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“質(zhì)量” 和“安全”將成為新能源發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-10-10

1、大量電力電子設(shè)備的使用對(duì)新能源電站的并網(wǎng)安全和運(yùn)營(yíng)安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

大量的特性各異的電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能等裝備以電力電子為接口接入現(xiàn)有電力系統(tǒng)，使電力系統(tǒng)向著高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備 ( 簡(jiǎn)稱“雙高”) 趨勢(shì)快速發(fā)展。

雙高特征引發(fā)了電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)、頻率失穩(wěn)、功角失穩(wěn)、寬頻振蕩等并網(wǎng)安全的問題，嚴(yán)重降低了電網(wǎng)強(qiáng)度。

新能源設(shè)備電壓耐受能力差，故障情況下僅能提供 1.1 倍額定電流的動(dòng)態(tài)電壓支撐，而傳統(tǒng)火電可達(dá)到 5~10 倍，加上新能源需要逐級(jí)升壓接入主網(wǎng)，與并網(wǎng)點(diǎn)電氣距離是常規(guī)機(jī)組的 2~3 倍，提供的短路容量比較小，降低了電壓支撐水平。

新能源并網(wǎng)逆變器、變流器等設(shè)備不具備慣量響應(yīng)能力，導(dǎo)致電網(wǎng)整體慣量低，降低了系統(tǒng)調(diào)頻能力。

新能源低慣量還會(huì)引起功角曲線幅值下降，導(dǎo)致功角失穩(wěn)。新能源發(fā)電設(shè)備的快速響應(yīng)特性，還引發(fā)了中頻帶、高頻帶寬頻振蕩的新問題。

對(duì)于大型清潔能源基地而言，電站占地面積大、容量規(guī)模大，電站內(nèi)的設(shè)備多、運(yùn)維艱難，100MW 的電站就需要 5 個(gè)人至少一天才能完成一次簡(jiǎn)單的巡檢工作。

同時(shí)基地項(xiàng)目大多地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境惡劣——不是處在高溫、風(fēng)沙極大的荒漠地區(qū)，就是在高濕高鹽霧的海上，或者是在高海拔高寒的平原上，對(duì)設(shè)備的質(zhì)量和可靠性帶來巨大考驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)基地電站的運(yùn)營(yíng)安全造成嚴(yán)重危脅。

對(duì)于分布式光伏系統(tǒng)而言，由于設(shè)備越來越多地進(jìn)入建筑、園區(qū)、家庭，與日常生產(chǎn)生活更加緊密結(jié)合在一起，屋頂光伏一旦發(fā)生事故，將嚴(yán)重威脅生命和財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)研，直流拉弧是屋頂電站引發(fā)火災(zāi)的主要隱患，光伏組件焊點(diǎn)接觸不良、線纜老化、端子虛接等原因都可能產(chǎn)生電弧。

另外，屋頂光伏項(xiàng)目中，設(shè)備即使停機(jī)，只要有光照，直流側(cè)光伏板電壓通常可達(dá)到 600V 至 1000V，為施工運(yùn)維人員及業(yè)主帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。尤其是在出現(xiàn)火災(zāi)等緊急狀況的情況下，由于光伏陣列攜帶高壓，救援人員無法到屋頂進(jìn)行救災(zāi)；由于屋頂帶電，也無法通過普通方式用水進(jìn)行滅火，大大增加了救援難度。

在國(guó)外，對(duì)帶有光伏系統(tǒng)的屋頂在救災(zāi)時(shí)采取‘let it burn’策略，只能眼睜睜的看著光伏板燒毀后再進(jìn)行滅火，極大的影響了救援過程，造成更多的人身財(cái)產(chǎn)損失。應(yīng)對(duì)雙高帶來的安全挑戰(zhàn)，首先需要關(guān)注設(shè)備的質(zhì)量。產(chǎn)業(yè)應(yīng)該形成高質(zhì)量的共識(shí)，通過硬件質(zhì)量、軟件質(zhì)量來保證產(chǎn)品的安全性和可靠性。

其次要將組件、儲(chǔ)能、構(gòu)網(wǎng)、數(shù)字化、智能化等單點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新融合應(yīng)用，讓新能源發(fā)電從跟隨電網(wǎng)走向支撐電網(wǎng)，在系統(tǒng)運(yùn)維上做好直流智能安全診斷、預(yù)警和防護(hù)，保障各種場(chǎng)景下的人身和資產(chǎn)安全。

2、儲(chǔ)能系統(tǒng)是高能量載體，存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，一旦起火難以控制，其規(guī)模化應(yīng)用對(duì)儲(chǔ)能電站安全帶來巨大挑戰(zhàn)

