近年来,随着全球能源结构的转型,风能和太阳能等间歇性可再生能源大量接入电网,传统基于燃煤和燃气机组的发电系统逐渐退役,电网惯性明显下降。惯性作为电力系统的重要稳定因素,保障了电网频率和电压的平稳运行,而缺少足够惯性会导致频率大幅波动,增加电网故障风险。针对这一挑战,苏格兰的格里德山(Blackhillock)大型电池储能系统(BESS)采用了革命性的组网逆变器技术,为全球电网稳定提供了新范式。格里德山电池站位于苏格兰高地,具有200兆瓦的容量,是欧洲最大的锂离子电池储能设施之一。该电池站投入运行不久后,即在英格兰北部的一台1877兆瓦木质生物质发电机组意外停机事件中发挥了关键作用。当电网频率从标准的50赫兹快速跌至49.8赫兹以下时,格里德山电池系统以毫秒级响应速度释放电能,迅速抑制了频率的崩溃,从而保障了电网的连续稳定运行。
组网逆变器作为该系统的核心技术,与传统的组网跟随型逆变器形成鲜明对比。普通逆变器通常依赖电网频率和电压进行同步,无法独立"主导"电网参数波动。而组网逆变器则拥有内置的频率与电压基准,能够自主调节输出电流和电压,模拟传统旋转机械发电机的惯性特性,实现快速响应和调节能力。除了惯性支持,格里德山系统还能提供短路电流服务,这是电网保护系统正常运作的关键环节。俗称的短路电流是指当电网发生故障时,电站瞬间释放的高电流脉冲。这一脉冲触发继电保护装置动作,迅速切断故障线路,防止故障蔓延。
电力电子设备通常难以承受如此大幅度的电流冲击,然而,苏格兰格里德山项目通过创新控制策略,实现了逆变器在短时间内输出高达额定电流250%的短路电流,有效匹配传统同步发电机的保护功能。除了技术层面的突破,这一项目还体现了苏格兰乃至整个英国电网运营商NESO(国家能源系统运营商)实现零碳电网目标的决心。官方计划在2025年通过一系列实际操作演示,展示英国不依赖燃气机组依然能实现电网稳定的能力。这不仅有助于大幅减少碳排放,也推动了电力市场结构的深刻变革。该项目的成功还降低了可再生能源发电的弃风弃光率,提高了风电和太阳能的并网利用效率,为经济和环境双重效益打下坚实基础。苏格兰能源转型的挑战尤其严峻,国内的燃煤和燃气发电厂陆续关闭,唯一剩余的核电站也将在2030年退役。
水电站数量有限,因此电网低惯性问题尤为突出。传统的解决方案是部署同步电抗器,这种机械装置保持转子旋转模拟惯性,但在成本和维护方面存在缺陷。与之相比,基于电池的组网逆变器系统灵活性更高,功率响应速度更快,可以承担更多稳定辅助功能,同时还能作为储能装置参与能源调度,实现多重经济效益。尽管电子设备在应对高电流冲击方面仍面临设计和材料限制,制造商通过增加绝缘栅双极晶体管(IGBT)数量以及优化冷却机制,显著提升了逆变器的性能和可靠性。这为未来更多类似储能项目的推广创造了可能。然而,一些专家对此高强度短路电流服务的长期表现保持审慎态度,强调在电力系统集成和保护协调方面仍需持续测试和经验积累。
总体而言,苏格兰格里德山电池储能系统的实践表明,以组网逆变器为核心的电池储能技术,能够实现对传统同步发电机惯性和短路电流功能的有效替代,为电力系统稳定性提供了创新且可行的路径。未来,这一技术有望在全球范围内推广,尤其是在风光资源丰富但电网惯性不足的地区发挥更大作用。随着智能化控制技术和功率电子器件的不断进步,电池储能在电网调频、压制短时电压波动、故障隔离保护等方面的应用将更加广泛和深入。可以预见,电网稳定性将不再单一依赖大型机械惯性,而是迈入以电力电子为基础的新纪元。苏格兰的成功经验启示业界,在能源转型道路上,技术创新和系统集成同样重要。综合利用先进的组网逆变器、电池能量管理和电网调度机制,将是实现高比例可再生能源稳步接入、确保电力供应可靠和经济可持续的关键。
伴随英国乃至欧洲乃至全球范围内对低碳排放目标的不断强化,大型电池储能与组网逆变器技术的协同发展有望成为未来电网"稳定器"和"加速器",推动绿色能源高速发展,实现真正的能源智慧变革。 。
