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湖南大學(xué)李勇:電池儲(chǔ)能高效率充電及電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)

作者:中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心 來(lái)源:數(shù)字儲(chǔ)能網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:2020-11-17 瀏覽:

中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊:11月10-11日,由湖南省能源局指導(dǎo),中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的“第三屆全國(guó)電源側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用高層研討會(huì)”在長(zhǎng)沙華天酒店召開(kāi)。來(lái)自電網(wǎng)公司、設(shè)計(jì)院、系統(tǒng)集成商等領(lǐng)域的400余人參加了本次研討會(huì)。

會(huì)議期間,湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副院長(zhǎng)李勇分享了主題報(bào)告《電池儲(chǔ)能高效率充電及電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)》。中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)對(duì)其演講內(nèi)容進(jìn)行了梳理,并在此分享給大家,供大家學(xué)習(xí)、交流。李勇教授演講內(nèi)容如下:

李勇:尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家、各位同仁,上午好,我們項(xiàng)目組這幾年在儲(chǔ)能方面做了一些應(yīng)用和研究,在這里給大家介紹一下我們的研究進(jìn)展。

我匯報(bào)的題目是《電池儲(chǔ)能高效率充電和電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)》。

一、研究背景和意義,能源安全是國(guó)家層面上一直強(qiáng)調(diào)的,包括習(xí)近平主席在說(shuō)的四個(gè)革命、一個(gè)合作戰(zhàn)略問(wèn)題。儲(chǔ)能技術(shù)在推動(dòng)能源消費(fèi)革命,抑制不合理能源消費(fèi),推動(dòng)能源供給革命,建立多元供應(yīng)體系,推動(dòng)能源技術(shù)革命和能源體制革命都有非常重要的作用。

我們國(guó)家、行業(yè)和地方政府也高度重視儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,包括我們國(guó)家層面的五個(gè)部委出臺(tái)的相關(guān)指導(dǎo)的意見(jiàn),還包括湖南省《促進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能方面指導(dǎo)意見(jiàn)》。要求在十三五期間建成一批不同技術(shù)類(lèi)型、不同應(yīng)用場(chǎng)景的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目;十四五要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能項(xiàng)目的廣泛應(yīng)用,形成較為完整的產(chǎn)業(yè)體系,成為能源領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)。發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能是保障能源安全供應(yīng),推動(dòng)清潔能源發(fā)展和提高電網(wǎng)綜合能效的關(guān)鍵支撐。儲(chǔ)能的發(fā)展有不同的場(chǎng)景,目前在電網(wǎng)側(cè)有變電站和儲(chǔ)能站相結(jié)合的場(chǎng)景,湖南幾個(gè)變電站也進(jìn)行示范,通過(guò)這種變電站和儲(chǔ)能站相互的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流優(yōu)化和削峰填谷,也對(duì)電網(wǎng)的連鎖故障的診斷也會(huì)有積極的作用,湖南這邊也有三站融合的應(yīng)用,主要也是剛才各位專(zhuān)家所講的AGC/AVC的協(xié)調(diào)控制和無(wú)功電壓頻率的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

新能源發(fā)電和大功率直流充電站相互配合,這里面幾個(gè)圖片介紹的是美國(guó)的例子,國(guó)內(nèi)也有很多了。主要是光伏停車(chē)場(chǎng)和充電站,它們之間的協(xié)調(diào),還有光伏和直流充電站、電網(wǎng)相互之間的耦合。對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō),交直流混合電力系統(tǒng)的形態(tài)也在慢慢的形成,這里面查了一些資料,包括西班牙的示范性的項(xiàng)目,介紹了電動(dòng)汽車(chē)的充電站、配電網(wǎng)和牽引網(wǎng)之間的項(xiàng)目,這里面也有電動(dòng)車(chē)、電網(wǎng)、牽引網(wǎng)融合的問(wèn)題,我們也梳理出來(lái)一些我們關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題,直流側(cè)環(huán)流的問(wèn)題,交流側(cè)諧波無(wú)功的問(wèn)題,還有電網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

