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「输配电观察」基于储能的低压直流微电网是未来配电网的主要形态

来源:EPTC作者:刘健日期:2021-09-22 17:12:10

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刘健,陕西电力科学研究院副院长,教授、博士、博士生导师,新世纪百千万人才工程国家级人选,国家电网公司科技领军人才,长期从事配电网领域科研与工程实践,获得国家和省部级科学技术奖 17 项,著有《简单配电网》、《配电网单相接地故障处理》、《配电网继电保护》、《复杂配电网简化分析与优化》等专著,发表论文 200 余篇,担任《电力系统自动化》、《电网技术》、《电力自动化设备》、《电力系统保护与控制》、《电测与仪表》和《供用电》编委。




储能技术的进步会对配电网的形态产生革命性的影响。小规模功率型储能技术的成熟,将对平抑新能源和负荷的间歇性和波动性起到重要作用,能大大提高并网型新能源的消纳能力。而大规模能量型储能技术的成熟,则有可能彻底改变配电网的形态,从传统的中压交流互联型配电网发展成为基于储能的低压直流配电网,并且以分散式新能源补充能量实现自给自足,或采取换电方式补充能量。



基于储能的低压直流微电网


随着大规模能量型储能技术的成熟,未来配电网的形态有可能发生很大的变化。除少数拥有中高压用电设备的用户(包括电动汽车充换电站)仍采用 35kV、20kV、10kV 或 6kV 交流配电网外,绝大多数用户采用基于储能装置(该储能装置与家用电动汽车电池具有通用性)的、以用户为单位的、采用用户电压等级的低压直流微电网模式,相邻用户的低压直流微电网之间以常开开关联络。

对于乡村等低负荷密度区域,可采用光伏电源等分散式新能源电源对低压直流微电网的储能装置进行充电,实现自给自足。

对于城镇等高负荷密度区域,低压直流微电网的储能装置在 110kV 及以上变电站充放电,并由综合能源服务公司对用户以换电方式进行储能装置更换服务,或由用户自行前往电动汽车换电站更换储能装置。


未来配电网的优越性


以基于储能的、以用户为单位的、采用用户电压等级的低压直流微电网为主要形态的未来配电网具有下列优越性:

1)可极大地减少线路长度和设备数量

中压配电线路总长度远远大于高压输电线路,未来配电网在绝大多数情况下可以避免建设中压配电线路;即使对于低压配电网,由于采取以用户为单位的微电网形态,而不必建设公共低压配电线路,因此可以极大地减少电网中的线路长度。

不仅如此,未来配电网还可以省去数量众多的配电变压器和配电开关。此外,还可以省去海量的线杆、沟道等辅助设施。

随着线路长度和设备数量的大幅度减少,不仅可以显著减少建设费用和建设工作量,而且还可以显著减少巡视和维护工作量。

2)可显著提高供电可靠性

传统电网中,超过 85% 的故障停电是由于配电网故障引起的。对于采取基于储能的低压直流微电网形态的未来配电网,随着线路长度和设备数量的大幅度减少,可显著降低故障次数和外力破坏,并可极大地减少故障的影响范围,最多只影响故障所在的微电网内部,微电网采取星型布线后,还可将故障影响范围进一步减小到所在低压分支线路而非整个微电网,从而显著提高供电可靠性。


3)可显著降低损耗

传统电网中,配电环节的损耗占据了电力传输过程损耗的一半左右。对于采取基于储能的低压直流微电网形态的未来配电网,由于省去了中压配电线路、配电变压器和低压公共配电线路,在配电环节产生的损耗也就得以避免。

在低压直流微电网中,由于采用直流模式,避免了无功功率,并且可采用星型拓扑结构降低线路载流量,因此相比交流模式而言,损耗也更低。

4)分布式电源并网更加简便、电压更加稳定、电源无缝切换更容易

由于采用基于储能的低压直流微电网形态,光伏电源等分布式电源可以更加方便地并网消纳而减少逆变器环节。

由于微电网采用基于输出电压为用户电压等级的储能装置支撑,储能装置(如电池)的输出电压比较稳定,因此起到了平抑电压暂态过程影响的作用,微电网的电压更加稳定。采用直流模式也使双电源无缝切换非常容易。比如,对于重要的用电设备,可以配置两路直流电源并采取基于一对二极管的无缝切换电路,当一路电源故障后可迅速无缝切换至另一路电源,动态响应速度很快。

5)可提高输变电设备的负荷率和利用率

储能元件在 110kV 及以上变电站充放电,可以很好地削峰填谷,平坦负荷曲线,使其平均功率接近峰值功率,从而有效提高输变电设备的负荷率和利用率。

关键技术成熟度


1)配电电气设备和用电设备

低压直流微电网的电压等级宜采用主要用电设备的额定工作电压。对于工业用户,用电设备一般功率较大,从降低损耗的角度出发,可以采用±300V 单极或双极供电模式;对于居民和商业用户,用电设备一般功率不大,损耗不是主要矛盾;从安全的角度出发,可以采用 36V 或 48V 单极供电模式。

上述电压等级,无论接触器(继电器)等机械式开关,还是电力电子开关,当前的技术水平都是成熟的。

由于惯性很小,故障时多级保护装置的配合问题一直是困扰直流配电网的难题之一,但是因为低压直流微电网的供电范围较小,可以采用大量的支线构成“星型”结构而并不会显著增加建设费用,每条支路仅连接少量用电设备。若某条支线发生故障,则直接将其跳掉即可,若公共连接部发生故障,则分布式电源开关和储能装置接入开关延时跳闸即可。因此,故障处理技术也是较成熟的。

