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智光儲能郭威:微電網設計的關鍵技術研究

作者:中國儲能網新聞中心 來源:中國儲能網 發布時間:2019-10-16 瀏覽:次
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球探篮球比分皇冠 www.622627.live 中國儲能網訊:2019年10月11-12日,第六屆儲能技術在分布式能源與微電網中應用高層研討會”在深圳召開。來自科研機構、設計院、新能源發電企業、電力公司、系統集成商、電池制造企業、電氣元器件企業、新能源制造企業、項目承包商、投融資機構等500余人參加了本次會議。

在會上,廣州智光儲能科技有限公司技術總監郭威分享了主題報告《微電網設計的關鍵技術研究》,以下為演講實錄:

郭威:各位來賓、各位朋友,大家下午好!我是智光儲能的郭威,今天跟大家分享一下智光儲能參與的微電網設計的一些項目經驗。今天這個題目比較大,里面的關鍵技術也很多,我下面重點從微電網設計的安全、可靠性和系統可用容量及效率等幾個方面進行闡述。主要包括四個部分:微電網的組成——微電網的組成不同的廠家、不同的人有不同的理解,我講一下我們對微電網的理解。二是微電網設計的要點和關鍵技術以及智光在這塊的研究,最后簡單介紹一下廣州智光儲能科技有限公司。

微電網首先包括電源側——現在用得比較多的風電、光伏、柴油發電機以及儲能,負載包括電機類負載,對電網的沖擊比較大;電力電子類的負載,還有一些電熱鍋爐,是電阻性負載。電源和負載與大電網連接起來就是并網型的,不連起來就是離網型。這是我們對微電網的基本理解。

在這個基礎上,我們先來看看電源側有哪些特點?儲能和柴發屬于比較優質的電源,重點看一下風電和光伏,風電的發電波動性非常大,有風的時候發,沒風的時候不發,是非常任性的電源負載,隨著天氣的變化波動性非常大;光伏也是一樣的,白天發電晚上休息,陰雨雪天也不能滿功率發電,在兩種電源配合下,我們怎么樣保證微電網的安全,何況還要適配不同的負載使用。比如說負荷,電機類負載啟動的時候,電機直接(全壓)啟動,電機的瞬間啟動電流可以達到電機額定電流的9倍以上,實際上我見過最大電流可以達到額定電流的11倍左右,導致電機的開關速斷?;ざ?。給電機配上軟啟動或變頻器,可以把啟動電流大幅度的降低。

我們大家都知道,開關電源存在很多的斬波電路,在工作時存在很大的諧波,3/5/7/11次諧波等,電源產生諧波影響負載的同時,負載又產生諧波影響電源,導致微電網的運行隱患重重。我們在設計微電網時,重點要考慮電網的安全性,其次電網要穩定和可靠,微電網組成以后,儲能的實際可用容量和能量轉換效率也是我們關心的重點。

十幾年來我基本都是從事電力電子相關的工作,我們看到的風機、光伏,實際上很多是大功率的電力電子逆變器,對于負載來說,包括很多的電源也是電力電子的負載,包括通訊基站、服務器和辦公設備,包括變頻器、軟起動器,這些都是電力電子的負載,一邊是電源,一邊是負荷,包括微電網里使用的空調,很多的空調使用的是變頻空調,這個是小的家用的空調,還有一些LED照明燈,這些都會對電網產生很大的諧波污染,最終的結果是圖上左邊是基波波形,各種負載加進去以后導致電源發生很多的畸變產生很多奇次諧波,會導致電能質量非常差,這種特別差的電源對微電網造成很大的安全隱患。比如諧波會使變壓器的損耗增加,發熱嚴重,震動加劇,壽命減少;會使電線電纜的集膚效應增加,溫度升高,絕緣老化,有引起火災的風險;會使無功補償裝置投切開關損壞,內部電容過熱發熱,嚴重時鼓包甚至引起爆炸,對微電網的運行造成很大的影響;會直接或間接影響微電網內部通信設備、服務器等的正常工作,導致通信線路和設備工作異常、宕機、?;?。這些都是諧波對微電網帶來的危險,應該引起我們的高度重視,在設計階段盡量避免。

