中國儲能網(wǎng)訊：2019年10月11-12日，第六屆儲能技術(shù)在分布式能源與微電網(wǎng)中應(yīng)用高層研討會”在深圳召開。來自科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計院、新能源發(fā)電企業(yè)、電力公司、系統(tǒng)集成商、電池制造企業(yè)、電氣元器件企業(yè)、新能源制造企業(yè)、項目承包商、投融資機(jī)構(gòu)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(shù)總監(jiān)郭威分享了主題報告《微電網(wǎng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)設(shè)計的一些項目經(jīng)驗。今天這個題目比較大，里面的關(guān)鍵技術(shù)也很多，我下面重點從微電網(wǎng)設(shè)計的安全、可靠性和系統(tǒng)可用容量及效率等幾個方面進(jìn)行闡述。主要包括四個部分：微電網(wǎng)的組成——微電網(wǎng)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(wǎng)的理解。二是微電網(wǎng)設(shè)計的要點和關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)首先包括電源側(cè)——現(xiàn)在用得比較多的風(fēng)電、光伏、柴油發(fā)電機(jī)以及儲能，負(fù)載包括電機(jī)類負(fù)載，對電網(wǎng)的沖擊比較大；電力電子類的負(fù)載，還有一些電熱鍋爐，是電阻性負(fù)載。電源和負(fù)載與大電網(wǎng)連接起來就是并網(wǎng)型的，不連起來就是離網(wǎng)型。這是我們對微電網(wǎng)的基本理解。
在這個基礎(chǔ)上，我們先來看看電源側(cè)有哪些特點？儲能和柴發(fā)屬于比較優(yōu)質(zhì)的電源，重點看一下風(fēng)電和光伏，風(fēng)電的發(fā)電波動性非常大，有風(fēng)的時候發(fā)，沒風(fēng)的時候不發(fā)，是非常任性的電源負(fù)載，隨著天氣的變化波動性非常大；光伏也是一樣的，白天發(fā)電晚上休息，陰雨雪天也不能滿功率發(fā)電，在兩種電源配合下，我們怎么樣保證微電網(wǎng)的安全，何況還要適配不同的負(fù)載使用。比如說負(fù)荷，電機(jī)類負(fù)載啟動的時候，電機(jī)直接（全壓）啟動，電機(jī)的瞬間啟動電流可以達(dá)到電機(jī)額定電流的9倍以上，實際上我見過最大電流可以達(dá)到額定電流的11倍左右，導(dǎo)致電機(jī)的開關(guān)速斷保護(hù)動作。給電機(jī)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(guān)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(chǎn)生諧波影響負(fù)載的同時，負(fù)載又產(chǎn)生諧波影響電源，導(dǎo)致微電網(wǎng)的運行隱患重重。我們在設(shè)計微電網(wǎng)時，重點要考慮電網(wǎng)的安全性，其次電網(wǎng)要穩(wěn)定和可靠，微電網(wǎng)組成以后，儲能的實際可用容量和能量轉(zhuǎn)換效率也是我們關(guān)心的重點。
十幾年來我基本都是從事電力電子相關(guān)的工作，我們看到的風(fēng)機(jī)、光伏，實際上很多是大功率的電力電子逆變器，對于負(fù)載來說，包括很多的電源也是電力電子的負(fù)載，包括通訊基站、服務(wù)器和辦公設(shè)備，包括變頻器、軟起動器，這些都是電力電子的負(fù)載，一邊是電源，一邊是負(fù)荷，包括微電網(wǎng)里使用的空調(diào)，很多的空調(diào)使用的是變頻空調(diào)，這個是小的家用的空調(diào)，還有一些LED照明燈，這些都會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的諧波污染，最終的結(jié)果是圖上左邊是基波波形，各種負(fù)載加進(jìn)去以后導(dǎo)致電源發(fā)生很多的畸變產(chǎn)生很多奇次諧波，會導(dǎo)致電能質(zhì)量非常差，這種特別差的電源對微電網(wǎng)造成很大的安全隱患。比如諧波會使變壓器的損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重，震動加劇，壽命減少；會使電線電纜的集膚效應(yīng)增加，溫度升高，絕緣老化，有引起火災(zāi)的風(fēng)險；會使無功補(bǔ)償裝置投切開關(guān)損壞，內(nèi)部電容過熱發(fā)熱，嚴(yán)重時鼓包甚至引起爆炸，對微電網(wǎng)的運行造成很大的影響；會直接或間接影響微電網(wǎng)內(nèi)部通信設(shè)備、服務(wù)器等的正常工作，導(dǎo)致通信線路和設(shè)備工作異常、宕機(jī)、停機(jī)。這些都是諧波對微電網(wǎng)帶來的危險，應(yīng)該引起我們的高度重視，在設(shè)計階段盡量避免。
下面我們再看電機(jī)類負(fù)載啟動引起的風(fēng)險，電動機(jī)啟動電流非常大，我們的電源——風(fēng)機(jī)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(jī)，在電網(wǎng)容量非常強(qiáng)大的時候就不會有很大影響，當(dāng)電網(wǎng)容量不不夠強(qiáng)大的時候，就會對微電網(wǎng)的安全性造成很大的影響，甚至直接導(dǎo)致光伏逆變器、風(fēng)機(jī)變流器和儲能系統(tǒng)發(fā)生保護(hù)動作。
