武汉理工大学：构网储能与氢电协同：支撑新型电力系统的范式变革与工程实践

提纲提纲新型电力系统传统电力系统新型电力系统传统电力系统惯量低新能源发电新能源发电传统发电多多元用电负荷电源侧储能设备电网侧储能设备构网型储能跟网型储能构网型储能PP电流源特性电流源特性构网型储能以电池作为能量载体，以变流器作为传递媒介，本质上是电压源。6·构网型储能纳入“新首次要求构网型储构网型技术位列七大试构网型技术列为“卡脖子”加快推进构网型储能在弱电新能源电站需积极采用先进·构网型储能纳入“新首次要求构网型储构网型技术位列七大试构网型技术列为“卡脖子”加快推进构网型储能在弱电新能源电站需积极采用先进型电力系统九大行动”能渗透率突破30%点方向之首攻关重点网、孤岛电网示范应用构网型技术·国内单体容量最大智能组串式·储能电站400MW/2400MWh内蒙古额济纳·“原网荷储”微网工程黑启动国家能源局示范工程·湖北荆门首座百兆瓦时级构网型储能电站①2022.12.17本团队建设山东莱芜·首座分散控制构网独立储能电站构网控制Qref7电流控制时间尺度直流电压控制交流电压控制电磁暂态过程机电态过程数字处理高次谐皮交流电压控制电力系统跟网里变流器热动态过程电压控制储能电池(直流侧)控制电池剩余容量电池剩余容量变流器变流器峰谷填充电气特性频丰调节多时闻尺度调节多时闻尺度调节龚电状态SE膜分解分阶段剧烈过程SE膜分解分阶段剧烈过程温度温度T热量累积TTT正常功能自产热热失控储电池关健性能指标构网工况下网侧与储能电池呈现多时间尺度电-热能量耦合特性，交直流耦合机理不明!·交流侧并网性能国标·新疆微电网32台PCS并列离网助9F级重型燃机开展可再生能源发展试储能变流器技术规范》·国网新疆电科院——团标《构网型储能系统并网技术规范》动方案(2024—2027年)》·西藏—招标、开工的构网电压动态动态下垂下垂控制热特性热特性99提提纲交流侧通常简化为理想电压源忽略储能电池能量波动对交流侧影响提出方法：提出方法：拉格朗日体系下统一动力学建模变流器能量模型储能电池簇能量模型广义速度并网储能电池建模过度简化多层级储能电池系统建模研究统一动态变分原理电热刻画交直流惯量支撑阻尼控制相角跳变惯量支撑阻尼控制相角跳变交流侧暂态扰动下，直流侧电流、电压短时波动大；频率跌落、相角跳变后期大电流放电引起电池温度快直流母线电压小幅波动后快速恢复稳定速升高；惯量响应导致产热快速累积12不同工况下电池温升速率惯量支撑工况下虚拟惯量与电池温升不同工况下电池温升速率惯量支撑工况下虚拟惯量与电池温升不同工况下电池温升速率与国标限值对比一次调频下垂系数与最大允许支撑功率虚拟愤量与暂态显升速率关系电池SOC电池SOC约束下交直流端口功率平衡与验证·下垂系数与温升速率：平方反比关系一次调频场景电池低SOC(20%)时，交直流端口功率平衡验证构网型储能检测方案构网型储能支撑能力测试构网型储能常规能力测试电压支撑频率支撑孤岛运行孤岛控制适应性稳态运行孤岛检测频率变化基本功能能效继保及安全AGC功能变流器构网型储能变流器实现并网运行下电压支撑、故障穿越与扰动稳定运实现并网运行下电压支撑、故障穿越与扰动稳定运行功能恢复系统效率检测效率检测第1次效率试验(a)电总放电量6335kWh第1次效率试验(b)第2次效率试验(a)电总放电量6343KWhn=86.7%第2次效率试验(b)第3次效率试验(a)第3次效率试验(a)600冲击合闸瞬商电流浊形(最大冲击相电流)e单纯锂电构网的痛点单纯锂电构网的痛点纯电池方案的现实矛盾纯电池方案的现实矛盾时间尺度不匹配单一锂电覆盖不足长时调节功能尺度不匹配动态响应速度引入氢电耦合构网毫秒～分钟级快速构网支撑氢能：长时储能跨小时、跨日、锂电适合快支撑，氢能适合长调节锂电适合快支撑，氢能适合长调节应形成电池与氢能分层配置、协同运行的先进储能体系发电>需求(绿氢)电力电子构网通过“构网变换器一直流母线一电解制氢一储氢回馈”协同，实现电网快速支撑与氢能长时调节短时控制：毫秒一秒级中时协调：秒级一分钟级长时调度：分钟—小时级储氢与系统调度实现跨时段能量转移，支撑新能源消纳和长期供需平衡氢电协同支撑并非单一设备响应，而是由快速控制、功率协调与能量调度共同构成氢电协同支撑并非单一设备响应，而是由快速控制、功率协调与能量调度共同构成的分层支撑体系01电网支撑需求01电网支撑需求02装备安全边界03寿命退化约束温度上限动态波动频率扰动功率波动温度上限动态波动频率扰动功率波动功率上限膜电极老化膜电极老化宁波慈溪国网重大示范工程宁波慈溪国网重大示范工程老砝S0老砝S02氯站创新性研究成果氢电耦合关键装备及调控体系行业难题剧烈波动使最优运行区间受限、能效衰减微弱特征下早期预警与主动防御困难能协同调控振荡核心成果增设捕集网分离电流密度增加电流密度增加催化层多级调压质子交换膜多级调压垂直梯度流场入口垂直梯度流场减压阀电磁阀电堆电堆旁通阀背压阀气水分离器氢气循环泵氢气气源背压阀增湿器排气经验模态分解结果燃料电池催化剂衰减分析经验模态分解结果燃料电池催化剂衰减分析PEM电PEM电解槽建模极化曲热管理控制流程图燃料电池产热制氢/燃料电池启停次数最大化发电量168小时5、支撑武汉打造全国氢能装备中心与枢纽城市国家电投、雄韬氢雄、武汉众宇、理工氢电、融通动力等21家氢能企业聚链成势构网储能发展前瞻与关键技术展望1、构网控制对电池性能的影响机理揭示A.构网支撑场景B.电池侧动态应力C.电池性能代价欧姆内阻增量U极化内阻增量电压偏差U极化内阻增量相位扰动容量衰减相位扰动o低电压穿越脉o低电压穿越支撑需求(示意)支撑需求(示意)支撑需求解析频率/电压偏差电池簇频率/电压偏差电池簇有功支撑惯量/阻尼有功支撑惯量/阻尼支撑效果保持电池冲击减小热负荷减轻参数自适应构网控制虚拟惯量J阻尼系数D下垂系数KPCS虚拟惯量J