太陽能的相關(guān)技術(shù)解析

在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最需要研發(fā)太陽能的使用。能源革命的終極目標(biāo)是全世界100%的能源來自于光伏、風(fēng)電、氫能燃料電池等可再生能源。主要有三種供給方式：一是集中式光伏、風(fēng)電新能源+儲能的能源供給方式，二是大型的獨(dú)立儲能電站化學(xué)儲能、抽水蓄能等，三是以用戶側(cè)區(qū)域性微電網(wǎng)群(虛擬電廠)為架構(gòu)的模式。

當(dāng)新能源+儲能的度電成本低于傳統(tǒng)的化石能源時，微電網(wǎng)群和集中式新能源+儲能的這種模式將會爆發(fā)式增長。而作為能源革命的關(guān)鍵技術(shù)，微電網(wǎng)及微電網(wǎng)群控制EMS系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)BMS、PCS系統(tǒng)將是能源革命成功與否的關(guān)鍵。

關(guān)鍵技術(shù)1——項(xiàng)目頂層設(shè)計(jì)

大規(guī)模的儲能系統(tǒng)有著不同的應(yīng)用場景和商業(yè)模式，有的儲能系統(tǒng)是單一的電網(wǎng)調(diào)峰，有的是調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等多重應(yīng)用場景的結(jié)合。根據(jù)不同的項(xiàng)目，大規(guī)模儲能系統(tǒng)功率的配置和電池的配置、選型也是完全不同的，這個系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)要系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠，要有經(jīng)濟(jì)性。

大功率儲能系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)是非常重要的，涉及到儲能功率配置、儲能Pack成組和儲能容量配置等諸多因素。一個光伏電站平均的儲能時間是10分鐘還是20分鐘、還是50分鐘，這個電網(wǎng)是有要求的。比如現(xiàn)在青海要求光伏、風(fēng)電有10%的儲能容量的配比，不同的地方配比是不一樣的。另外充放電電流大小、BMS均衡電流大小、調(diào)峰容量需求以及一次、二次調(diào)頻所需時間，這些約束條件和最后要達(dá)到的目標(biāo)之間要確保整個流程設(shè)計(jì)是閉環(huán)的。

關(guān)鍵技術(shù)2——儲能系統(tǒng)集成

根據(jù)儲能系統(tǒng)的頂層規(guī)劃，儲能系統(tǒng)集成需要從最底端的電芯選型到電池模組、電池包和電池簇再到儲能系統(tǒng)的配置進(jìn)行全方位的把控。包含了BMS分時均衡的電池個數(shù)、均衡電流大小、集裝箱內(nèi)部熱管理系統(tǒng)、PCS工作模式、PCS底端控制邏輯及上層EMS控制策略的制定等。

原來的儲能電池是來自于汽車的動力電池，一個電動汽車的電芯數(shù)大約幾百個最多一千個，大功率儲能系統(tǒng)包含的電芯個數(shù)是以萬來計(jì)甚至以十萬來計(jì)，最大的問題就是它的不一致性。它是具備短板效應(yīng)的，我管幾百個電芯還可以，同時讓幾萬、幾十萬個電芯要達(dá)到一致性是非常難的。

關(guān)鍵技術(shù)3——BMS均衡技術(shù)

大功率儲能系統(tǒng)單體容量大，所以在頂層設(shè)計(jì)時一定要從BMS開始。電芯剛出廠后，我可以對所有電芯進(jìn)行一次性選擇盡量保持一致性。但是運(yùn)行一段時間后，電化學(xué)電池對溫度的反應(yīng)非常敏感，它的不一致性又增加了，差異性又出來了，那在這個過程中怎么控制，怎么把有一些性能變差的電芯怎么找出來，在運(yùn)行過程的周期中進(jìn)行均衡，讓它再恢復(fù)一致性。這個在整體的控制策略中要考慮到。

儲能系統(tǒng)的高效率低成本一個是系統(tǒng)集成的成本，另一個是運(yùn)行中的成本。電芯成組后不一致性會倍增，BMS均衡控制難度加大。大容量的儲能系統(tǒng)需要電芯并聯(lián)進(jìn)行容量擴(kuò)充，BMS對并聯(lián)電芯的檢測手段難以準(zhǔn)確判定問題電芯和問題Pack，一個電芯如果是40安培的話，需要并聯(lián)的組串就比較多，這個時候怎么檢測，運(yùn)行一段時間后再怎么進(jìn)行均衡，均衡的電流要配多大，其實(shí)這跟你的成本息息相關(guān)。

在電池運(yùn)行過程中，由于各類因素的影響導(dǎo)致不同的Pack其衰減曲線不一致，從而擴(kuò)大儲能系統(tǒng)內(nèi)部的不一致性，怎么解決這個問題?BMS的硬件設(shè)計(jì)、在線均衡策略必須和Pack設(shè)計(jì)以及整個儲能系統(tǒng)功能參數(shù)緊密結(jié)合。BMS均衡能整體提升儲能系統(tǒng)的充、放電容量，降低系統(tǒng)的短板效應(yīng)。

首先是電芯級的SOC估算精度。包括電芯電壓變化率小于BMS電壓采集精度時候的自我修正和SOC錯誤標(biāo)定后的自我修正。

其次是電芯級的SOH估算精度。實(shí)時快速的確定每個電芯的SOH是對均衡策略一個重要指導(dǎo)，可對系統(tǒng)進(jìn)行在線維護(hù)和電芯更換提供數(shù)據(jù)支撐。包括BMU內(nèi)電芯均衡、跨BMU之間的電芯均衡、電池簇之間的均衡，為全面的電芯電壓、SOC、SOH電芯溫度制定出最優(yōu)的均衡策略。