左邊是幾種電源，右邊是幾種負(fù)載，當(dāng)最大電流可以達(dá)到電機(jī)額定電流的10倍，教科書上講的是7到8倍，工程應(yīng)用是10到11倍甚至更高。對于解決這種問題，常規(guī)的解決辦法是，如果電機(jī)負(fù)載有調(diào)速的需求，風(fēng)機(jī)、水泵需要進(jìn)行恒壓恒流量工作時，可以采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，變頻器啟動的過程本身是軟啟動，對電網(wǎng)不會造成一定的沖擊，可以保證電機(jī)啟動和運行電流降低到額定電流之下；當(dāng)我們的電機(jī)沒有調(diào)速的需求，我們完全可以采用現(xiàn)在比較流行的軟起動器保證電機(jī)啟動電流控制在額定范圍，不管是白天還是晚上，不管是風(fēng)電還是光伏還是儲能作為單一電源，都不會對微電網(wǎng)造成巨大沖擊。
關(guān)于儲能系統(tǒng)的可用容量和能量轉(zhuǎn)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(lián)問題的，也有解決電池并聯(lián)問題的。大家都知道電池并聯(lián)以后，由于單電池SOC和SOH的不同，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)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(lián)之后，我們的BMS檢測到的是電池并聯(lián)后的SOC、內(nèi)阻和電流，依此進(jìn)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(jiān)測本身就不準(zhǔn)，進(jìn)行均衡控制的時候偏差就會進(jìn)一步放大，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)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(dāng)大量的電芯串聯(lián)、并聯(lián)之后，儲能系統(tǒng)的可用DOD范圍會進(jìn)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(qū)別，木桶短板效應(yīng)導(dǎo)致儲能系統(tǒng)可用的容量進(jìn)一步收窄。隨著電芯、pack數(shù)量的增多，電池充放電次數(shù)的增加，電芯SOH離散化加劇，儲能系統(tǒng)DOD會快速衰減，嚴(yán)重影響電池系統(tǒng)可輸出的電量。比如新系統(tǒng)在裝機(jī)的時候扣除系統(tǒng)效率可放電容量可以達(dá)到80%，DOD控制在90%，實際容量是達(dá)不到的，運行到1000次循環(huán)以后，這個值會大幅度降低。
這張圖是我們對儲能系統(tǒng)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(jìn)一步導(dǎo)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(tǒng)DOD控制進(jìn)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(dǎo)致系統(tǒng)可放電率和系統(tǒng)效率加速下降。
我們對儲能系統(tǒng)損耗的分析，研究系統(tǒng)的可用容量和系統(tǒng)效率，對這塊進(jìn)行分析，可以看到系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)部之前存的電量，實際放出來的電量會進(jìn)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(wǎng)的設(shè)計者，我們最終關(guān)心的是幾個非常重要的指標(biāo)，比如可用容量裝機(jī)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(diào)峰的場景，對于削峰填谷或是微電網(wǎng)，安裝同樣的容量，希望放出來更多的能量，關(guān)注的是放電可用率。
儲能綜合效率是以交流電網(wǎng)并網(wǎng)點為卡口進(jìn)行評估，儲能系統(tǒng)的綜合效率應(yīng)該是實際放電量減控制損耗、減散熱保溫?fù)p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(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)損耗的四個個定義，這是我們微電網(wǎng)在做儲能選型和設(shè)計都應(yīng)該密切關(guān)注和為客戶考慮的。
