1 ?構網型儲能背景概述
1.1 ?新型電力系統亟需構網支撐
眾所周知，新型電力系統具有兩高特征：高比例新能源大規模并網、高比例電力電子大范圍接入。近年來風光裝機占比越來越高，而傳統火電裝機占比越來越低，并在2023年首次降至50%以下。這表明綠色低碳和能源安全保障取得了巨大進展，但風光發電具有隨機性、波動性、同負荷的時空錯配，嚴重影響發電的可預測性和平穩出力。電力電子設備已經廣泛應用于發電側、輸變電側、配網和用戶側。這帶來了交直流的靈活控制，但電力電子低阻尼、低慣量、控制離散化等運行特性，嚴重影響系統穩定控制。
總所周知，交流電力系統穩定的三大基石分別是頻率穩定、電壓穩定和功角穩定，分別對應有功平衡、無功平衡和轉速同步，具體又可以分為正常小擾動和故障大擾動下的穩定。對于頻率穩定，隨著新能源發電不穩定和缺乏系統慣量，抗頻率擾動能力不足，頻率穩定區范圍不斷減少，頻率失穩風險大大增加。對于電壓穩定，由于新能源和電力電子瞬時過載能力較弱，無功調壓能力不足，甚至出現電壓反調，靜態電壓穩定裕度不斷減少，電壓失穩風險較大。對于功角穩定，隨著新能源裝機占比越來越高，電網強度變弱，加之低慣量和阻尼，極易誘發系統寬頻振蕩，直至失穩解列停電，類似事故已經多次發生。綜上所述，電力系統穩定的三大基石都已經被動搖，亟需構網型儲能技術支撐。
1.2??構網技術發展
目前各種構網技術百花齊放，包括同步機組、調相機、構網型儲能、構網型SVG、構網型SSC、構網型柔直等。從基本特性、有功調節、無功調節、離網特性、工程應用等五大方面綜合對比，構網型儲能一枝獨秀，其功能最全面、調節特性最優異、應用最靈活、性價比最高，發展前景良好。
1.3??構網型儲能相關政策
從政策角度來看，從去年下半年開始、新疆、西藏、福建和國家能源先后發文支持構網型儲能發展應用，新疆的發文更是明確了構網型儲能技術10條具體要求，涉及電壓源、慣量、短時過載能力、調頻、調壓、阻尼、黑啟動等方面。這些扶持政策為構網型儲能的可持續發展奠定了基礎。
（1）新疆：2023年7月10日，新疆發改委發布《關于組織上報2023年獨立新型儲能建設方案的通知》，明確規定構網型儲能比例和十點技術要求。
（2）西藏：2023年7月24日，西藏發改委發布《關于積極推動西藏電力系統構網型儲能項目試點示范應用的通知》，提出要積極推進構網型儲能項目示范應用。
（3）福建：2023年12月1日，福建發改委印發《關于組織開展可再生能源發展試點示范項目申報的通知》，提出重點支持新能源加儲能構網型技術示范。
（4）國家能源局：2023年9月27日，國家能源局發布《關于組織開展可再生能源發展試點示范的通知，提出要進行新能源加儲能構網型技術示范，顯著提高新能源接入弱電網的電壓頻率等穩定支撐能力，大幅提升風電光伏大基地項目輸電通道的安全穩定送電能力。
（5）內蒙：2024年5月20日，內蒙古自治區能源局印發《內蒙古自治區2024—2025年新型儲能發展專項行動方案》。文件明確，2024年新開工10GW新型儲能，建成投產6.5GW/29GWh；2025年再新開工新型儲能11GW，建成投產14.5GW/65GWh。此外，方案還指出，在高比例新能源外送基地、電網局部支撐較弱地區、分布式新能源富集地區，大力推動構網型儲能項目建設，充分發揮其慣量響應、頻率電壓支撐等作用，有力提升新能源大規模高比例接入消納情景下的電網安全穩定性和供電可靠性。
2??構網型儲能變流升壓一體機（35kV）
2.1 ?總體設計方案
本項目構網型儲能變流升壓一體機系統采用構網型儲能變流器、箱變、高壓開關一體化集成的方案，一體艙內所有設備采用一臺托盤底座集成，可進行整體吊裝和運輸。一體艙內主要包含干式變壓器、開關柜、儲能變流器以及通訊動力柜等設備，并擁有獨立的自供電系統、溫度控制系統、門控照明等自動控制和安全保障系統。系統集成化程度高，環境適應性強，有效減少現場安裝調試及后期維護的工作量。
每套5MW構網型儲能變流升壓一體機主要包括4臺1250kW儲能變流器、1臺2500kVA干式變壓器、1套35kV高壓組合開關、1臺輔助隔離變壓器柜、1臺低壓通訊控制柜、35kV高壓室、一體機底座，4臺儲能變流器接入雙繞組變壓器的低壓側，通過雙繞組變壓器升壓至35kV，經開關柜接入站內35kV母線。
每套5MW構網型儲能變流升壓一體機匹配2套0.25C或1套0.5C的5MWh電池集裝箱，構成5MW/10MWh（0.25C）或5MW/5MWh（0.5C）構網型儲能單元。變流升壓一體機原理如下圖3：
地基建設時，當多臺中壓變流升壓一體機平行放置時，集裝箱間距不小于3m，以保障集裝箱散熱。
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3.3 ?構網型儲能變流器技術優勢
（1）采用三電平高效電氣拓撲，滿載充放電電壓范圍1000-1520V，最高轉換效率＞99%，滿載轉換效率＞98.5%，滿載電流/電壓畸變率＜1%，電能質量優異。
