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袁曉冬:直流配電儲能應用及電能質量

2018-06-05 17:13:12 中國儲能網  點擊量: 評論 (0)
國網江蘇省電力公司電力科學研究院電網技術中心副主任袁曉冬在“直流配電與儲能專場”,發表了題為“直流配電儲能應用及電能質量”的精彩演講。

 

電力電子隔離以后就變成有序控制,加上功率的能量庫。而功率能量庫有兩塊,一塊如果是用交流系統和直流連接,就是交流上大量的功率,另外如果儲能能夠大量發展,儲能就是一個非常好的功率能量塊,而儲能成為很好的功率調整板塊,未來在電網配置里面它將是舉足輕重的點,這里面的電能質量控制包括了主動式保護技術、直流濾波器、高低壓穿越和儲能,這是非常有意思的東西,它一下子就把直流配網電能質量控制的難度降低到我們完全能夠承受的地步。

(見PPT)我們看一個例子,這是南京國臣直流配電科技公司做的主動保護的一個技術,這個實驗是我們在他們的直流樓宇里面做的,我做了一個低壓端的短路,我們看上一層的220V直流母線上的電能質量狀況,在低壓側發生斷路之后,上一層的直流配網里面擾動持續時間不超過1毫秒,所有問題能夠有效地被控制在我的隔離圈之外,里面的直流配網能夠完全不受影響,當然這只是一個技術,或者一種產品。類似的技術我覺得只要應用成熟之后,我們的直流配電網的電能質量就能被有效地控制住。

(見PPT)我們來看一個典型的電力電子器件時序上的響應過程。從最早的DSP的信號發出,到最后做電網源荷響應,在整個過程中它經歷了很多階段,包括死區延時,驅動電路響應延時、結電容響應延時、DSP控制回路延時等等。

這是它的器件相應的尺度,也就是死區這部分,它主要是在PWM輸出的時候,為了使H橋和半H橋上下管不會因為開關速度問題發生同時導通而設置的一個保護,這個時間其實很短,在這里面死區的主要成分就會產生一些低頻的諧波增量。

再下一個尺度的電能質量問題就到了DSP控制回路部分,這里會產生一個開關紋波,這完全取決于現在我的頻率,現在開關紋波的頻率和IGBT開關頻率的整數倍,由于離散化導致,無法消除。(見PPT)這個圖是從別的論文上摘下來的,我們做的實驗的很多數據也是能清晰地看到這個階段的電能質量的問題。

在現在離散控制的時間尺度上,現在一個開關周期可能在比較高頻的都能上M,一般都在幾百K的狀態,容量大一點的裝置也有幾K到幾十K的采樣頻率。而在這個階段,這些諧波問題或者說超級諧波的問題其實也是不可忽略的。

再下一個時間尺度就是我們平時關注比較多的電路控制響應延時。這主要是由于PI參數中的積分參數會導致無法做到一個無盡差,因此會產生一些直流上的諧波。

再下一個時間尺度就到了和電網里面源網荷的匹配,這里面就會導致電壓偏差。現在直流電壓偏差的限值,世界各國的爭論還比較多,大家還不能完全達成一致,包括直流的電壓等級大家都不能達成一致,直流里面的電壓等級,很可能有些國家提出的想法是用直流的電壓帶代替一個直流電壓值的方式,就和我們交流上完全不一樣了,但這個事情最后會演變成什么樣,我們現在還不能完全確定。

供電電壓偏差就是這里面一個很重要的因素,我的供電電壓偏差其實就取決于在我的直流供電電壓帶里面,它的偏差的多少也決定了后面整個直流網里面電壓波動的幅度。

我們在這個供電偏差里面,主要是由幾個問題導致了電壓偏差,一是負載和電源之間的匹配程度,當負載過高或者過低都會導致明顯的電壓偏差,這很容易理解,它就是一個能量平衡的過程。第二個導致供電偏差的主要是系統的控制、跟蹤的誤差導致的,這里面我們拿MATLAB做了一個仿真,當我的誤差大一點,它的偏差也是越大的。