現(xiàn)在我們國家的儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)最缺的就是對系統(tǒng)研究比較透徹的系統(tǒng)集成商，這是個系統(tǒng)工程，并不是我買個廠家替我做BMS就可以了，這塊需要我們大家共同努力。

關(guān)鍵技術(shù)4——PCS多級V/F并聯(lián)技術(shù)

傳統(tǒng)的PQ控制方式不足以體現(xiàn)儲能系統(tǒng)靈活、快速、穩(wěn)定的電源特性，傳統(tǒng)的V/F控制方式難以實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)，電壓源容量和支撐能力的擴(kuò)充受限。

對于大規(guī)模儲能系統(tǒng)，PCS多級V/F并聯(lián)技術(shù)一直是業(yè)界急需攻克的難題。PCS多級V/F并聯(lián)技術(shù)可以大幅度降低系統(tǒng)造價，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)瞬時反應(yīng)能力。

關(guān)鍵技術(shù)5——PCS無縫切換技術(shù)

PCS以V/F的形式并網(wǎng)運(yùn)行，給電網(wǎng)提供一次調(diào)頻、調(diào)壓等電力輔助服務(wù)。在電網(wǎng)故障時，它無需進(jìn)行PQ和VF的切換直接進(jìn)入到孤網(wǎng)運(yùn)行模式，為孤網(wǎng)提供電壓和頻率的設(shè)定值(reference)，從而確保重要負(fù)荷的不間斷供電。該項(xiàng)技術(shù)的使用可以使PCS系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)，同時可以提供傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和無功調(diào)節(jié)等電力輔助服務(wù)。

該項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和對電能質(zhì)量要求高的客戶，同時對提高微電網(wǎng)供電可靠性有著重要作用。

關(guān)鍵技術(shù)6——智能化能量管理系統(tǒng)EMS

智能化EMS系統(tǒng)能夠?qū)ξ磥硐到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，從而提前調(diào)整系統(tǒng)控制策略，使得系統(tǒng)不斷的自我優(yōu)化。必須遵循以下三點(diǎn)：

1. 以確保系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行為第一原則;

2. 充分利用不同電源的特性，精控儲能，充分實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性;

3. 不斷持續(xù)優(yōu)化控制策略，形成自學(xué)習(xí)型系統(tǒng)。

我們已經(jīng)在運(yùn)行的一個電站，EMS能夠根據(jù)電池BMS的采集數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電實(shí)際和預(yù)測數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)調(diào)度指令，通過人工智能算法在線對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充放電修正。在數(shù)據(jù)每天都不一樣的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對PCS的工作模式進(jìn)行自由切換。如果在調(diào)頻階段就切換成V/F模式，如果在一般階段就用PQ源模式，所有的工作狀況是根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況在不停切換的，從而確保電池在各種工況下循環(huán)壽命最大化。

關(guān)鍵技術(shù)7——“新能源+儲能”的協(xié)調(diào)控制

通過不同的EMS控制策略，“新能源+儲能”可以參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰并能夠提前24小時對新能源發(fā)電出力進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測精度能夠達(dá)到85%以上，高于火電等常規(guī)機(jī)組的調(diào)節(jié)性能。這個技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得光伏、風(fēng)電配置儲能系統(tǒng)后將轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€可控能源，隨著新能源和儲能系統(tǒng)度電成本的不斷降低，新能源將全面替代化石能源最終實(shí)現(xiàn)能源革命，而且這個是可以遠(yuǎn)程操控的。

關(guān)鍵技術(shù)8——微電網(wǎng)及微電網(wǎng)集群控制

未來的發(fā)展趨勢是以微電網(wǎng)為單元，微電網(wǎng)集群為區(qū)域的供電方式，大電網(wǎng)將逐步退至后備電源的地位。由此衍生出的虛擬電廠、云端大數(shù)據(jù)調(diào)度平臺以及各種人工智能算法，大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將成為微電網(wǎng)及微電網(wǎng)集群EMS的一個發(fā)展趨向。

關(guān)鍵技術(shù)9——區(qū)域能源管理平臺(區(qū)域自治)

分布式發(fā)電與大電網(wǎng)的關(guān)系，從單方面依賴轉(zhuǎn)變?yōu)楹献骰ペA。區(qū)域能源管理平臺可實(shí)現(xiàn)對多個微電網(wǎng)的運(yùn)行控制，建立多微電網(wǎng)間的競價機(jī)制。將來通過云計(jì)算，我們把這些分散化的分布式電源，不管是光伏、風(fēng)電還是儲能電站也好，統(tǒng)一把它們調(diào)度起來，這是我們研究的一個方向。未來會把供暖、供冷和供電等多樣能源的轉(zhuǎn)換，通過各種儲能技術(shù)(儲電、儲熱和儲冷)，利用能源最優(yōu)調(diào)配進(jìn)行EMS來實(shí)現(xiàn)。

北控團(tuán)隊(duì)在這方面已經(jīng)做好充足的技術(shù)儲備，并計(jì)劃在相關(guān)項(xiàng)目上進(jìn)行實(shí)施。相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。