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江苏电科院孙天奎:基于用户侧储能的家庭低压直流网

6月19—20日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合江苏省电机工程学会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司等单位联合召开的“第三届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”在苏州市太湖假日酒店举行。来自电网公司、设计院、系统集成商、电池生产企业、投融资机构等单位的280余位嘉宾出席了本次研讨会。

会议期间,国网江苏省电力公司电力科学研究院电网技术中心的孙天奎分享了主题报告《基于用户侧储能的家庭低压直流网》,以下是报告全文:

江苏电科院孙天奎:基于用户侧储能的家庭低压直流网

孙天奎:各位领导专家大家下午好。这个汇报是邀请袁书记来做,但袁书记因工作未能参会,指派我来代他宣读汇报材料,不足之处欢迎大家批评指正。

今天汇报的主题是《基于用户侧储能的家庭低压直流网》。汇报包括四部分,第一部分我们将从交流到直流的演进讲起,汇报直流在配电领域未来的优势,第二部分将向大家汇报家庭直流网中电压选择、布网和控制,第三部分是包含储能系统的家庭直流网中能量传递,最后一部分我给大家简要介绍一下同里项目的概况。

在传统的集中式供电体系下,电能主要由若干主要的发电厂生产之后通过输电网传递至配电网,再由配电网分发至分散的负荷。在这个体系下,发电机组的容量较大,电源的容量相对集中,降低了发电成本。但电源与负荷的距离相对较远,传输损耗大,因此多半采用高压交流输电。经过不断的努力,我国目前建设了较为完备的高压交流输电网,未来市场增长空间将会很有限。

随着世界能源观念的变革,人们获取能源的来源也从单一的化石能源逐步向多种多样的分布式可再生能源过渡。目前,我国已经成为全球最大的可再生能源市场和全产业链生产制造基地之一。在这种分布式的工业体系下,可再生能源的容量相对分散,种类和形式又多样,电源周围又存在大量的小容量、低压、分散的负荷,适合就地消纳,而这些负荷又多以直流为主,因此传统的交流电网在分布式的供电体系下存在很多的不足,我们面对这些分布式的供电体系下的新能源接入以及就地消纳的问题,低压直流配电网的优势就显现出来了。

江苏电科院孙天奎:基于用户侧储能的家庭低压直流网

由于采用直流配电,分布式电源不再需要从直流转换到交流馈送电网,使得低压直流配电网接入分布式能源更加高效。同样在负荷侧也省去了交直的变换,使得家庭直流负荷更加节能。

低压直流配电网相比于交流没有相位的问题,所以它在互相接入的时候就无需核相,相邻的低压直流配电网也可以灵活的重组实现互济。

家庭直流网是在家庭中构建一个直流的纳网,为家庭中的家用电器供电,作为低压直流配电网与用户连接的窗口,在未来的市场会很大。家庭直流网主要元素依然是源网荷储,它的电源主要就是屋顶光伏,这是我们家用电器的功率及场景分布图。在我们的卧室、书房客厅以及餐厅的部分区域,家用电器除了空调的外机以外,大部分的额定功率都处于500瓦以下。因此,根据家用电器的特性,我们建议在人员频繁活动的区域内采用48V的安全特低压供电,在保证家用电器功率需求的前提下,最大程度的保障供电安全。

江苏电科院孙天奎:基于用户侧储能的家庭低压直流网

在卧室中我们在墙上2.5米以上我们建议通过375伏直流来布置环网,通过一些Current  Router来连接的。我们建议是3个端口,其中两个是375V直流端口,一个是48V端口。在2.5米以下,我们建议采用带有四个端口的USB—C型接口的DC/DC。其中三个48V的低压接口,两个用于形成环网,一个用于跟上面的Current  Router连接。USB-C接口目前的协议只能提供到5V-20V的自适应电压,未来采用扩展扩展协议则能够提供5V到48V的自适应电压,覆盖家庭低压电器用电的需求。

