調配師”削峰填谷、優化電能配置
對于華能青海公司儲能電站電氣專業工程師朱萬良來說，今年國慶假期的關鍵詞無疑是“忙碌”二字。
“海南州儲能電站并網，并不意味著它開始參與電網的調度運作。9月以來，我們先后進行了8輪次滿功率充放電測試，這是儲能電站正式投運前要完成的重點工作之一。從目前測試結果看，電站運行效果良好，接下來還將對電站的穩定性、可靠性等進行測試。”朱萬良告訴記者，該儲能電站高壓直掛儲能系統是華能青海公司目前使用的最大儲能單體設備。為了確保設備安全平穩運行，需要開展的并網測試內容也比往常多。
據了解，海南州儲能電站共有78個高壓直掛儲能交直流一體艙和6個并網集裝箱，它們構成了6套高壓直掛儲能系統，具有系統電壓等級高、單機容量大、交直流并聯數量少、通訊層級少等特點。每套系統單機容量達25兆瓦/100兆瓦時。這意味著，若按每戶每天使用10度電來計算，6套設備充電一次所儲存的60萬千瓦時電量，可供6萬戶家庭使用1天。
選擇在青海建設高壓直掛儲能電站，與當地特有的能源稟賦有關。
青海的太陽能、風能資源得天獨厚，是我國重要的清潔能源生產基地。近年來，當地清潔能源發展成效顯著。截至今年6月底，該省電網總裝機容量超5700萬千瓦，其中水電、光伏、光熱、風電等清潔能源年發電量占比快速提升，成為全國率先實現清潔能源發電量占比超過50%的省份。
在大力發展清潔能源的同時，如何應對清潔能源高比例接入給電網安全穩定運行帶來的挑戰，成為一道亟待解決的“必答題”。
“挑戰主要體現在清潔能源產銷錯配上。”清能院儲能技術部儲能技術研發主管成前解釋道，青海清潔能源中光伏占比最高，易呈現出“夏豐冬枯”“晝盈夜虧”的特點，使得電能供應波動明顯，峰谷幅差大。而在電能生產消納上，清潔能源的供需空間不匹配，資源富集區與用電負荷中心逆向分布，光伏發電時間也無法完全滿足工業負荷要求。“海南州儲能電站就像一位‘電力調配師’，能夠通過加快電網側和電源側儲能建設，有效平抑青海清潔能源發電供應的波動性和間歇性問題，為電網提供調峰、調頻、電力輔助等服務。”
要游刃有余地駕馭青海豐富的清潔能源并非易事，“電力調配師”必須掌握一些特殊本領才行。
成前告訴記者，海南州儲能電站不僅可實現單機獨立接受電網調控，還可以在提升電池容量利用率、解決電池并聯安全問題的基礎上，進一步提升系統效率、響應速度和系統穩定性，更適用于未來大規模儲能電站應用。
新技術讓儲能構型簡化、效率提升、響應提速
以往，行業內普遍采用低壓集中式架構技術路線，即由大量電池單體通過串聯、并聯結合的方式，輸出1000—1500伏左右直流電壓，隨后經過功率逆變器轉換成交流電，再借助工頻變壓器完成升壓，最終接入電網。海南州儲能電站所采用的35千伏高壓直掛儲能技術，與傳統儲能技術截然不同。
新技術有什么突出優勢？華能青海公司儲能電站項目經理郝卓龍向記者提起一項紀錄：不到3個月——海南州儲能電站從開工澆筑第一罐混凝土到具備受電條件的時間，創下了全國高海拔地區儲能電站建設速度的新紀錄。
“這項紀錄的誕生，得益于高壓直掛儲能技術極大地簡化了大型儲能電站的構建方案。”郝卓龍算了一筆賬，建設一座150兆瓦/600兆瓦時儲能電站，如采用低壓儲能技術，需85—800臺功率逆變設備進行并聯，不僅系統復雜程度高，且存在低頻或寬頻振蕩風險。要達到同樣容量，只需要6套采用高壓直掛儲能技術的設備，建設速度自然較快。
記者了解到，海南州儲能電站內少了用于“升壓”的工頻變壓器，系統效率提升4%—6%，充放循環平均效率可達91%以上。郝卓龍介紹，對于一座150兆瓦/600兆瓦時的儲能電站而言，儲能效率的這一變化，意味著10年可節約電費約2500萬元。