（2）優秀熱管理設計：采用二相流換熱+多風道復合散熱，具備高效散熱效率和較低滿載溫升。
（3）優秀過載能力：在-30℃～+30℃下具備1.1倍長時間過載運行能力，具備120%額定功率2min過載能力，具備150%額定功率10s過載能力。
（4）整機IP65防護等級，在高海拔、高低溫、高濕度、高風沙、高鹽霧腐蝕等惡劣環境適應能力強。
（5）電池匹配性能好：可以匹配鋰電、鈉電、液流電池等多種類型電池；單臺PCS支持6簇/5簇直接匯流，有效減少直流側電池簇并聯數量和并聯環流，有效提高電池一致性、系統可用容量和可用效率。
（6）全面支持構網功能：具備弱電網適應、短時過載、連續故障穿越、相角跳變耐受、并離網切換、黑啟動、快速調頻、慣量響應、阻尼控制、動態調壓等十大構網功能，全面支持各種大擾動、小擾動下的電網動態穩定、快速回復和重建。
（7）專利功率電容壽命預測及故障告警功能，變流器可實現檢測直流母線電容和交流濾波電容容量，從而計算出功率電容的壽命，電容壽命終結前可提前預警，防止故障擴大。
（8）DSP+FPGA控制系統，主控DSP失控后仍可實現系統安全關機。
（9）系統控制電源冗余備份及控制電源的故障監測及報警功能。
（10）機內“故障錄波”，可實現故障時刻的數據重現，實現故障的快速定位。
（11）“矩陣式”全方位多點溫度監測系統，系統工作更加安全。
（12）支持IEC61850、GOOSE等多種通訊通訊協議，可實現10ms的控制機制。
（13）高度集成，占地小，運輸、吊裝、安裝、運維更加便捷高效。
3.4 ?構網型儲能變流器核心功能
構網型儲能十大功能價值，可以分為兩大類：事故大擾動下系統動態穩定和快速恢復重建、小擾動下支撐三大穩定，貫穿電網全運行狀態。
在大擾動工況下，要求儲能在弱電網下穩定運行，并能在新能源故障瞬間快速出力支撐電網強度，這就要求儲能具備3I/10s的短時過載能力，可以進行連續的高低電壓故障穿越，能夠耐受相角跳變，最大60°；當外網故障短時無法恢復時，儲能可以從并網運行無縫轉離網運行，為內網提供穩定的電壓和頻率，當滿足三同期條件時，儲能可以從離網轉為并網運行；當電網大范圍停電時，儲能可以作為零壓黑啟動電源，支持電網的重建。
在小擾動工況下，構網型儲能可以進行快速調頻和動態調壓，實現有功和無功的動態平衡；可以進行慣量響應和阻尼控制，彌補傳統跟網型儲能缺乏慣量和阻尼的不足，防止功率快速閃變和波動，抑制系統發生寬頻振蕩。
3.4.1 ?弱電網支撐功能
一般用新能源場站短路比RSCR表征電網強度，它表示系統容量和設備注入功率的相對強弱，RSCR越大，則設備功率變化或投切對系統影響越小，系統越不容易發生失穩。按照相關國標，RSCR在3以上是強電網，RSCR在1.5~3之間是弱電網，RSCR在1.5以下是極弱電網。
對于PCS：低RSCR電網的電壓、頻率、相位等極易波動和閃變，考驗PCS的控制穩定性。根據實物仿真測試，當RSCR從10突變至1.2，系統從強電網突變為弱電網，構網型PCS保持正常運行，經過一段時間后恢復平穩，如下圖9所示。
對于新能源：RSCR是校核新能源場站并網容量的核心指標，也會限制實時上網功率！根據測算，在RSCR不低于1.5的電網強度限制條件下，如果配置10%容量的構網型儲能，可以解決弱電網中風光滿發時的限電問題，提升風光發電比例?30%！
3.4.2 ?短時過載功能
我司新一代1250kW PCS創新采用相變+上進風/下（側）出風+內部擾流的復合熱管理架構，帶來高效散熱效率和熱場分布一致性。新一代構網型1250 kW儲能變流器自身具備1.5I/10s短時過載能力，按照2倍的構網容配比進行超配后，可以滿足構網型儲能要求的3I/10s短時過載能力,帶來極致的PCS配置靈活性，極大降低構網型儲能成本。
3.4.3 ?連續故障穿越功能
對于常規跟網型儲能，要求具備低壓和高壓穿越能力，而構網型儲能則升級為不少于3次的連續低壓穿越和高壓穿越。
當并網點電壓連續3次跌落至0.2U/0.625s，間隔0.375s，構網型儲能PCS可以最大3I無功出力，響應時間＜5ms，調節時間＜100ms。
當并網點電壓連續3次升至1.3U/1s，間隔1s，構網型儲能PCS可以最大3I吸收無功，響應時間＜5ms，調節時間＜200ms。
3.4.4 ?相角跳變耐受功能
在高低電壓穿越期間，往往伴隨著故障相的相角跳變，這是由于系統阻抗突變造成的，通常用瞬時電壓過零點的改變量進行度量。
對于跟網型PCS，較大幅度相角跳變（＞15°）將嚴重影響鎖相環的穩定控制，導致設備跳機。
對于構網型PCS，端口電壓相角幅值保持不變，在相角跳變瞬間快速有功響應，保障故障相的相位恢復穩定，最大耐受相角跳變＞60°！
根據半實物仿真測試，當故障相線電壓相角跳變60°，構網型儲能PCS快速有功支撐，拖動相角恢復穩定，響應時間＜1ms!
