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智光储能郭威:微电网设计的关键技术研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2019-10-16 浏览:
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中国储能网讯:2019年10月11-12日,第六届储能技术在分布式能源与微电网中应用高层研讨会”在深圳召开。来自科研机构、设计院、新能源发电企业、电力公司、系统集成商、电池制造企业、电气元器件企业、新能源制造企业、项目承包商、投融资机构等500余人参加了本次会议。

在会上,广州智光储能科技有限公司技术总监郭威分享了主题报告《微电网设计的关键技术研究》,以下为演讲实录:

郭威:各位来宾、各位朋友,大家下午好!我是智光储能的郭威,今天跟大家分享一下智光储能参与的微电网设计的一些项目经验。今天这个题目比较大,里面的关键技术也很多,我下面重点从微电网设计的安全、可靠性和系统可用容量及效率等几个方面进行阐述。主要包括四个部分:微电网的组成——微电网的组成不同的厂家、不同的人有不同的理解,我讲一下我们对微电网的理解。二是微电网设计的要点和关键技术以及智光在这块的研究,最后简单介绍一下广州智光储能科技有限公司。

微电网首先包括电源侧——现在用得比较多的风电、光伏、柴油发电机以及储能,负载包括电机类负载,对电网的冲击比较大;电力电子类的负载,还有一些电热锅炉,是电阻性负载。电源和负载与大电网连接起来就是并网型的,不连起来就是离网型。这是我们对微电网的基本理解。

在这个基础上,我们先来看看电源侧有哪些特点?储能和柴发属于比较优质的电源,重点看一下风电和光伏,风电的发电波动性非常大,有风的时候发,没风的时候不发,是非常任性的电源负载,随着天气的变化波动性非常大;光伏也是一样的,白天发电晚上休息,阴雨雪天也不能满功率发电,在两种电源配合下,我们怎么样保证微电网的安全,何况还要适配不同的负载使用。比如说负荷,电机类负载启动的时候,电机直接(全压)启动,电机的瞬间启动电流可以达到电机额定电流的9倍以上,实际上我见过最大电流可以达到额定电流的11倍左右,导致电机的开关速断保护动作。给电机配上软启动或变频器,可以把启动电流大幅度的降低。

我们大家都知道,开关电源存在很多的斩波电路,在工作时存在很大的谐波,3/5/7/11次谐波等,电源产生谐波影响负载的同时,负载又产生谐波影响电源,导致微电网的运行隐患重重。我们在设计微电网时,重点要考虑电网的安全性,其次电网要稳定和可靠,微电网组成以后,储能的实际可用容量和能量转换效率也是我们关心的重点。

十几年来我基本都是从事电力电子相关的工作,我们看到的风机、光伏,实际上很多是大功率的电力电子逆变器,对于负载来说,包括很多的电源也是电力电子的负载,包括通讯基站、服务器和办公设备,包括变频器、软起动器,这些都是电力电子的负载,一边是电源,一边是负荷,包括微电网里使用的空调,很多的空调使用的是变频空调,这个是小的家用的空调,还有一些LED照明灯,这些都会对电网产生很大的谐波污染,最终的结果是图上左边是基波波形,各种负载加进去以后导致电源发生很多的畸变产生很多奇次谐波,会导致电能质量非常差,这种特别差的电源对微电网造成很大的安全隐患。比如谐波会使变压器的损耗增加,发热严重,震动加剧,寿命减少;会使电线电缆的集肤效应增加,温度升高,绝缘老化,有引起火灾的风险;会使无功补偿装置投切开关损坏,内部电容过热发热,严重时鼓包甚至引起爆炸,对微电网的运行造成很大的影响;会直接或间接影响微电网内部通信设备、服务器等的正常工作,导致通信线路和设备工作异常、宕机、停机。这些都是谐波对微电网带来的危险,应该引起我们的高度重视,在设计阶段尽量避免。

下面我们再看电机类负载启动引起的风险,电动机启动电流非常大,我们的电源——风机的变流器、光伏逆变器和储能双向变流器的耐过流能力却非常弱,几百千瓦的电机,在电网容量非常强大的时候就不会有很大影响,当电网容量不不够强大的时候,就会对微电网的安全性造成很大的影响,甚至直接导致光伏逆变器、风机变流器和储能系统发生保护动作。