下面我們再看電機類負載啟動引起的風險,電動機啟動電流非常大,我們的電源——風機的變流器、光伏逆變器和儲能雙向變流器的耐過流能力卻非常弱,幾百千瓦的電機,在電網容量非常強大的時候就不會有很大影響,當電網容量不不夠強大的時候,就會對微電網的安全性造成很大的影響,甚至直接導致光伏逆變器、風機變流器和儲能系統發生?;ざ?。

左邊是幾種電源,右邊是幾種負載,當最大電流可以達到電機額定電流的10倍,教科書上講的是7到8倍,工程應用是10到11倍甚至更高。對于解決這種問題,常規的解決辦法是,如果電機負載有調速的需求,風機、水泵需要進行恒壓恒流量工作時,可以采用變頻器進行調速,變頻器啟動的過程本身是軟啟動,對電網不會造成一定的沖擊,可以保證電機啟動和運行電流降低到額定電流之下;當我們的電機沒有調速的需求,我們完全可以采用現在比較流行的軟起動器保證電機啟動電流控制在額定范圍,不管是白天還是晚上,不管是風電還是光伏還是儲能作為單一電源,都不會對微電網造成巨大沖擊。

關于儲能系統的可用容量和能量轉換效率,今天上午到今天下午期間很多專家介紹過這塊,有解決電池串聯問題的,也有解決電池并聯問題的。大家都知道電池并聯以后,由于單電池SOC和SOH的不同,導致儲能系統的可用容量存在較大的差異,如果大量的SOC不相同的電芯,直接并聯之后,我們的BMS檢測到的是電池并聯后的SOC、內阻和電流,依此進行均衡(不管是主動式還是被動式),均衡效果都會很差,因為監測本身就不準,進行均衡控制的時候偏差就會進一步放大,導致儲能系統實際的可用容量大幅度降低。

單電芯工作的時候,DOD可以很寬,深度很深,甚至到100%;但當大量的電芯串聯、并聯之后,儲能系統的可用DOD范圍會進一步收窄,主要由于電池的SOC和電池本身的SOH存在比較大的區別,木桶短板效應導致儲能系統可用的容量進一步收窄。隨著電芯、pack數量的增多,電池充放電次數的增加,電芯SOH離散化加劇,儲能系統DOD會快速衰減,嚴重影響電池系統可輸出的電量。比如新系統在裝機的時候扣除系統效率可放電容量可以達到80%,DOD控制在90%,實際容量是達不到的,運行到1000次循環以后,這個值會大幅度降低。

這張圖是我們對儲能系統損耗的研究,好比初始的時候,可用容量比較高,100次、500次以后、1000次以后,2000次以后,可放電容量大幅度降低,更換換電池成本比較高也很浪費,不換電池的話可用能量就會很低。SOC和SOH離散化加劇的差異又會反過來作用到電池,比如說會進一步導致電芯一致性、工作倍率差、均衡策略、溫控精度、溫度一致性、電芯DOD差異、系統DOD控制進一步變差,由于集成方案的差異,SOC精度、SOC控制策略、EMS控制策略、PCS諧波,會導致系統可放電率和系統效率加速下降。

我們對儲能系統損耗的分析,研究系統的可用容量和系統效率,對這塊進行分析,可以看到系統進行充電的時候,其中有一部分是在充電過程中沒有充到電池里面直接損耗掉的,這些損耗主要是充電損耗,包括一部分的電芯損耗、BMS均衡,變壓器、線路、PCS、直流濾波器、交流濾波器等,還有額外的控制電源、散熱保暖的損耗。放電損耗這部分的電量來自于電池內部之前存的電量,實際放出來的電量會進一步降低,這些損耗和充電過程中的損耗類似,還包括控制電源的損耗、散熱、保溫等。

我們要時刻知道,我們最終的用戶和微電網的設計者,我們最終關心的是幾個非常重要的指標,比如可用容量裝機裝了10兆瓦,實際能充多少度電?這個圖是最開始的充電可用容量,放電可用率是實際放出來的電量和安裝容量之比,對于調峰的場景,對于削峰填谷或是微電網,安裝同樣的容量,希望放出來更多的能量,關注的是放電可用率。

儲能綜合效率是以交流電網并網點為卡口進行評估,儲能系統的綜合效率應該是實際放電量減控制損耗、減散熱保溫損耗、再除以實際充電量的。充電開始算起,圖中是充電可用率、放電可用率、能量轉換效率和系統損耗的四個個定義,這是我們微電網在做儲能選型和設計都應該密切關注和為客戶考慮的。