再一個是暫降和暫升,暫降大概是在0.1到0.9倍的額定電壓之間,持續時間10毫秒到1分鐘,暫升和沖擊都差不多。這里面的測量方法和交流會發生一定的變化,但是具體的標準還沒出來,這個發生變化基本上是肯定的,這里面有一些最新的情況,我以后再有機會會跟大家分享,目前也都在考慮當中。

還有就是暫降、暫升形成原因的分析,暫降主要是由直流系統、電力電子變換器的故障突然出現大的變化,比如說大功率設備的啟動引起的,這里面給的問題也是我們在直流側做的暫降分析的波形。

另外在直流里面還有一個很重要的問題,就是直流里面不平衡的問題。在直流里面我們為了提高設備的功率的利用效率,我們一般都會采用雙極的供電系統,它的不平衡跟原來交流里面三相不平衡不太一樣,原來三相是指各相之間不平衡,而在直流里面指的是正對地和負對地之間的不平衡。根據目前的研究來看,在兩個DC/DC電路里面,當C1和C2嚴重不平衡的時候,假設超過25%,開關管的應力就會超出一個設定值,所以我們在直流里面的不平衡大概的限值也就會從這個角度去考量。

在直流里面還有一個涉及到稍微復雜一點的問題,就是直流里面多個變流器協調控制的問題,這可能是直流里面控制難度最大的一個問題,以后各個高校寫文章或者做研究關注的焦點也在這里,如果大家步調不一致的話,它很有可能會產生問題,或者說每一個變流器、控制器都能有一個相當于分散自律的控制方式,可能能夠保證它協調。但是實際上都做不到,各家都有自己的一個策略,所以它這里面如何讓不同的變流器之間互相能夠步調一致是很難的事情。這里面我們也給出了一些直流里面發生振蕩的問題,其實在目前的角度來看,可能暫時是無法避免的,當然未來可能我們把控制做得更加精細,應該是能夠把這個事情解決的。

這是我剛剛講的一些問題的簡單的小結,交流機電系統、交流電子電離化系統、直流配電系統,我們現在認為在直流配電系統里面它的電能質量問題更小、更加可控,而且有非常好的主動控制的方式解決。

最后講一下儲能在直流配電當中的作用。我們覺得儲能在直流配電當中到底起什么樣的作用?其實我可以把它類比于給我的直流配電系統做一個支撐的交流系統的地位。當然我的這個想法很多都是基于第一性原理,我認為儲能未來的價格走向和它的產能,它在整個系統內總量和儲能未來的能量密度能達到的程度,我是對未來做了一個推算之后大概得到的結論。

在未來的直流配電系統里面,儲能存在的位置會非常多,包括電動汽車以及其它的地方,儲能的量也會很大,我們只要想到儲能能夠足夠便宜的話,它的量就會很大,而儲能的量很大,它在配網里面起到的作用跟支撐配網的交流電網是完全一樣的。

這是一個典型的直流配網的結構,光伏當然也是做下垂這樣的控制,但是光伏因為是一個波動性的源,所以其實是不可控的,而交流網我們認為是一個非常穩定的供能的大網,當然它是一個很穩定的網。大家認為現在儲能的量很少,我只能把它作為一個點綴性的東西算一下,但是實際上如果儲能的量很大的話,我們也能把儲能看成是一個交流網的作用,如果是這樣看的話,儲能真正能夠把電力系統的發、輸、配、變、用的各個環節進行解耦,原來整個電力系統的形態和我思考問題的方式都會發生一些變化。現在也會有些人說這個事情離得還很遠,或者我們現在想這個事情是不是還太早。但是我覺得有兩個證據可以說明我們現在這個事情已經值得探討了。第一是我一開始講的,在深圳這個土地上長出來的騰訊這個企業,小的時候我上網還是用貓聯網,根本想不到可以應用微信,但是可能這個事情在轉瞬之間也就到達了。第二就是前面我講到的,這里面有一個指數級發展的規律,現在這個行業已經進入到爆發期,無論是從它的價格上還是它的功能上,都會有一個指數級爆發的趨勢,這個趨勢不是在我們儲能行業單單發生,在原來的電子行業,以及其它的很多行業,我們想想現在做的基因測序之類的東西,早幾年的時候可能非常貴,瞬間它的價格就能下來,我們這個行業其實也正在面臨著這樣一個過程。而在這個過程中,我們去想這些問題,可能就是要用這樣的思路去走。