左边是几种电源,右边是几种负载,当最大电流可以达到电机额定电流的10倍,教科书上讲的是7到8倍,工程应用是10到11倍甚至更高。对于解决这种问题,常规的解决办法是,如果电机负载有调速的需求,风机、水泵需要进行恒压恒流量工作时,可以采用变频器进行调速,变频器启动的过程本身是软启动,对电网不会造成一定的冲击,可以保证电机启动和运行电流降低到额定电流之下;当我们的电机没有调速的需求,我们完全可以采用现在比较流行的软起动器保证电机启动电流控制在额定范围,不管是白天还是晚上,不管是风电还是光伏还是储能作为单一电源,都不会对微电网造成巨大冲击。

关于储能系统的可用容量和能量转换效率,今天上午到今天下午期间很多专家介绍过这块,有解决电池串联问题的,也有解决电池并联问题的。大家都知道电池并联以后,由于单电池SOC和SOH的不同,导致储能系统的可用容量存在较大的差异,如果大量的SOC不相同的电芯,直接并联之后,我们的BMS检测到的是电池并联后的SOC、内阻和电流,依此进行均衡(不管是主动式还是被动式),均衡效果都会很差,因为监测本身就不准,进行均衡控制的时候偏差就会进一步放大,导致储能系统实际的可用容量大幅度降低。

单电芯工作的时候,DOD可以很宽,深度很深,甚至到100%;但当大量的电芯串联、并联之后,储能系统的可用DOD范围会进一步收窄,主要由于电池的SOC和电池本身的SOH存在比较大的区别,木桶短板效应导致储能系统可用的容量进一步收窄。随着电芯、pack数量的增多,电池充放电次数的增加,电芯SOH离散化加剧,储能系统DOD会快速衰减,严重影响电池系统可输出的电量。比如新系统在装机的时候扣除系统效率可放电容量可以达到80%,DOD控制在90%,实际容量是达不到的,运行到1000次循环以后,这个值会大幅度降低。

这张图是我们对储能系统损耗的研究,好比初始的时候,可用容量比较高,100次、500次以后、1000次以后,2000次以后,可放电容量大幅度降低,更换换电池成本比较高也很浪费,不换电池的话可用能量就会很低。SOC和SOH离散化加剧的差异又会反过来作用到电池,比如说会进一步导致电芯一致性、工作倍率差、均衡策略、温控精度、温度一致性、电芯DOD差异、系统DOD控制进一步变差,由于集成方案的差异,SOC精度、SOC控制策略、EMS控制策略、PCS谐波,会导致系统可放电率和系统效率加速下降。

我们对储能系统损耗的分析,研究系统的可用容量和系统效率,对这块进行分析,可以看到系统进行充电的时候,其中有一部分是在充电过程中没有充到电池里面直接损耗掉的,这些损耗主要是充电损耗,包括一部分的电芯损耗、BMS均衡,变压器、线路、PCS、直流滤波器、交流滤波器等,还有额外的控制电源、散热保暖的损耗。放电损耗这部分的电量来自于电池内部之前存的电量,实际放出来的电量会进一步降低,这些损耗和充电过程中的损耗类似,还包括控制电源的损耗、散热、保温等。

我们要时刻知道,我们最终的用户和微电网的设计者,我们最终关心的是几个非常重要的指标,比如可用容量装机装了10兆瓦,实际能充多少度电?这个图是最开始的充电可用容量,放电可用率是实际放出来的电量和安装容量之比,对于调峰的场景,对于削峰填谷或是微电网,安装同样的容量,希望放出来更多的能量,关注的是放电可用率。

储能综合效率是以交流电网并网点为卡口进行评估,储能系统的综合效率应该是实际放电量减控制损耗、减散热保温损耗、再除以实际充电量的。充电开始算起,图中是充电可用率、放电可用率、能量转换效率和系统损耗的四个个定义,这是我们微电网在做储能选型和设计都应该密切关注和为客户考虑的。

