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湖南大学李勇:电池储能高效率充电及电网互动技术

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2020-11-17 浏览:
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中国储能网讯:11月10-11日,由湖南省能源局指导,中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的“第三届全国电源侧储能技术及应用高层研讨会”在长沙华天酒店召开。来自电网公司、设计院、系统集成商等领域的400余人参加了本次研讨会。

会议期间,湖南大学气与信息工程学院副院长李勇分享了主题报告《电池储能高效率充电及电网互动技术》。中国储能网对其演讲内容进行了梳理,并在此分享给大家,供大家学习、交流。李勇教授演讲内容如下:

李勇:尊敬的各位领导、专家、各位同仁,上午好,我们项目组这几年在储能方面做了一些应用和研究,在这里给大家介绍一下我们的研究进展。

我汇报的题目是《电池储能高效率充电和电网互动技术》。

一、研究背景和意义,能源安全是国家层面上一直强调的,包括习近平主席在说的四个革命、一个合作战略问题。储能技术在推动能源消费革命,抑制不合理能源消费,推动能源供给革命,建立多元供应体系,推动能源技术革命和能源体制革命都有非常重要的作用。

我们国家、行业和地方政府也高度重视储能技术的发展,包括我们国家层面的五个部委出台的相关指导的意见,还包括湖南省《促进电化学储能方面指导意见》。要求在十三五期间建成一批不同技术类型、不同应用场景的储能示范项目;十四五要实现储能项目的广泛应用,形成较为完整的产业体系,成为能源领域经济新增长点。发展大规模储能是保障能源安全供应,推动清洁能源发展和提高电网综合能效的关键支撑。储能的发展有不同的场景,目前在电网侧有变电站和储能站相结合的场景,湖南几个变电站也进行示范,通过这种变电站和储能站相互的融合来实现电网潮流优化和削峰填谷,也对电网的连锁故障的诊断也会有积极的作用,湖南这边也有三站融合的应用,主要也是刚才各位专家所讲的AGC/AVC的协调控制和无功电压频率的协调优化。

新能源发电和大功率直流充电站相互配合,这里面几个图片介绍的是美国的例子,国内也有很多了。主要是光伏停车场和充电站,它们之间的协调,还有光伏和直流充电站、电网相互之间的耦合。对于电网来说,交直流混合电力系统的形态也在慢慢的形成,这里面查了一些资料,包括西班牙的示范性的项目,介绍了电动汽车的充电站、配电网和牵引网之间的项目,这里面也有电动车、电网、牵引网融合的问题,我们也梳理出来一些我们关注的科学问题,直流侧环流的问题,交流侧谐波无功的问题,还有电网侧协调的问题。

新能源发电的大量接入和电动汽车充电装置谐波发生交互作用,进一步恶化谐波污染,带来谐波谐振的等复杂电能质量问题,这种问题也在不同的文献里面涉及,包括实际中充电站和光伏发电谐波正向叠加放大了电网电量质量问题。

微配网层面的可再生能源消纳需求,国家大规模的发展分散式或分布式新能源,通过微/配网侧接入。储能装置具有能量密度高、快速性和充放电次数多的特点,可促进可再生能源的并网消纳,达到辅助可再生能源并网消纳的目的,实现可再生能源的友好型并网。新能源和储能协调运行可以起到电网支撑作用。

电力系统储能运行控制现状,储能在电源侧,大家强调比较多的是与常规火电机组协调运行,提升响应系统辅助服务需求的能力,与可再生能源发电的协调互补,减少弃风弃光;不足是缺乏相关市场模式和利益共享机制,新能源-储能参与辅助服务的市场和技术研究不够深入;在电网侧,现状是参与系统辅助服务,主要满足调峰和调频需要,不足是针对多场景需求的应用和协调控制尚缺乏研究,网侧储能建设以工程实用为导向,理论层面不够深入;在用户侧参与需求侧响应,利用套利和节省容量费运行控制策略,不足是单一的峰谷电价运行模式。

能源与信息复杂网络,我们从左边可以看到光伏和电动汽车,有电动汽车和电池,有电池和电网,他们存在多元能量相互之间的转换,这种多元能量相互之间的转换还涉及到信息流。对于最终的能源信息系统,存在着多元协调运行与控制和复杂电能质量交互等问题。针对上面大的背景和技术方面的归纳,我们项目近年来从三各方面开展了理论和基础方面研究的工作,提出绿色高效大功率直流充电技术;关于储能参与电网频率电压调节控制技术;电动汽车与电网、交通交互方面的研究。

工作1、关于大功率直流充电技术,我们希望的是绿色和高效,从电能质量角度来说,另外也是针对我们目前直流充电站一般都是部署在城市区域,空间有限,要求实现直流供电系统的紧凑和模块化的设计。为此提出两个关键技术,高度磁集成技术和感应调控滤波技术实现电网电能质量的控制。这是提出的新型的直流充电站的拓扑,主要的改变是我们提出新型的变压器,还有滤波电抗集成技术来实现并网侧功率密度的提升。

总结我们所提的磁集成感应调控滤波技术的技术特征,高功率密度,通过磁集成技术来提高功率密度;高电能质量,可以满足谐波滤除的需求,并且实现电网侧和负载侧双向阻尼,提升电网功率因素;高运行效率,直流供电技术通过设备的性能提升来提升整个直流充电效率;低噪音,和传统电力变压器相当。