这张拓扑重,最外面的黄线就是我们的区域直流配电网,目前采用的是集中式的控制,我们的交直流配电系统直接输出的一个375V或者750V的直流电压,是一个定电压控制,为配电网提供坚强的电压支撑。它通过EMS连入整个家庭直流网,家庭直流网最外是375V的电压等级,通过Current  Router和EMS构成一个环网,下级连接的就是一个48V的直流网,与相邻的家庭直流网之间通过DC/DC连接实现互济。

这是对三级电网建议的电压的选择,对于最外层的上级直流配电网选择375或者750是一个定电压控制,是集中式的控制,所以它有一个较小的允许电压降范围,通常是以额定功率和线路阻抗来设计的,我们目前设计的是1.4%的电压下降。中间这一级是375家庭直流网,与上级的直流配电网连接。为什么这里用一个带有电压带的方式呢?是因为在这一级家庭直流网中我们通常会接入大量的光伏、储能,所以它不再适用于集中式的控制,会选择分布式的控制,我们会为它预留一些下垂控制的范围,我们把它叫做电压带,它的电压带上限是400V,下限350V。

江苏电科院孙天奎:基于用户侧储能的家庭低压直流网

下级48伏的家庭直流网由于没有新能源接入或者储能接入,所以它更倾向于集中式控制提供定电压。与上一个直流配电网不同的是,它这个电压是分裂运行的定电压控制,只要当我们的接口输出功率无法满足接入电器的时候,它才会转为最大功率公式控制,通过和其他的48V接口的连接端口进行功率补充,由相邻的模块提供电压支撑。

江苏电科院孙天奎:基于用户侧储能的家庭低压直流网

这里选择400V的原因是因为它需要满足国际电气联盟的标准,因为在这个标准里面规定所有的家用电器的电压带需要范围是在400V以下。在家庭直流网中由于成本的要求,构建一个独立的能量管理和协同控制系统是并不合适的,像同里综合能源中心那种大型的直流网中会有独立的协控系统还有能量管理系统,对于更次一级的家庭纳网这种架构是不太适用的,它需要一个更低成本、更简化的架构方式。而储能自身的EMS系统就特别适合作为这么一个中心控制器,因为它的硬件是可以满足这些需求的。

EMS需要承担的任务将扩展为:第一,与上一级直流配电网、家庭直流网和储能系统间的电力的变换与传递。

第二,提高家庭直流网的电能质量。他会在特殊工况下为蓝线这一级375提供一个较好的电力支撑。

第三,隔离储能系统、家庭直流网或者上一级直流配电网的故障,是一个隔离型的装置。

第四,联合DC375V网中CRDC限制任意线路电流,快速隔离任意故障点。

这里是我们储能正常工况下的三个典型工况,在夜晚至早上无光的状态,储能释放电能,为375家庭直流网供电。在早上至下午储能储满电的过程中,家庭直流网中的屋顶光伏会为储能充电,在储能充满电的情况下屋顶光伏会向电网馈电。上级电网会替代储能为整个家庭直流网供电,在上级配电网供电中断的时候,储能系统会为家庭直流网支撑电压。储能参与调压的时候,家庭直流网向上级电网馈电。

这是我们的同里示范工程,我们选择了六栋别墅,目前改造了五栋,其中五号别墅是交直流混供的别墅,六号到九号是四栋纯直流供电的别墅,每栋别墅的直流供电容量是15千瓦,5号别墅包含了30千瓦的储能,6号到9号分别包含10千瓦的储能。

这是我们一户家庭直流网实际的电网拓扑。之所以没有选用375的直流电网而选择220V是因为我们在规划出台之就选择了5号别墅进行改造,选择220V是兼容的考虑,但是实际运行出现了大量的问题,稍候我们可能会将这个220改造成375。

这是我们在同里湖嘉苑家庭直流网入户直流配电与储能系统的硬件设备,是由国程公司提供的。

这是我们在铺设一些屋顶的光伏。

这是门口的充电桩以及改造后的家用电器,这些都是48V的,电视、台灯、设备还有插排。厨房目前采用的是220V的,未来我们将采用一些专用的接插口。

感谢各位。

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