我们自己在做这块微电网的设计,比如这里是一个微电网,电源包括风电、光伏、储能,负载包括电机、开关电源和电阻性负载,对于谐波来说应该怎么抑制?常规的方法是做LC滤波电路设计,电网设计的时候可以预计算电网主要的谐波主要包含的谐波成本,以此为基础设计出初始的滤波器,利用滤波器里的电容器把这些谐波吸收并以发热的形式消耗掉。试想一下,本来储能系统的造价就比较高,存储电量供负载使用都比较紧张,功率也小,结果还被滤波器以发热的形式消耗掉好多。最近几年随着电力电子技术不断成熟和发展,研究谐波治理比较热门的是有缘滤波器APF,通过IGBT等开关器件把谐波能量回馈到电网里,只消耗很少的电量,以此保证微电网系统的安全,控制的精度不仅可以治理电网三次、五次、七次谐波,甚至更高的奇次谐波,比如十一次以上的,都可以进行有效的治理,控制的精度也是非常高,确保微电网电能质量优良。

对于抑制电机类负载对电网造成的冲击,常规的方法是如果采用有调速需求,就采用变频器做软启动并调速,对于没有调速需求的采用软启动器软起。这张图是变频器启动电流曲线,网侧电流大概只有电机额定电流的1/10,这张是软启动器启动电流曲线,网侧电流基本可以控制到电机额定电流的2.5~3倍。

我们通过软启动器可以把电机网侧的电流降到最小,对于一个微电网里存在很多台电机的情况下,可以采用图中一拖多的方案按照生产逻辑顺序将很多台电机软启动起来。

关于储能系统的优化选型,大家都知道智光是行业里主推级联型高压储能系统的,后来根据应用场景的需要,比如退役电池梯次利用的需要我们设计了低压级联型储能系统,其实我们还有常规的两电平集中式储能系统,功率在100~630kW,电压0.4kV,通过变压器可以接入更高电压的电网,主要是因为级联型储能系统单机功率做得太小会失去经济性,所以就需要做小功率的集中式储能产品。我们对三种储能系统的方案进行实验对比测试发现,级联式的储能系统效率是最高的,充电可用容量和放电可用容量也是最高的,这张图是我们级联型储能系统的运行数据,电池包SOC极差在充满电和放完电的情况下基本控制在0.5~2%,这是电池集装箱内电池包的温度极差控制在3摄氏度以内。

我们在一直努力的方向其实是想办法和行业配套厂家一起合作努力,设计出更高效的储能系统,比如取消掉储能系统的交直流滤波器,通过我们的控制进一步的优化提高PCS的转换效率,降低PCS功率损耗,减少甚至消除变压器的损耗,通过减小交流电流减小储能系统内外的线路的损耗,通过优化散热、保温的结构设计合理减小这一部分的损耗。

通过我们对低压级联储能系统、集中式储能系统和级连高压型的储能对比研究,集中式储能系统由于滤波器、变压器的存在和开关频率过高的原因,在交流并网侧的综合循环效率可以达到85%以上,低压级联式和高压级联式由于不存在变压器和滤波器,加之开关频率较低,系统循环效率高达90%以上,这是产品实际测试的成果。

最后简单介绍一下广州智光储能科技有限公司,是广州智光电气股份有限公司的全资子公司,是智光电气集成自身20年来在电力电子技术、高电压技术、自动控制技术之大成,着眼于未来智慧能源和工业互联网的发展,在能源领域非常重要的,截止目前我们在储能技术领域已有超过七年的研究和应用经验。

我们有自己的核心控制技术,包括电机控制技术、电力电子技术、和高电压技术,以此为基础我们建立了自己的研发体系,包括企业技术中心、综合能源实验室、博士后科研工作站、科技企业孵化器、中试与产业化等,自主研发的产品广泛应用于电力系统的发电端、输电网、配电网、用电端、新能源和电网安全。

最近我们又获批建立广东省大功率电力电子技术工程实验室,并荣获“2019年绿色制造系统解决方案供应商——通用机电设备绿色改造提升系统集成应用解决方案供应商”资格。

我的报告就分享到这里,谢谢大家!

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