伴隨著儲(chǔ)能的快速規(guī)模應(yīng)用，儲(chǔ)能電站發(fā)生了多起嚴(yán)重事故，造成大量經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。2024 年 5 月，美國(guó)加州圣地亞哥市當(dāng)時(shí)全球最大的 250MWh 的儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，并多次復(fù)燃，前后持續(xù) 11 天才完全撲滅，造成了嚴(yán)重的損失和環(huán)境影響。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 2019~2023年，全球發(fā)生 65 起重大儲(chǔ)能火災(zāi)事故，其中由于工藝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、銅箔材料涂抹不均等電池質(zhì)量問題引起的電站儲(chǔ)能和工商業(yè)儲(chǔ)能事故 27起，由于鐵屑脫落至模組內(nèi)部等電池質(zhì)量問題引起的戶用儲(chǔ)能事故 12 起，由于設(shè)備進(jìn)水、管理系統(tǒng)故障、電池質(zhì)量問題引起的數(shù)據(jù)中心事故 7 起，此外還有由于電池固定方式及絕緣問題等其他質(zhì)量問題引起的事故 19 起。

此外，在儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)還缺乏成熟的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在儲(chǔ)能電站管理、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等方面的專業(yè)化也有待進(jìn)一步建設(shè)和完善。儲(chǔ)能作為電力系統(tǒng)的新生環(huán)節(jié)，全方位的體系建設(shè)還處于探索階段。

安全已經(jīng)成為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能作為能源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，調(diào)用頻率越來越高；鋰電池單站規(guī)模突破 GWh，規(guī)模越來越增大；大型儲(chǔ)能系統(tǒng)由單柜 2MWh 向 5MWh+ 發(fā)展，能量密度越來越高；新的技術(shù)路線如鈉電池、液流電池、超容電池滲透率提升，多元化程度越來越高，由此導(dǎo)致儲(chǔ)能電站更多、更復(fù)雜的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為了應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能電站的安全風(fēng)險(xiǎn)，核心是儲(chǔ)能產(chǎn)品的高質(zhì)量。從儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)開始，優(yōu)先把問題消滅在事故前端；關(guān)注電芯等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)制造使用，保證本體安全；選好隔熱、阻燃材料，做好散熱、排煙、消防系統(tǒng)，完善被動(dòng)安全；發(fā)展在線監(jiān)測(cè)、智能控制和安全預(yù)警技術(shù)，做好主動(dòng)安全。

在儲(chǔ)能電站的全生命周期，從規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、制造驗(yàn)收、運(yùn)輸交付、現(xiàn)場(chǎng)安裝、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行控制、檢修維護(hù)、電站退役的各個(gè)環(huán)節(jié)貫徹安全理念、夯實(shí)安全管理。其次，行業(yè)應(yīng)該結(jié)合安全實(shí)踐，推動(dòng)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定與實(shí)施，通過政策法規(guī)的落地反向促進(jìn)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

可再生能源、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展和融合水平?jīng)Q定了能源世界的進(jìn)步水平。未來的能源世界以電能為介質(zhì)，以電網(wǎng)為總線，以電力電子設(shè)備為網(wǎng)關(guān)、以能源云操作系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)能量流處理、移動(dòng)和儲(chǔ)存的方式，實(shí)現(xiàn)清潔低碳能源廣泛的規(guī)?；_發(fā)利用、多級(jí)能源網(wǎng)絡(luò)廣泛互聯(lián)、多種負(fù)荷主被動(dòng)靈活參與、多業(yè)務(wù)邏輯協(xié)同決策運(yùn)行。未來十年能量流與信息流深度融合，相互促進(jìn)，是能源全面變革的關(guān)鍵過渡期，也將影響未來百年能源發(fā)展的前景。

能源產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入智能化時(shí)代。信息流、能量流的技術(shù)創(chuàng)新日趨同步，逐步從單設(shè)備、單場(chǎng)景向整體性、綜合性發(fā)展，從“局域網(wǎng)”向“全球網(wǎng)”應(yīng)用發(fā)展，從“單機(jī)”運(yùn)行向“云化”運(yùn)行發(fā)展，可觀、可測(cè)、可控的范圍越來越廣。

能量流與信息流的融合延展到更大的時(shí)間和空間尺度，能源系統(tǒng)價(jià)值進(jìn)一步放大，一方面促進(jìn)能源系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、清潔、安全運(yùn)行；另一方面推動(dòng)能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)。促進(jìn)了能源系統(tǒng)與信息系統(tǒng)甚至商業(yè)系統(tǒng)的深度融合。

能源系統(tǒng)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單和獨(dú)立的能源網(wǎng)絡(luò)，也將是和其他社會(huì)網(wǎng)絡(luò)共生共存的關(guān)鍵基礎(chǔ)平臺(tái)，如和交通網(wǎng)絡(luò)、碳足跡網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制，能源云的管理協(xié)同模式和范圍也不僅僅局限于能源系統(tǒng)單設(shè)備、單系統(tǒng)、單行業(yè)。

科技進(jìn)步與能源轉(zhuǎn)型相互促進(jìn)，正在深刻改變能源發(fā)展的前景，唯有認(rèn)清趨勢(shì)，才能迎接未來的挑戰(zhàn)，唯有立足當(dāng)下，才能把握時(shí)代的機(jī)遇。新“數(shù)字能源”時(shí)代下，更需要全人類攜手共進(jìn)，建立新的聯(lián)盟、尋找新的方式，實(shí)現(xiàn)跨價(jià)值鏈和生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)作，為世界能源創(chuàng)新和發(fā)展提供力量，共同推動(dòng)低碳化、電氣化、數(shù)字化、智能化的能源變革，共建綠色美好未來。

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