我們自己在做這塊微電網的設計,比如這里是一個微電網,電源包括風電、光伏、儲能,負載包括電機、開關電源和電阻性負載,對于諧波來說應該怎么抑制?常規的方法是做LC濾波電路設計,電網設計的時候可以預計算電網主要的諧波主要包含的諧波成本,以此為基礎設計出初始的濾波器,利用濾波器里的電容器把這些諧波吸收并以發熱的形式消耗掉。試想一下,本來儲能系統的造價就比較高,存儲電量供負載使用都比較緊張,功率也小,結果還被濾波器以發熱的形式消耗掉好多。最近幾年隨著電力電子技術不斷成熟和發展,研究諧波治理比較熱門的是有緣濾波器APF,通過IGBT等開關器件把諧波能量回饋到電網里,只消耗很少的電量,以此保證微電網系統的安全,控制的精度不僅可以治理電網三次、五次、七次諧波,甚至更高的奇次諧波,比如十一次以上的,都可以進行有效的治理,控制的精度也是非常高,確保微電網電能質量優良。

對于抑制電機類負載對電網造成的沖擊,常規的方法是如果采用有調速需求,就采用變頻器做軟啟動并調速,對于沒有調速需求的采用軟啟動器軟起。這張圖是變頻器啟動電流曲線,網側電流大概只有電機額定電流的1/10,這張是軟啟動器啟動電流曲線,網側電流基本可以控制到電機額定電流的2.5~3倍。

我們通過軟啟動器可以把電機網側的電流降到最小,對于一個微電網里存在很多臺電機的情況下,可以采用圖中一拖多的方案按照生產邏輯順序將很多臺電機軟啟動起來。

關于儲能系統的優化選型,大家都知道智光是行業里主推級聯型高壓儲能系統的,后來根據應用場景的需要,比如退役電池梯次利用的需要我們設計了低壓級聯型儲能系統,其實我們還有常規的兩電平集中式儲能系統,功率在100~630kW,電壓0.4kV,通過變壓器可以接入更高電壓的電網,主要是因為級聯型儲能系統單機功率做得太小會失去經濟性,所以就需要做小功率的集中式儲能產品。我們對三種儲能系統的方案進行實驗對比測試發現,級聯式的儲能系統效率是最高的,充電可用容量和放電可用容量也是最高的,這張圖是我們級聯型儲能系統的運行數據,電池包SOC極差在充滿電和放完電的情況下基本控制在0.5~2%,這是電池集裝箱內電池包的溫度極差控制在3攝氏度以內。

我們在一直努力的方向其實是想辦法和行業配套廠家一起合作努力,設計出更高效的儲能系統,比如取消掉儲能系統的交直流濾波器,通過我們的控制進一步的優化提高PCS的轉換效率,降低PCS功率損耗,減少甚至消除變壓器的損耗,通過減小交流電流減小儲能系統內外的線路的損耗,通過優化散熱、保溫的結構設計合理減小這一部分的損耗。

通過我們對低壓級聯儲能系統、集中式儲能系統和級連高壓型的儲能對比研究,集中式儲能系統由于濾波器、變壓器的存在和開關頻率過高的原因,在交流并網側的綜合循環效率可以達到85%以上,低壓級聯式和高壓級聯式由于不存在變壓器和濾波器,加之開關頻率較低,系統循環效率高達90%以上,這是產品實際測試的成果。

最后簡單介紹一下廣州智光儲能科技有限公司,是廣州智光電氣股份有限公司的全資子公司,是智光電氣集成自身20年來在電力電子技術、高電壓技術、自動控制技術之大成,著眼于未來智慧能源和工業互聯網的發展,在能源領域非常重要的,截止目前我們在儲能技術領域已有超過七年的研究和應用經驗。

我們有自己的核心控制技術,包括電機控制技術、電力電子技術、和高電壓技術,以此為基礎我們建立了自己的研發體系,包括企業技術中心、綜合能源實驗室、博士后科研工作站、科技企業孵化器、中試與產業化等,自主研發的產品廣泛應用于電力系統的發電端、輸電網、配電網、用電端、新能源和電網安全。

最近我們又獲批建立廣東省大功率電力電子技術工程實驗室,并榮獲“2019年綠色制造系統解決方案供應商——通用機電設備綠色改造提升系統集成應用解決方案供應商”資格。

我的報告就分享到這里,謝謝大家!

關鍵字:微電網

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