.4.5 ?并離網切換及離網運行功能
如果經過故障穿越，外網仍無法快速恢復，就需要轉為離網運行。在構網電壓源模式下，斷開外網，由外網供電無縫轉入儲能離網供電，并構建穩定的電壓和頻率。
在滿足三同步（電壓、頻率、相角）的前提下，按照上級指令關合并網開關，由離網模式轉入并網模式，轉由外網供電。
根據半實物仿真測試，從并網切換為離網，并離網切換時間＜1ms，內網電壓毫無波動!
3.4.6 ?黑啟動功能
當電力系統大面積停電后，在無外接電源支持的情況下，通過儲能電站啟動與其相連的發電設備并恢復變電站設備供電，可以為電力系統提供黑啟動電源輔助服務。
對于黑啟動PCS：具備離網運行、多機并聯、零起升壓功能，具備46.5-51.5Hz寬頻運行能力，可以抑制多機并聯運行的振蕩、環流和諧波。
對于自啟動儲能單元：功率應不小于儲能電站升壓變、站用變及啟動電氣路徑中變壓器的空載損耗和線纜損耗之和，并考慮沖擊負荷。
黑啟動順序：站用UPS電源——自啟動儲能單元——集電線路——更多儲能單元——升壓變——儲能場站——相鄰新能源場站。
根據半實物仿真測試，構網型儲能PCS可以從零開始平穩升壓，這個過程一般持續30秒至數分鐘，主要為了減緩勵磁涌流沖擊。
?3.4.7 ?快速調頻功能
當電網頻率偏差值大于系統頻率偏差設定值時，構網型儲能變流器應主動吸收或發出有功功率，參與電網頻率調節。
整個調頻過程類似P-f下垂控制，調頻系數Kf在5~50范圍內可調，對應有功功率變化滿載時的調頻范圍：1Hz~10Hz，調頻響應時間＜20ms!
根據半實物仿真測試，針對充電重載和放電重載，頻率分別擾動至46.45~51.55Hz，構網型PCS可以快速精準的進行有功響應，快速支撐頻率穩定。
3.4.8 ?慣量響應功能
當系統頻率變化率發生波動時，構網型儲能PCS自動調節有功功率，抑制電網頻率快速變化，對外呈現慣量特性。
慣性時間常數Tj?在1~50s可調，有功功率變化率最大值＞10% Pn，響應時間＜200ms，調節誤差≤±2%PN。
下圖是我司構網型PCS慣量調節測試數據，可以看到，慣量響應輸出實際有功快速準確，與理論有功需求偏差很小。
3.4.9 ?阻尼控制功能
當電網頻率發生振蕩時，構網型儲能PCS通過阻尼控制自動調節有功功率，主動抑制電網頻率振蕩幅度。
阻尼系數D在5~20可調，有功功率變化率最大值＞10% Pn，響應時間＜200ms，最短調節時間＜1s，調節誤差≤±2%PN。
根據半實物仿真測試，并網點頻率從50Hz快速擾動至50.5Hz，產生低頻振蕩，從不同阻尼系數下的阻尼響應曲線可知，阻尼系數越大，對振蕩的平抑作用越強。
3.4.10 ?動態調壓功能
當電網電壓發生偏差時，構網型儲能PCS主動吸收或發出無功功率，參與電網電壓調節。
電壓調節過程類似Q-V下垂控制，調壓系數Kv在12.5~33.3范圍內可調，對應無功功率滿載變化時電壓調節范圍3%~8%Un；調壓啟動時間＜5ms，調壓響應時間＜200ms！
根據半實物仿真測試，當并網點電壓突變至1.05倍，電壓調節系數為13，無功電流響應時間＜200ms。
（10）構網型儲能電站具備動態調壓能力，電網發生擾動全過程中，電網電壓發生偏差時，構網型儲能變流器主動吸收或發出無功功率，參與電網電壓調節；
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