不僅如此，高壓直掛儲能技術的應用使海南州儲能電站整體控制架構簡化，可直接響應調控指令，響應速度快，可實現10毫秒內充放電快速響應，靈敏度明顯優于傳統儲能系統。易于實現構網型儲能，25兆瓦/100兆瓦時的超大單機容量更易構建大容量儲能電站，以提供強勁的電網支撐力。
每一項新技術的誕生，都離不開研發團隊的辛勤付出，35千伏高壓直掛儲能技術也不例外。從2021年7月開始，清能院就已經聯合相關高校、企業開始了這項技術的研發。
儲能電站的核心組件是電池。清能院結合多年的儲能技術研發和工程項目實踐經驗，將如何用好電池作為儲能系統效率、安全性等關鍵指標提升的切入點。
“電池所能儲存的電荷量，會隨著時間的推移和使用次數的增加不斷減少，這就是電池容量衰減。為了保證輸出功率和容量，傳統儲能技術要串聯、并聯大量電池，如此一來不僅會加速容量衰減，還可能因為電芯內部參數差異、電池放電深度不同，影響電池簇間電壓，導致環流損耗或電芯過充情況的出現。”成前介紹，研發團隊對電池進行分散式精細化控制，將各電池簇獨立通過功率單元進行逆變，串聯后直接形成高壓接入電網，即“直掛”。“以功率單元交流側串聯取代電池并聯，每個功率單元都具備獨立的控制和管理功能，杜絕了電池簇間環流，大幅提升儲能系統壽命與投資經濟性。”
對電池進行分散式精細化控制只是第一步，受低壓集中式架構的固有限制，傳統儲能技術存在一些不足。比如，工頻變壓器在充放電運行時需要2小時或4小時滿負荷運行，運行工況與配電系統相比更為惡劣，導致故障率升高，也會提高損耗率。同時，低壓集中式架構限制了功率逆變器的單機容量，大量逆變器并聯，模塊間存在高頻環流問題和振蕩風險。
為了突破這些限制，成前說研究團隊做了一回“加減法”，通過對系統電磁兼容、絕緣設計、控制方法、故障旁路與容錯控制、系統結構、測試方案等關鍵問題的技術攻關，從設計環節取代了工頻變壓器的作用，使低壓自動轉換為高壓。
“安全衛士”守護電站安全穩定運行
在高海拔缺氧的環境下建設施工，郝卓龍笑稱“靠的是專業能力，拼的是意志品質”。要幫助海南州儲能電站適應高原天氣條件，需要耐心細致的修正。
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、安全系數與抗電磁干擾能力都會隨之變化。
考慮到海南州儲能電站海拔超過了3000米，研發團隊重點對絕緣和電氣間隙進行了修正，并保留一定裕量，以確保儲能電站在高海拔條件下安全、穩定、高效運行。
修正只是確保海南州儲能電站安全穩定運行的其中一環。圍繞安全、穩定，研發團隊還設計了“安全衛士”。
首先，高壓直掛儲能技術在安全性能上的優勢，提供了高效的控制和保護系統管理，規避了電池串并聯的不穩定性，并通過電池簇的運行均衡控制避免電池過充過放。
其次，結合電芯發展趨勢和熱管理技術優化，清能院迭代升級了適用于能量密度更高的314安時大電芯液冷系統，能夠保證電池運行溫度始終處于最佳范圍，以進一步提高電池的安全性。
第三，項目采用了多層級的消防系統。除了采用傳統的全氟己酮儲能消防系統，還配備了更適合電池設備的水基壓縮空氣泡沫消防以及站級水消防，筑牢儲能電站安全底線。
值得一提的是，故障旁路與容錯控制的應用，從電力電子層面為儲能電站提供了保障，這也是清能院針對高壓直掛儲能系統專門研制、具有完全自主知識產權的技術。
“以往遇到單個功率變換單元部件故障，可能需要整個系統停機，待排查修復后再重新啟動。有了故障旁路與容錯控制就靈活許多。”成前解釋，故障旁路與容錯控制為電站運行提供一定冗余空間，若只是單個部件故障，會第一時間判斷發生位置、繞開問題部件以確保整體穩定暢通運行。同時進行評估登記，待定期運行維護時進行統一更換。
“高壓直掛儲能技術進一步提升儲能電站安全性，減少運維操作頻次，這對發展先進儲能、開發綠色能源、打造清潔能源產業來說意義重大。”成前說。
