袁晓冬：直流配电储能应用及电能质量

电力电子隔离以后就变成有序控制，加上功率的能量库。而功率能量库有两块，一块如果是用交流系统和直流连接，就是交流上大量的功率，另外如果储能能够大量发展，储能就是一个非常好的功率能量块，而储能成为很好的功率调整板块，未来在电网配置里面它将是举足轻重的点，这里面的电能质量控制包括了主动式保护技术、直流滤波器、高低压穿越和储能，这是非常有意思的东西，它一下子就把直流配网电能质量控制的难度降低到我们完全能够承受的地步。

(见PPT)我们看一个例子，这是南京国臣直流配电科技公司做的主动保护的一个技术，这个实验是我们在他们的直流楼宇里面做的，我做了一个低压端的短路，我们看上一层的220V直流母线上的电能质量状况，在低压侧发生断路之后，上一层的直流配网里面扰动持续时间不超过1毫秒，所有问题能够有效地被控制在我的隔离圈之外，里面的直流配网能够完全不受影响，当然这只是一个技术，或者一种产品。类似的技术我觉得只要应用成熟之后，我们的直流配电网的电能质量就能被有效地控制住。

(见PPT)我们来看一个典型的电力电子器件时序上的响应过程。从最早的DSP的信号发出，到最后做电网源荷响应，在整个过程中它经历了很多阶段，包括死区延时，驱动电路响应延时、结电容响应延时、DSP控制回路延时等等。

这是它的器件相应的尺度，也就是死区这部分，它主要是在PWM输出的时候，为了使H桥和半H桥上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护，这个时间其实很短，在这里面死区的主要成分就会产生一些低频的谐波增量。

再下一个尺度的电能质量问题就到了DSP控制回路部分，这里会产生一个开关纹波，这完全取决于现在我的频率，现在开关纹波的频率和IGBT开关频率的整数倍，由于离散化导致，无法消除。(见PPT)这个图是从别的论文上摘下来的，我们做的实验的很多数据也是能清晰地看到这个阶段的电能质量的问题。

在现在离散控制的时间尺度上，现在一个开关周期可能在比较高频的都能上M，一般都在几百K的状态，容量大一点的装置也有几K到几十K的采样频率。而在这个阶段，这些谐波问题或者说超级谐波的问题其实也是不可忽略的。

再下一个时间尺度就是我们平时关注比较多的电路控制响应延时。这主要是由于PI参数中的积分参数会导致无法做到一个无尽差，因此会产生一些直流上的谐波。

再下一个时间尺度就到了和电网里面源网荷的匹配，这里面就会导致电压偏差。现在直流电压偏差的限值，世界各国的争论还比较多，大家还不能完全达成一致，包括直流的电压等级大家都不能达成一致，直流里面的电压等级，很可能有些国家提出的想法是用直流的电压带代替一个直流电压值的方式，就和我们交流上完全不一样了，但这个事情最后会演变成什么样，我们现在还不能完全确定。

供电电压偏差就是这里面一个很重要的因素，我的供电电压偏差其实就取决于在我的直流供电电压带里面，它的偏差的多少也决定了后面整个直流网里面电压波动的幅度。

我们在这个供电偏差里面，主要是由几个问题导致了电压偏差，一是负载和电源之间的匹配程度，当负载过高或者过低都会导致明显的电压偏差，这很容易理解，它就是一个能量平衡的过程。第二个导致供电偏差的主要是系统的控制、跟踪的误差导致的，这里面我们拿MATLAB做了一个仿真，当我的误差大一点，它的偏差也是越大的。

再一个是暂降和暂升，暂降大概是在0.1到0.9倍的额定电压之间，持续时间10毫秒到1分钟，暂升和冲击都差不多。这里面的测量方法和交流会发生一定的变化，但是具体的标准还没出来，这个发生变化基本上是肯定的，这里面有一些最新的情况，我以后再有机会会跟大家分享，目前也都在考虑当中。

还有就是暂降、暂升形成原因的分析，暂降主要是由直流系统、电力电子变换器的故障突然出现大的变化，比如说大功率设备的启动引起的，这里面给的问题也是我们在直流侧做的暂降分析的波形。

另外在直流里面还有一个很重要的问题，就是直流里面不平衡的问题。在直流里面我们为了提高设备的功率的利用效率，我们一般都会采用双极的供电系统，它的不平衡跟原来交流里面三相不平衡不太一样，原来三相是指各相之间不平衡，而在直流里面指的是正对地和负对地之间的不平衡。根据目前的研究来看，在两个DC/DC电路里面，当C1和C2严重不平衡的时候，假设超过25%，开关管的应力就会超出一个设定值，所以我们在直流里面的不平衡大概的限值也就会从这个角度去考量。

在直流里面还有一个涉及到稍微复杂一点的问题，就是直流里面多个变流器协调控制的问题，这可能是直流里面控制难度最大的一个问题，以后各个高校写文章或者做研究关注的焦点也在这里，如果大家步调不一致的话，它很有可能会产生问题，或者说每一个变流器、控制器都能有一个相当于分散自律的控制方式，可能能够保证它协调。但是实际上都做不到，各家都有自己的一个策略，所以它这里面如何让不同的变流器之间互相能够步调一致是很难的事情。这里面我们也给出了一些直流里面发生振荡的问题，其实在目前的角度来看，可能暂时是无法避免的，当然未来可能我们把控制做得更加精细，应该是能够把这个事情解决的。