這是我引用了劉健老師在《未來配電網的主要形態》當中的觀點,他也是認為未來的配電網主要形態就是低壓的直流微電網,他大概給了一些結論,我就帶大家簡單瀏覽一下,現在的電網結構存在的問題,主要是高壓、中壓饋線長,大部分的問題都是線路上的故障,另外還有交流的傳輸效率的問題,分布式電源接入、分布式設備負荷低等等問題。他提出的未來配電網的形態,這兩天我們所有討論的儲能話題里面都沒有談到這個事情,就是未來電網中間有一就沒有了,電網只保留一個高壓電網,然后是低壓配電網,這里面的儲能的量很大,每家每戶做儲能的時候,都不需要電網了的,直接用一個儲能設備,一個月的用電量就夠了,然后就像換煤氣一樣,把這些儲能塊拿去重新充電,這中間就沒有網的事情,中間就變成一個物流的事情,可以交給京東來干這個事情,末端是我們現在討論的事情,上端是電網公司討論的事情。我覺得這個想法也很穿越,但是這個想法實現的可能性也很大,如果我的儲能的價格按現在這個走向再走一段的話,可能就能達到這樣的程度。

當然這里面也給出了一些技術差距,可能都是在儲能上,其實在其它的技術領域現在已經沒有什么明顯的技術上的障礙,只有在儲能方面,大家說儲能未來還有什么商業模式,我覺得完全可以想到這樣一個事情。

(見PPT)這是原來中國電科院的一張PPT,當儲能達到8到10千瓦時每公斤的時候,相當于汽油的熱值,將推動能量塊的應用,我們的儲能設備的應用就會有很大的發展。

這是儲能的概念車,這個東西沒準兩三年就能形成,未來的電動汽車全是這種模塊化的,甚至有專門做儲能的一節一節的模塊,如果在一個社區里面我需要多少儲能,我呼喚一下,這種儲能就以電動車的方式開到我家,就在我這邊可以用電了,我不需要的時候,它自己開到電網那邊充電,這個形態跟我們現在做滴滴有什么區別?其實一點區別都沒有,在物流這個形態和在外圍APP做導航的上面,其實技術都解決了,就等著儲能的發展。

安徒生童話中《皇帝的新裝》這個故事大家都很清楚,這里面有一句很拗口的話“看上去不對,但其他人都說這是對的,所以這肯定是對的,所以我要裝作我也覺得這是對的,所以沒有人看出我的愚蠢”,這個故事很深奧的一點,它在這里面劃分出四類人,還是回到我前面講的廚子和大廚的關系,他劃分出的四類人,第一類是驕傲的廚子,他是教條的酷愛者,他覺得這個事情肯定就是這樣的。第二是不安的廚子,他困惑自己為什么那么笨,因為他看到了這個事情要這么變,但是別人都在這么說這個事情不是這樣的,他覺得自己為什么這么笨,他必須要接受大家認可的東西。第三腹誹的廚子,他看到了這個事情本質,但是大家都這樣做,他也要假裝不知道。最后一個是大廚,就是這個故事里面的小孩,他看到了事情的真相,他站出來喊出這個真相。我覺得這個儲能大會也是讓我們這些大廚一展伸手的地方。

我的報告就到這里,謝謝大家。

(本文根據現場錄音整理,未經本人審核)

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