新能源發(fā)電的大量接入和電動(dòng)汽車(chē)充電裝置諧波發(fā)生交互作用,進(jìn)一步惡化諧波污染,帶來(lái)諧波諧振的等復(fù)雜電能質(zhì)量問(wèn)題,這種問(wèn)題也在不同的文獻(xiàn)里面涉及,包括實(shí)際中充電站和光伏發(fā)電諧波正向疊加放大了電網(wǎng)電量質(zhì)量問(wèn)題。

微配網(wǎng)層面的可再生能源消納需求,國(guó)家大規(guī)模的發(fā)展分散式或分布式新能源,通過(guò)微/配網(wǎng)側(cè)接入。儲(chǔ)能裝置具有能量密度高、快速性和充放電次數(shù)多的特點(diǎn),可促進(jìn)可再生能源的并網(wǎng)消納,達(dá)到輔助可再生能源并網(wǎng)消納的目的,實(shí)現(xiàn)可再生能源的友好型并網(wǎng)。新能源和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行可以起到電網(wǎng)支撐作用。

電力系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行控制現(xiàn)狀,儲(chǔ)能在電源側(cè),大家強(qiáng)調(diào)比較多的是與常規(guī)火電機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行,提升響應(yīng)系統(tǒng)輔助服務(wù)需求的能力,與可再生能源發(fā)電的協(xié)調(diào)互補(bǔ),減少棄風(fēng)棄光;不足是缺乏相關(guān)市場(chǎng)模式和利益共享機(jī)制,新能源-儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)的市場(chǎng)和技術(shù)研究不夠深入;在電網(wǎng)側(cè),現(xiàn)狀是參與系統(tǒng)輔助服務(wù),主要滿(mǎn)足調(diào)峰和調(diào)頻需要,不足是針對(duì)多場(chǎng)景需求的應(yīng)用和協(xié)調(diào)控制尚缺乏研究,網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能建設(shè)以工程實(shí)用為導(dǎo)向,理論層面不夠深入;在用戶(hù)側(cè),參與需求側(cè)響應(yīng),利用套利和節(jié)省容量費(fèi)運(yùn)行控制策略,不足是單一的峰谷電價(jià)運(yùn)行模式。

能源與信息復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),我們從左邊可以看到光伏和電動(dòng)汽車(chē),有電動(dòng)汽車(chē)和電池,有電池和電網(wǎng),他們存在多元能量相互之間的轉(zhuǎn)換,這種多元能量相互之間的轉(zhuǎn)換還涉及到信息流。對(duì)于最終的能源信息系統(tǒng),存在著多元協(xié)調(diào)運(yùn)行與控制和復(fù)雜電能質(zhì)量交互等問(wèn)題。針對(duì)上面大的背景和技術(shù)方面的歸納,我們項(xiàng)目近年來(lái)從三各方面開(kāi)展了理論和基礎(chǔ)方面研究的工作,提出綠色高效大功率直流充電技術(shù);關(guān)于儲(chǔ)能參與電網(wǎng)頻率電壓調(diào)節(jié)控制技術(shù);電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)、交通交互方面的研究。

工作1、關(guān)于大功率直流充電技術(shù),我們希望的是綠色和高效,從電能質(zhì)量角度來(lái)說(shuō),另外也是針對(duì)我們目前直流充電站一般都是部署在城市區(qū)域,空間有限,要求實(shí)現(xiàn)直流供電系統(tǒng)的緊湊和模塊化的設(shè)計(jì)。為此提出兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù),高度磁集成技術(shù)和感應(yīng)調(diào)控濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量的控制。這是提出的新型的直流充電站的拓?fù)?,主要的改變是我們提出新型的變壓器,還有濾波電抗集成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)側(cè)功率密度的提升。

