储能系统带来的智能电网设计挑战

日期:2012-10-31

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  可再生能源系统(如太阳能电池板和风力发电场)为公用电网提供了新的发电来源,以满足日益增长的能源需求。然而,这些系统本身并不支持电网运行的各种干扰和波动。这就是储能系统(ESS)的问题。通常基于电池的储能系统有能力将有效或无功功率注入到电网,或反过来从电网吸收有效或无功功率,作为稳定电网和补偿任何电压或频率变化的一种手段。预计这样的系统将在智能电网的发展中发挥重要作用。现在创业资本正在流入产业,拟议的法例对投资税收抵免预示对并网ESS寄予了厚望。

  电力电子器件是这些系统中提供双向电源转换和管理电池和电网之间能量流的组成部分。在某些应用中,功率电子器件还可以处理功率转换和其他能量源(如太阳能电池阵列和电动车辆)和负载之间的能量流。因此,储能系统的电源系统设计相当复杂(参见下图)。

  图:复杂、高瓦数的电源系统,像Dynapower公司的多端口50kW逆变器,可提供电池、太阳能电池板、车载充电器之间的电源转换和能量流管理,这是并网储能应用的核心。

  为并网储能开发的电源系统也有兆瓦级功率级别,以及极高的可靠性和安全性要求。此外,这些电源系统还有额外的要求,因为它们与电网连接,并要满足一定的公用事业行业标准,这有时是与储能系统的设计目标冲突的。因此,电网互连要求带来了对开发储能电源系统的电力电子工程师的若干挑战。具体而言,连接ESS到电网的变压器相关设计,以及电网对某些故障情况的系统响应都有一定困难。

  最近,我与Dynapower公司的高级工程经理Kyle B. Clark讨论了这些设计挑战,该公司开发储能系统的电源转换器。Clark解释了为什么这些挑战会影响在这个行业工作的PE工程师,并讨论了将影响ESS先进电源系统设计的有关技术。Clark也分享了他有助于PE工程师适合在这个行业工作的技能和经验类型的想法。

  独特的设计挑战

  大型变压器是并网储能系统的一个关键因素。在系统的一端,有一个dc能量源,通常是一个电池,然后将其连接到电源转换设备。这通常包括逆变器/ac-dc转换器(即双向电源转换器)。该电源转换器通过一个大型线频率变压器连接到电网。电网公司希望这是一个常规的、充油型配电变压器,类似标准2-MVA变压器,它提供到工业园区或馈线线路的分配。电网公司青睐这种类型的变压器主要是因为这是他们习惯使用的。然而,它的特点不利于储能应用,因为需要更多的脉冲变压器。

  Clar k介绍了如何优化不同于配电变压器的储能系统变压器。“这将是一个较小和成本更低、热容量更小的变压器,但它有能力在非常高的峰值功率下工作——在电源变压器和脉冲变压器之间的交叉点,”Clark说。

  电力电子工程师面对优化系统性能的变压器设计挑战,而且要与电网公司及其他行业合作定义新标准(如变压器),以使电网公司可以大规模指定和批准采用。例如IEEE C57定义了配电变压器,但由于这些规范不匹配ESS的要求,需要开发一个新的标准。正如Clark解释的,一个满足IEEE C57的变压器本质上是不匹配储能系统的。“这对长时间常数散热将是过度设计,而对短时间常数过载它会设计不足”。

  除了变压器设计和规格,有关这些系统与电网互联的ESS设计也有一个根本性的挑战。

  “在互连储能系统中有一个很大的障碍,因为电网公司认为它们是负载或产生源。如果并网储能系统的看法完全不同,例如,小型太阳能光伏发电系统,它们就会强加IEEE 1547在并网储能系统上,”Clark说。此标准要求折衷稳定电网中的储能系统的性能。

  “举个例子,如果电网的频率和电压开始下降,在某些情况下,发电设施最糟糕的事情是要做跳线(jump off line),因为它只会恶化这一问题。但是,如果你视它为一个小型太阳能电场,那么,当低于1547电压保护阈值时,你的任务是跳线,“Clark解释说,储能系统应该有不同的行为以支撑电网。

  “并网储能系统要做的最好的事情是开始注入大量电容VAR。这将有助于稳定电网。所以这对并网储能系统是一个很大的机会,当有电网扰动时,可通过注入VAR提供电网支持。这就要求工程不仅要做到这一点——使你的整个电源系统与自己抗争——而且电网公司能够明白,不适合同一类别的太阳能电池阵列、风力发电场或任何针对这个问题的发生源。这真是一个属于它自己的特性,因为它可以在两个方向上提供可控的有功和无功。”同样,这里工程师面临的挑战同时涉及电力电子器件的设计,以及与电网公司的合作建立相应的行业标准。

  新技术的潜在影响

  预计未来许多技术的发展可提高储能系统的性能。

  在拓扑结构方面,预期会脱离三足式(three-legged)标准PWM控制功率转换。“我认为当我们走向高电压储能的多层、多电平逆变器时,有趣的发展正在到来,这样我们就可以更有效地运作,”Clark说。

  同时,随着其他高功率应用的到来,基于宽带隙材料的新的电源开关应该改变游戏规则。“碳化硅革命即将到来。我们正在接触到第一个商用碳化硅开关。我们正在两到三倍频率下降低成本,提高效率,大幅降低谐波,我们正在以相同的或较小的损耗进行切换。Clark说,“这将是一场伟大的革命。

  Clark描述的“混合系统”的发展也将有改善。“将会出现有非常快速元件的系统。我们将要合并和混合IGBT系统与基于晶闸管的系统,以得到100兆瓦的电源转换,同时仍保持小功率IGBT系统的动态四象限运行。所以混合电力电子系统会使我们获得多兆瓦级的储能。”

  要了解有助于并网储能应用的电力电子工程师更多类型的工程经验,请参阅“寻找合适的工程师”这篇文章的在线版本。对于更多有关Dynapower的信息,请参阅http://www.dynapower.com/。

  作者简介

  除了写这个职业培训专栏,David G. Morrison还在建筑物称为How2Power.com的电力电子门户。如果你正在寻找老旧的东西,不要访问这个网站。如果你喜欢发现免费的技术资源,可以帮助你开发电源系统、元件或工具,你一定要来这里。此外,如果你喜欢令人讨厌的弹出式广告,或注册后才能查看所有的好材料,也不要访问How2Power.com。How2Power.com旨在使设计工程师的头脑敏捷,所以它不提供以上的功能。订阅网站快速音乐游览和每月通讯、观看视频请访问www.how2power.comhttp://www.how2power.com/newsletters/

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