系统也和常规的方案进行了对比,包括6脉波整和无源滤波的技术,还有有源滤波技术的对比,在电能质量方面,包括负载谐波、上游谐波、电压畸变和无功功率等进行对比,尽可能的减少占地面积和运行损耗。

这里面涉及到具体的技术细节,不多讲了,第一是滤波电抗器集成技术,使充电站变压器和滤波电抗共用一套铁芯,通过这种方式来进行磁的集成,涉及到一些怎么实现滤波阻抗和变压器阻抗功率解耦和集成设计。针对拓扑也建立了相关的数学模型,如果功率没有完全解耦,弱耦合的情况下有什么影响,如何实现优化设计。此外也提出考虑负载和电网双向谐波源的控制方法和技术,也进行了相关的公式推导和控制器的设计,并引入虚拟复阻抗控制,提升双向阻尼的效果,这里面核心是针对传统的方式一般虚拟电阻的控制,我们如果发现传统方法有性能的凹陷区,就是在控制系统里面,通过这样的设计来避免性能的凹陷区来达到全局性能最优的效果。

实验室里面做了相关的实验,这是实验室实验平台的介绍。

实验结果,包括滤波性能测试的结果,均优于传统的滤波方式。

此外最主要的是功率之间的解耦,这里面也做了感值测试,集成电抗感值符合设计要求,具有良好的线性度。我们研制了用于船舶供电系统的小容量样机,此外在湖南一个变电站进行了应用,因为在城市地区限制了变电站的体积,电能质量比较差的情况下怎么样进行治理,后续我们也是希望把这种技术应用于储能电站,实现这方面的应用。

动力电池高效率充电技术,主要是针对目前的恒流的模式,在不增加充电桩控制复杂度的条件下,使充电更具灵活性,做了大量实验,来揭示了多段恒流不同阶段对电池性能的影响,以满足不同充电需求下最优充电策略的需求。MSCC充电技术从三各方面考虑充电性能,充电容量、充电时间、充电效率。

通过田口方式,研究五段恒流充电最优充电电流的选择策略。这也是做了不同的实验,这里面给到两次正交实验的结果,通过大量的实验最终优选出多段恒流的电流组合,也与传统的恒流-恒压的方法进行对比,以充电的时间、充电效率和电池温度等指标来体现充电的性能。

此外进一步也把多段恒流充电进行优化,基于电流自适应控制的混合充电技术,通过电池荷电状态和内阻来选择合适的充电电流。这里也做了大量实验进行验证。

这个项目建成包括锂离子电池参数测试与充电放实验平台,并对基于SIC器件的充电桩功率模块开展研制,建有湖南大学充电站示范工程,并与湖南大学智慧建筑能源实验室构建了光储充智能微网系统。

工作2,储能参与的电网频率和电压调节控制技术,这里面由风电和储能联合运行来改善电网频率的稳定性,所以说这里面最重要的是协调控制器的设置,来实现风机和储能之间的协调。根据储能荷电状态、需要的发电量和风电的状态来进行协调,支撑电网的频率,这里面是一次调频,包括后续的二次调频,这里面做了风储联合调频仿真方面的分析。

混合交直流微网间功率协同控制技术,提出考虑分布式储能的混合交直流微网双向功率支撑协同控制的策略。这里面交直流混合微网互联变换器很重要,整流时互联变换器对于直流微网可视为虚拟电容器,为直流子网提供电压支撑,也得到了交流频率和直流电压之间耦合的关系。

这是具体的公式,还有相应的优点。

仿真验证,减少了功率波动时的交流子网频率变化量,且更快收敛到频率稳定值,具有更好的动态特性,延缓了直流子网的电压突变,避免了在负荷发生阶跃变化时的电压超调,提升了系统稳定性,遭遇交直流网内连续负荷扰动时,电能质量得到有效改善,提升了混合微网的鲁棒性。

工作3,电动汽车与电网交通网相互影响分析,提出了用于评估电网、交通网、信息通信技术、车辆技术的交互作用框架,对电网潮流分布与负荷特性进行分析,预测交通道路拥堵情况,揭示了电动汽车与电网间的交互作用。电动汽车通过充放电实现与电网之间的能量交换,电动汽车随机行为将会影响交通网络,造成道路拥堵,信息通信技术通过信息流实现电网、交通网以及电动汽车之间的信息交换。

也考虑了电动汽车行驶的路径和分布,而且考虑电动汽车的充电模式,也设计了仿真的架构,对电网和交通网数据的初始化和电动汽车分类型和分区域的考虑,选择电动汽车行使的路径,判断电动汽车充电的策略,我们也有不同的场景。

以IEEE33节点为例,根据复杂网络理论,模拟了交通网络拓扑图,也分工业区、商业区和住宅区,假设了道路发生故障之后,道路故障所导致的电动汽车的行驶路径发生的变化,进而导致了交通流的变化,也会影响到电力流,由交通堵塞导致的在这11、14时间点出现了尖峰的负荷。这主要是通过宏观状态来评估交互的影响。

结论,提出了绿色高效大功率直流充电系统,包括高度磁集成感应调控滤波和高效率动力电池充电技术,后续希望通过进一步的研究,为我们未来能源交通领域前沿和热点方向做出工作,谢谢。

关键字:电池储能 电网

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