至于用电设备,旋转类设备(电动机、空调、洗衣机、冰箱等)可以采取逆变方式由直流驱动,非旋转设备(电热器、照明、电视、计算机等)可以直接直流驱动,这些技术也是成熟的。

2)储能装置的充放电管理

对于乡村等低负荷密度地区,用户可以建设光伏电源的屋顶面积较大,且用户负荷一般不大。比如:一个农户完全可以拥有 100 平方米的光伏电源,以 100VA/m2、日利用小时数为 3h. 计算,每天可以发电 30kWh,即使考虑充放电损耗,也基本可以满足该农户包括温度敏感季节内一天的电量需求,因此储能单元大致可以自给自足。

对于城镇等高负荷密度地区,每个用户的屋顶面积较小,且用户负荷较大,依靠屋顶光伏电源不能做到自给自足,因此需要综合能源服务公司更加频繁地提供储能装置换电服务。


综合能源服务公司的换电服务与过去比较常见的煤气公司所提供的更换液化气罐服务类似,更换下来的“空”储能装置需运送到 110kV 及以上变电站集中进行充放电,在负荷谷期充电、在负荷峰期放出一部分电量,从而很好地平坦相应变电站的负荷曲线。

综合能源服务公司的换电服务所需的储能装置充放电关键技术与曾经建设的电动汽车充换电站的关键技术类似,但是考虑到储能装置的重量和体积,为了方便运输需开发相应的装备,使之便于搬运。

当然,由于采用的储能装置与电动汽车通用,用户也可自行前往电动汽车换电站更换储能装置。

3)储能装置

储能装置是个关键,其成熟程度直接决定了低压直流微电网的时间表。

由于采用换电方式,因此储能装置的充电时间不是主要矛盾。但是,在安全性、能量体积比(目前只能达到 300kWh/m3 左右)、能量重量比(目前只能达到 100kWh/ 吨左右)和循环寿命等方面还存在较大技术差距。

储能的技术在逐渐进步,当电动汽车的储能装置令人满意后,低压直流微电网的储能装置也就能基本满足商业化运营的要求了。

发展分析


目前,已经建设了规模宏大的中压交流配电网,还将新建大量中压交流配电网,在储能技术成熟之前,这些中压交流配电网对于满足用户供电需求是必不可少的。

但是,对于一些负荷密度很低的偏远地区,建设中压交流配电网满足零星用户的生活用电需求显得非常不经济,不仅供电半径很长使得电压质量难以保障,线路损耗很高,而且线路总长度很长,往往还需要跨越高山和河流,故障率较高、维护工作量也很大,但是售电回报却很低。

当储能技术进步到一定程度以后,在充分权衡技术经济性的基础上,对于上述负荷密度很低的偏远地区,电力公司可以率先尝试采取建设基于储能的低压直流微电网,并采用光伏等分布式电源充电实现就地能量平衡的供电模式,解决超长中压交流配电线路带来的问题。

在大规模能量型储能技术基本成熟后,即使大量用户已经建设了基于储能的低压直流微电网,已建成的规模巨大的中压交流配电网在其寿命周期内仍然可以作为充电电源使用,但是对于中压交流配电网的供电可靠性和电能质量的要求可以大大降低,从而有效减少运维工作量和运维费用。

在大规模能量型储能技术已经完全成熟后的未来,绝大多数用户已经建设了基于储能的低压直流微电网,继续大规模建设和扩展中压交流配电网,而且建设两套平行的配电系统也非常不经济。此时,随着存量中压交流配电网的逐渐废弃,储能元件的充放电管理逐步过渡到 110kV 及以上变电站,基于储能的低压直流微电网就逐步成为未来配电网的主要形态。

从商业模式上,电力公司的配电业务需要逐渐向协助用户建设基于储能的低压直流微电网、并提供储能元件的充放电管理服务转换,因为随着储能技术的逐步成熟,基于储能的低压直流微电网和电动汽车一样,必然会受到用户的青睐而成为用户的首选。试想,如果墨守成规,到那时还会有多少用户申请报装接电呢?如果电力公司不能与时俱进、积极转型,其配电业务就会被各种各样的其它服务型企业抢占。

但是,电力公司是最适合作为未来配电网的建设、运行、维护和服务的主体企业,不仅因为他们娴熟的业务水平和丰富的运维经验,而且在于他们是已经建成的存量中压交流配电网和 110kV 及以上电网资产的所有者。

因为在存量中压交流配电网仍具有利用价值的过渡时期,作为这些资源的拥有者,电力公司因可利用的充电电源极为丰富,能够向用户提供更加满意的充换电服务。

即使在存量中压交流配电网基本报废以后,作为 110kV 及以上电网资产的拥有者,电力公司不仅具有更加便利的条件向用户提供充换电服务,而且也是储能元件平坦负荷曲线从而提高资产利用率的受益者,理应更加积极地发挥储能元件在 110kV 及以上变电站充放电管理的作用。

此外,对于一些拥有大型中压交流设备的用户和电动汽车充换电站,仍然将延续采用中压交流配电网的供电模式,这些业务对于电力公司而言,大部分只需在已有资源基础上采取常规维护措施延续其寿命即可,而对于其它从业企业,则大部分需要额外建设相应的中压交流配电网,电力公司的优势不言而喻。