總結(jié)我們所提的磁集成感應(yīng)調(diào)控濾波技術(shù)的技術(shù)特征,高功率密度,通過(guò)磁集成技術(shù)來(lái)提高功率密度;高電能質(zhì)量,可以滿(mǎn)足諧波濾除的需求,并且實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)雙向阻尼,提升電網(wǎng)功率因素;高運(yùn)行效率,直流供電技術(shù)通過(guò)設(shè)備的性能提升來(lái)提升整個(gè)直流充電效率;低噪音,和傳統(tǒng)電力變壓器相當(dāng)。

系統(tǒng)也和常規(guī)的方案進(jìn)行了對(duì)比,包括6脈波整和無(wú)源濾波的技術(shù),還有有源濾波技術(shù)的對(duì)比,在電能質(zhì)量方面,包括負(fù)載諧波、上游諧波、電壓畸變和無(wú)功功率等進(jìn)行對(duì)比,盡可能的減少占地面積和運(yùn)行損耗。

這里面涉及到具體的技術(shù)細(xì)節(jié),不多講了,第一是濾波電抗器集成技術(shù),使充電站變壓器和濾波電抗共用一套鐵芯,通過(guò)這種方式來(lái)進(jìn)行磁的集成,涉及到一些怎么實(shí)現(xiàn)濾波阻抗和變壓器阻抗功率解耦和集成設(shè)計(jì)。針對(duì)拓?fù)湟步⒘讼嚓P(guān)的數(shù)學(xué)模型,如果功率沒(méi)有完全解耦,弱耦合的情況下有什么影響,如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外也提出考慮負(fù)載和電網(wǎng)雙向諧波源的控制方法和技術(shù),也進(jìn)行了相關(guān)的公式推導(dǎo)和控制器的設(shè)計(jì),并引入虛擬復(fù)阻抗控制,提升雙向阻尼的效果,這里面核心是針對(duì)傳統(tǒng)的方式一般虛擬電阻的控制,我們?nèi)绻l(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法有性能的凹陷區(qū),就是在控制系統(tǒng)里面,通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)來(lái)避免性能的凹陷區(qū)來(lái)達(dá)到全局性能最優(yōu)的效果。

實(shí)驗(yàn)室里面做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn),這是實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的介紹。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果,包括濾波性能測(cè)試的結(jié)果,均優(yōu)于傳統(tǒng)的濾波方式。

此外最主要的是功率之間的解耦,這里面也做了感值測(cè)試,集成電抗感值符合設(shè)計(jì)要求,具有良好的線性度。我們研制了用于船舶供電系統(tǒng)的小容量樣機(jī),此外在湖南一個(gè)變電站進(jìn)行了應(yīng)用,因?yàn)樵诔鞘械貐^(qū)限制了變電站的體積,電能質(zhì)量比較差的情況下怎么樣進(jìn)行治理,后續(xù)我們也是希望把這種技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)能電站,實(shí)現(xiàn)這方面的應(yīng)用。

動(dòng)力電池高效率充電技術(shù),主要是針對(duì)目前的恒流的模式,在不增加充電樁控制復(fù)雜度的條件下,使充電更具靈活性,做了大量實(shí)驗(yàn),來(lái)揭示了多段恒流不同階段對(duì)電池性能的影響,以滿(mǎn)足不同充電需求下最優(yōu)充電策略的需求。MSCC充電技術(shù)從三各方面考慮充電性能,充電容量、充電時(shí)間、充電效率。

通過(guò)田口方式,研究五段恒流充電最優(yōu)充電電流的選擇策略。這也是做了不同的實(shí)驗(yàn),這里面給到兩次正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)最終優(yōu)選出多段恒流的電流組合,也與傳統(tǒng)的恒流-恒壓的方法進(jìn)行對(duì)比,以充電的時(shí)間、充電效率和電池溫度等指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)充電的性能。

此外進(jìn)一步也把多段恒流充電進(jìn)行優(yōu)化,基于電流自適應(yīng)控制的混合充電技術(shù),通過(guò)電池荷電狀態(tài)和內(nèi)阻來(lái)選擇合適的充電電流。這里也做了大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

