在海拔近3000米的青海省海南藏族自治州生态太阳能发电园区里，一座占地约26亩的储能电站，似光伏“蓝海”中的白色“海浪”，格外醒目。
这是由中国华能集团有限公司青海分公司（以下简称“华能青海公司”）投资开发、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司（以下简称“清能院”）研发承建的华能海南州150兆瓦/600兆瓦时储能电站（以下简称“海南州储能电站”）。
储能是解决清洁能源消纳、提高电网稳定性、构建高比例清洁能源新型电力系统的关键支撑技术。海南州储能电站采用35千伏高压直挂储能技术，日前已顺利并网并实现满功率运行。这是目前全球海拔最高、规模最大的高压直挂储能电站。
高压直挂储能技术与传统储能技术有什么不同？该技术能够对储能系统带来哪些改变？在高海拔地区应用该技术面临哪些挑战？让我们一起探寻海南州储能电站建设背后的故事。
“电力调配师”削峰填谷、优化电能配置
对于华能青海公司储能电站电气专业工程师朱万良来说，今年国庆假期的关键词无疑是“忙碌”二字。
“海南州储能电站并网，并不意味着它开始参与电网的调度运作。9月以来，我们先后进行了8轮次满功率充放电测试，这是储能电站正式投运前要完成的重点工作之一。从目前测试结果看，电站运行效果良好，接下来还将对电站的稳定性、可靠性等进行测试。”朱万良告诉记者，该储能电站高压直挂储能系统是华能青海公司目前使用的最大储能单体设备。为了确保设备安全平稳运行，需要开展的并网测试内容也比往常多。
据了解，海南州储能电站共有78个高压直挂储能交直流一体舱和6个并网集装箱，它们构成了6套高压直挂储能系统，具有系统电压等级高、单机容量大、交直流并联数量少、通讯层级少等特点。每套系统单机容量达25兆瓦/100兆瓦时。这意味着，若按每户每天使用10度电来计算，6套设备充电一次所储存的60万千瓦时电量，可供6万户家庭使用1天。
选择在青海建设高压直挂储能电站，与当地特有的能源禀赋有关。
青海的太阳能、风能资源得天独厚，是我国重要的清洁能源生产基地。近年来，当地清洁能源发展成效显著。截至今年6月底，该省电网总装机容量超5700万千瓦，其中水电、光伏、光热、风电等清洁能源年发电量占比快速提升，成为全国率先实现清洁能源发电量占比超过50%的省份。
在大力发展清洁能源的同时，如何应对清洁能源高比例接入给电网安全稳定运行带来的挑战，成为一道亟待解决的“必答题”。
“挑战主要体现在清洁能源产销错配上。”清能院储能技术部储能技术研发主管成前解释道，青海清洁能源中光伏占比最高，易呈现出“夏丰冬枯”“昼盈夜亏”的特点，使得电能供应波动明显，峰谷幅差大。而在电能生产消纳上，清洁能源的供需空间不匹配，资源富集区与用电负荷中心逆向分布，光伏发电时间也无法完全满足工业负荷要求。“海南州储能电站就像一位‘电力调配师’，能够通过加快电网侧和电源侧储能建设，有效平抑青海清洁能源发电供应的波动性和间歇性问题，为电网提供调峰、调频、电力辅助等服务。”
要游刃有余地驾驭青海丰富的清洁能源并非易事，“电力调配师”必须掌握一些特殊本领才行。
成前告诉记者，海南州储能电站不仅可实现单机独立接受电网调控，还可以在提升电池容量利用率、解决电池并联安全问题的基础上，进一步提升系统效率、响应速度和系统稳定性，更适用于未来大规模储能电站应用。
新技术让储能构型简化、效率提升、响应提速
以往，行业内普遍采用低压集中式架构技术路线，即由大量电池单体通过串联、并联结合的方式，输出1000—1500伏左右直流电压，随后经过功率逆变器转换成交流电，再借助工频变压器完成升压，最终接入电网。海南州储能电站所采用的35千伏高压直挂储能技术，与传统储能技术截然不同。
新技术有什么突出优势？华能青海公司储能电站项目经理郝卓龙向记者提起一项纪录：不到3个月——海南州储能电站从开工浇筑第一罐混凝土到具备受电条件的时间，创下了全国高海拔地区储能电站建设速度的新纪录。
“这项纪录的诞生，得益于高压直挂储能技术极大地简化了大型储能电站的构建方案。”郝卓龙算了一笔账，建设一座150兆瓦/600兆瓦时储能电站，如采用低压储能技术，需85—800台功率逆变设备进行并联，不仅系统复杂程度高，且存在低频或宽频振荡风险。要达到同样容量，只需要6套采用高压直挂储能技术的设备，建设速度自然较快。