我們自己在做這塊微電網(wǎng)的設(shè)計，比如這里是一個微電網(wǎng)，電源包括風(fēng)電、光伏、儲能，負(fù)載包括電機(jī)、開關(guān)電源和電阻性負(fù)載，對于諧波來說應(yīng)該怎么抑制？常規(guī)的方法是做LC濾波電路設(shè)計，電網(wǎng)設(shè)計的時候可以預(yù)計算電網(wǎng)主要的諧波主要包含的諧波成本，以此為基礎(chǔ)設(shè)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(fā)熱的形式消耗掉。試想一下，本來儲能系統(tǒng)的造價就比較高，存儲電量供負(fù)載使用都比較緊張，功率也小，結(jié)果還被濾波器以發(fā)熱的形式消耗掉好多。最近幾年隨著電力電子技術(shù)不斷成熟和發(fā)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(guān)器件把諧波能量回饋到電網(wǎng)里，只消耗很少的電量，以此保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全，控制的精度不僅可以治理電網(wǎng)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(jìn)行有效的治理，控制的精度也是非常高，確保微電網(wǎng)電能質(zhì)量優(yōu)良。
對于抑制電機(jī)類負(fù)載對電網(wǎng)造成的沖擊，常規(guī)的方法是如果采用有調(diào)速需求，就采用變頻器做軟啟動并調(diào)速，對于沒有調(diào)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(wǎng)側(cè)電流大概只有電機(jī)額定電流的1/10，這張是軟啟動器啟動電流曲線，網(wǎng)側(cè)電流基本可以控制到電機(jī)額定電流的2.5~3倍。
我們通過軟啟動器可以把電機(jī)網(wǎng)側(cè)的電流降到最小，對于一個微電網(wǎng)里存在很多臺電機(jī)的情況下，可以采用圖中一拖多的方案按照生產(chǎn)邏輯順序?qū)⒑芏嗯_電機(jī)軟啟動起來。
關(guān)于儲能系統(tǒng)的優(yōu)化選型，大家都知道智光是行業(yè)里主推級聯(lián)型高壓儲能系統(tǒng)的，后來根據(jù)應(yīng)用場景的需要，比如退役電池梯次利用的需要我們設(shè)計了低壓級聯(lián)型儲能系統(tǒng)，其實我們還有常規(guī)的兩電平集中式儲能系統(tǒng)，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(wǎng)，主要是因為級聯(lián)型儲能系統(tǒng)單機(jī)功率做得太小會失去經(jīng)濟(jì)性，所以就需要做小功率的集中式儲能產(chǎn)品。我們對三種儲能系統(tǒng)的方案進(jìn)行實驗對比測試發(fā)現(xiàn)，級聯(lián)式的儲能系統(tǒng)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(lián)型儲能系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，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(nèi)電池包的溫度極差控制在3攝氏度以內(nèi)。
我們在一直努力的方向其實是想辦法和行業(yè)配套廠家一起合作努力，設(shè)計出更高效的儲能系統(tǒng)，比如取消掉儲能系統(tǒng)的交直流濾波器，通過我們的控制進(jìn)一步的優(yōu)化提高PCS的轉(zhuǎn)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(tǒng)內(nèi)外的線路的損耗，通過優(yōu)化散熱、保溫的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理減小這一部分的損耗。
通過我們對低壓級聯(lián)儲能系統(tǒng)、集中式儲能系統(tǒng)和級連高壓型的儲能對比研究，集中式儲能系統(tǒng)由于濾波器、變壓器的存在和開關(guān)頻率過高的原因，在交流并網(wǎng)側(cè)的綜合循環(huán)效率可以達(dá)到85%以上，低壓級聯(lián)式和高壓級聯(lián)式由于不存在變壓器和濾波器，加之開關(guān)頻率較低，系統(tǒng)循環(huán)效率高達(dá)90%以上，這是產(chǎn)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(shù)、高電壓技術(shù)、自動控制技術(shù)之大成，著眼于未來智慧能源和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在能源領(lǐng)域非常重要的，截止目前我們在儲能技術(shù)領(lǐng)域已有超過七年的研究和應(yīng)用經(jīng)驗。
我們有自己的核心控制技術(shù)，包括電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、和高電壓技術(shù)，以此為基礎(chǔ)我們建立了自己的研發(fā)體系，包括企業(yè)技術(shù)中心、綜合能源實驗室、博士后科研工作站、科技企業(yè)孵化器、中試與產(chǎn)業(yè)化等，自主研發(fā)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電端、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、用電端、新能源和電網(wǎng)安全。
最近我們又獲批建立廣東省大功率電力電子技術(shù)工程實驗室，并榮獲“2019年綠色制造系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商——通用機(jī)電設(shè)備綠色改造提升系統(tǒng)集成應(yīng)用解決方案供應(yīng)商”資格。
我的報告就分享到這里，謝謝大家！