這個(gè)項(xiàng)目建成包括鋰離子電池參數(shù)測(cè)試與充電放實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)基于SIC器件的充電樁功率模塊開(kāi)展研制,建有湖南大學(xué)充電站示范工程,并與湖南大學(xué)智慧建筑能源實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)系統(tǒng)。

工作2,儲(chǔ)能參與的電網(wǎng)頻率和電壓調(diào)節(jié)控制技術(shù),這里面由風(fēng)電和儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行來(lái)改善電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性,所以說(shuō)這里面最重要的是協(xié)調(diào)控制器的設(shè)置,來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能之間的協(xié)調(diào)。根據(jù)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、需要的發(fā)電量和風(fēng)電的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào),支撐電網(wǎng)的頻率,這里面是一次調(diào)頻,包括后續(xù)的二次調(diào)頻,這里面做了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻仿真方面的分析。

混合交直流微網(wǎng)間功率協(xié)同控制技術(shù),提出考慮分布式儲(chǔ)能的混合交直流微網(wǎng)雙向功率支撐協(xié)同控制的策略。這里面交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變換器很重要,整流時(shí)互聯(lián)變換器對(duì)于直流微網(wǎng)可視為虛擬電容器,為直流子網(wǎng)提供電壓支撐,也得到了交流頻率和直流電壓之間耦合的關(guān)系。

這是具體的公式,還有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

仿真驗(yàn)證,減少了功率波動(dòng)時(shí)的交流子網(wǎng)頻率變化量,且更快收斂到頻率穩(wěn)定值,具有更好的動(dòng)態(tài)特性,延緩了直流子網(wǎng)的電壓突變,避免了在負(fù)荷發(fā)生階躍變化時(shí)的電壓超調(diào),提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性,遭遇交直流網(wǎng)內(nèi)連續(xù)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),電能質(zhì)量得到有效改善,提升了混合微網(wǎng)的魯棒性。

工作3,電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)交通網(wǎng)相互影響分析,提出了用于評(píng)估電網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息通信技術(shù)、車(chē)輛技術(shù)的交互作用框架,對(duì)電網(wǎng)潮流分布與負(fù)荷特性進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)交通道路擁堵情況,揭示了電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)間的交互作用。電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)充放電實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的能量交換,電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)行為將會(huì)影響交通網(wǎng)絡(luò),造成道路擁堵,信息通信技術(shù)通過(guò)信息流實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、交通網(wǎng)以及電動(dòng)汽車(chē)之間的信息交換。

也考慮了電動(dòng)汽車(chē)行駛的路徑和分布,而且考慮電動(dòng)汽車(chē)的充電模式,也設(shè)計(jì)了仿真的架構(gòu),對(duì)電網(wǎng)和交通網(wǎng)數(shù)據(jù)的初始化和電動(dòng)汽車(chē)分類(lèi)型和分區(qū)域的考慮,選擇電動(dòng)汽車(chē)行使的路徑,判斷電動(dòng)汽車(chē)充電的策略,我們也有不同的場(chǎng)景。

以IEEE33節(jié)點(diǎn)為例,根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,模擬了交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,也分工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和住宅區(qū),假設(shè)了道路發(fā)生故障之后,道路故障所導(dǎo)致的電動(dòng)汽車(chē)的行駛路徑發(fā)生的變化,進(jìn)而導(dǎo)致了交通流的變化,也會(huì)影響到電力流,由交通堵塞導(dǎo)致的在這11、14時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了尖峰的負(fù)荷。這主要是通過(guò)宏觀狀態(tài)來(lái)評(píng)估交互的影響。

結(jié)論,提出了綠色高效大功率直流充電系統(tǒng),包括高度磁集成感應(yīng)調(diào)控濾波和高效率動(dòng)力電池充電技術(shù),后續(xù)希望通過(guò)進(jìn)一步的研究,為我們未來(lái)能源交通領(lǐng)域前沿和熱點(diǎn)方向做出工作,謝謝。

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