记者了解到，海南州储能电站内少了用于“升压”的工频变压器，系统效率提升4%—6%，充放循环平均效率可达91%以上。郝卓龙介绍，对于一座150兆瓦/600兆瓦时的储能电站而言，储能效率的这一变化，意味着10年可节约电费约2500万元。
不仅如此，高压直挂储能技术的应用使海南州储能电站整体控制架构简化，可直接响应调控指令，响应速度快，可实现10毫秒内充放电快速响应，灵敏度明显优于传统储能系统。易于实现构网型储能，25兆瓦/100兆瓦时的超大单机容量更易构建大容量储能电站，以提供强劲的电网支撑力。
每一项新技术的诞生，都离不开研发团队的辛勤付出，35千伏高压直挂储能技术也不例外。从2021年7月开始，清能院就已经联合相关高校、企业开始了这项技术的研发。
储能电站的核心组件是电池。清能院结合多年的储能技术研发和工程项目实践经验，将如何用好电池作为储能系统效率、安全性等关键指标提升的切入点。
“电池所能储存的电荷量，会随着时间的推移和使用次数的增加不断减少，这就是电池容量衰减。为了保证输出功率和容量，传统储能技术要串联、并联大量电池，如此一来不仅会加速容量衰减，还可能因为电芯内部参数差异、电池放电深度不同，影响电池簇间电压，导致环流损耗或电芯过充情况的出现。”成前介绍，研发团队对电池进行分散式精细化控制，将各电池簇独立通过功率单元进行逆变，串联后直接形成高压接入电网，即“直挂”。“以功率单元交流侧串联取代电池并联，每个功率单元都具备独立的控制和管理功能，杜绝了电池簇间环流，大幅提升储能系统寿命与投资经济性。”
对电池进行分散式精细化控制只是第一步，受低压集中式架构的固有限制，传统储能技术存在一些不足。比如，工频变压器在充放电运行时需要2小时或4小时满负荷运行，运行工况与配电系统相比更为恶劣，导致故障率升高，也会提高损耗率。同时，低压集中式架构限制了功率逆变器的单机容量，大量逆变器并联，模块间存在高频环流问题和振荡风险。
为了突破这些限制，成前说研究团队做了一回“加减法”，通过对系统电磁兼容、绝缘设计、控制方法、故障旁路与容错控制、系统结构、测试方案等关键问题的技术攻关，从设计环节取代了工频变压器的作用，使低压自动转换为高压。
“安全卫士”守护电站安全稳定运行
在高海拔缺氧的环境下建设施工，郝卓龙笑称“靠的是专业能力，拼的是意志品质”。要帮助海南州储能电站适应高原天气条件，需要耐心细致的修正。
绝缘和电气间隙在保证电器安全中起着重要作用。随着海拔的升高，空气密度、安全系数与抗电磁干扰能力都会随之变化。
考虑到海南州储能电站海拔超过了3000米，研发团队重点对绝缘和电气间隙进行了修正，并保留一定裕量，以确保储能电站在高海拔条件下安全、稳定、高效运行。
修正只是确保海南州储能电站安全稳定运行的其中一环。围绕安全、稳定，研发团队还设计了“安全卫士”。
首先，高压直挂储能技术在安全性能上的优势，提供了高效的控制和保护系统管理，规避了电池串并联的不稳定性，并通过电池簇的运行均衡控制避免电池过充过放。
其次，结合电芯发展趋势和热管理技术优化，清能院迭代升级了适用于能量密度更高的314安时大电芯液冷系统，能够保证电池运行温度始终处于最佳范围，以进一步提高电池的安全性。
第三，项目采用了多层级的消防系统。除了采用传统的全氟己酮储能消防系统，还配备了更适合电池设备的水基压缩空气泡沫消防以及站级水消防，筑牢储能电站安全底线。
值得一提的是，故障旁路与容错控制的应用，从电力电子层面为储能电站提供了保障，这也是清能院针对高压直挂储能系统专门研制、具有完全自主知识产权的技术。
“以往遇到单个功率变换单元部件故障，可能需要整个系统停机，待排查修复后再重新启动。有了故障旁路与容错控制就灵活许多。”成前解释，故障旁路与容错控制为电站运行提供一定冗余空间，若只是单个部件故障，会第一时间判断发生位置、绕开问题部件以确保整体稳定畅通运行。同时进行评估登记，待定期运行维护时进行统一更换。
“高压直挂储能技术进一步提升储能电站安全性，减少运维操作频次，这对发展先进储能、开发绿色能源、打造清洁能源产业来说意义重大。”成前说。
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