这是我刚刚讲的一些问题的简单的小结，交流机电系统、交流电子电离化系统、直流配电系统，我们现在认为在直流配电系统里面它的电能质量问题更小、更加可控，而且有非常好的主动控制的方式解决。

最后讲一下储能在直流配电当中的作用。我们觉得储能在直流配电当中到底起什么样的作用?其实我可以把它类比于给我的直流配电系统做一个支撑的交流系统的地位。当然我的这个想法很多都是基于第一性原理，我认为储能未来的价格走向和它的产能，它在整个系统内总量和储能未来的能量密度能达到的程度，我是对未来做了一个推算之后大概得到的结论。

在未来的直流配电系统里面，储能存在的位置会非常多，包括电动汽车以及其它的地方，储能的量也会很大，我们只要想到储能能够足够便宜的话，它的量就会很大，而储能的量很大，它在配网里面起到的作用跟支撑配网的交流电网是完全一样的。

这是一个典型的直流配网的结构，光伏当然也是做下垂这样的控制，但是光伏因为是一个波动性的源，所以其实是不可控的，而交流网我们认为是一个非常稳定的供能的大网，当然它是一个很稳定的网。大家认为现在储能的量很少，我只能把它作为一个点缀性的东西算一下，但是实际上如果储能的量很大的话，我们也能把储能看成是一个交流网的作用，如果是这样看的话，储能真正能够把电力系统的发、输、配、变、用的各个环节进行解耦，原来整个电力系统的形态和我思考问题的方式都会发生一些变化。现在也会有些人说这个事情离得还很远，或者我们现在想这个事情是不是还太早。但是我觉得有两个证据可以说明我们现在这个事情已经值得探讨了。第一是我一开始讲的，在深圳这个土地上长出来的腾讯这个企业，小的时候我上网还是用猫联网，根本想不到可以应用微信，但是可能这个事情在转瞬之间也就到达了。第二就是前面我讲到的，这里面有一个指数级发展的规律，现在这个行业已经进入到爆发期，无论是从它的价格上还是它的功能上，都会有一个指数级爆发的趋势，这个趋势不是在我们储能行业单单发生，在原来的电子行业，以及其它的很多行业，我们想想现在做的基因测序之类的东西，早几年的时候可能非常贵，瞬间它的价格就能下来，我们这个行业其实也正在面临着这样一个过程。而在这个过程中，我们去想这些问题，可能就是要用这样的思路去走。

这是我引用了刘健老师在《未来配电网的主要形态》当中的观点，他也是认为未来的配电网主要形态就是低压的直流微电网，他大概给了一些结论，我就带大家简单浏览一下，现在的电网结构存在的问题，主要是高压、中压馈线长，大部分的问题都是线路上的故障，另外还有交流的传输效率的问题，分布式电源接入、分布式设备负荷低等等问题。他提出的未来配电网的形态，这两天我们所有讨论的储能话题里面都没有谈到这个事情，就是未来电网中间有一就没有了，电网只保留一个高压电网，然后是低压配电网，这里面的储能的量很大，每家每户做储能的时候，都不需要电网了的，直接用一个储能设备，一个月的用电量就够了，然后就像换煤气一样，把这些储能块拿去重新充电，这中间就没有网的事情，中间就变成一个物流的事情，可以交给京东来干这个事情，末端是我们现在讨论的事情，上端是电网公司讨论的事情。我觉得这个想法也很穿越，但是这个想法实现的可能性也很大，如果我的储能的价格按现在这个走向再走一段的话，可能就能达到这样的程度。

当然这里面也给出了一些技术差距，可能都是在储能上，其实在其它的技术领域现在已经没有什么明显的技术上的障碍，只有在储能方面，大家说储能未来还有什么商业模式，我觉得完全可以想到这样一个事情。

(见PPT)这是原来中国电科院的一张PPT，当储能达到8到10千瓦时每公斤的时候，相当于汽油的热值，将推动能量块的应用，我们的储能设备的应用就会有很大的发展。

这是储能的概念车，这个东西没准两三年就能形成，未来的电动汽车全是这种模块化的，甚至有专门做储能的一节一节的模块，如果在一个社区里面我需要多少储能，我呼唤一下，这种储能就以电动车的方式开到我家，就在我这边可以用电了，我不需要的时候，它自己开到电网那边充电，这个形态跟我们现在做滴滴有什么区别?其实一点区别都没有，在物流这个形态和在外围APP做导航的上面，其实技术都解决了，就等着储能的发展。

安徒生童话中《皇帝的新装》这个故事大家都很清楚，这里面有一句很拗口的话“看上去不对，但其他人都说这是对的，所以这肯定是对的，所以我要装作我也觉得这是对的，所以没有人看出我的愚蠢”，这个故事很深奥的一点，它在这里面划分出四类人，还是回到我前面讲的厨子和大厨的关系，他划分出的四类人，第一类是骄傲的厨子，他是教条的酷爱者，他觉得这个事情肯定就是这样的。第二是不安的厨子，他困惑自己为什么那么笨，因为他看到了这个事情要这么变，但是别人都在这么说这个事情不是这样的，他觉得自己为什么这么笨，他必须要接受大家认可的东西。第三腹诽的厨子，他看到了这个事情本质，但是大家都这样做，他也要假装不知道。最后一个是大厨，就是这个故事里面的小孩，他看到了事情的真相，他站出来喊出这个真相。我觉得这个储能大会也是让我们这些大厨一展伸手的地方。

我的报告就到这里，谢谢大家。

(本文根据现场录音整理，未经本人审核)