摘 要:針對應急供能的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題,提出了一種基于光儲充直流技術(shù)的平急兩用充電系統(tǒng)技術(shù)方案,給出了一種基于負荷特性的柔性調(diào)節(jié)充電策略。最后分析了平急兩用充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和應用場景,為應急供能提供了一種綠色低碳的技術(shù)方案。
關(guān)鍵詞:平急兩用; 直流技術(shù); 充電; 柔性控制策略
中圖分類號: TU855 文獻標志碼: A 文章編號: 1674-8417(2024)09-0001-05
DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.001
0 引 言
隨著科技的進步,各類電子設(shè)備在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。然而,在自然災害、突發(fā)事件或其他緊急情況下,電子設(shè)備電池的續(xù)航能力已然成為一個關(guān)鍵問題。應急場景的突發(fā)性和不確定性決定了應急能源的緊急性及重要性[1]。習近平總書記在提出能源安全新戰(zhàn)略時著重強調(diào)“能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題,對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要[2]”。在應急場景中,需要用到大量的照明、通信、定位、醫(yī)療等電子設(shè)備,隨之而來的就是大量的電池充電需求。為了解決能源供應的可靠性、快速響應能力、靈活性和兼容性問題,平急兩用充電系統(tǒng)應運而生??紤]到產(chǎn)品成熟、性能可靠、維護保養(yǎng)方便等因素,目前國內(nèi)應急供能系統(tǒng)主要以柴油發(fā)電為主。但柴油發(fā)電機組運行存在噪聲問題,運行過程中排出煙霧中含大量SO2,污染環(huán)境,柴油發(fā)電機故障率高,日常維修煩瑣[3]。應急情況下,柴油發(fā)電機組起動響應慢,當負載的供電線路突然出現(xiàn)故障時,負載處于失電狀態(tài)。同時,應急柴油發(fā)電系統(tǒng)如果處于冷備用狀態(tài),柴油機需要幾分鐘才能夠完成從熱機到投入的切換,故而不能立即進入供電狀態(tài)。普通柴油發(fā)電機的運行模式和電能質(zhì)量決定了柴油發(fā)電機只能用作非計劃的應急臨時供電或者短時的無電地區(qū)的供電需求,很難滿足多種應急場景下的緊急需求,因此,綠色低碳平急兩用供能充電系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。
1 平急兩用供能充電系統(tǒng)直流架構(gòu)
目前,平急兩用供能充電系統(tǒng)架構(gòu)以交流系統(tǒng)架構(gòu)為主,該方案以交流系統(tǒng)為構(gòu)架核心,儲能系統(tǒng)系直流系統(tǒng),充電負載大多數(shù)也是直流負載,因此現(xiàn)有交流系統(tǒng)構(gòu)架需要經(jīng)過多次AC/DC變換?;诠鈨Τ渲绷骷軜?gòu)系統(tǒng)的概念和直流配電相關(guān)標準[4],本文嘗試將光伏、儲能、直流負載以直流方式接入直流母線網(wǎng)絡,考慮到目前仍存在部分交流負荷,因此在引入光儲充直流架構(gòu)同時選擇交直流混合模式,以保留交流供電可能,同時由于平急兩用負荷種類多、不確定性大,不同用電設(shè)備電壓等級相差較大,因此考慮采用多層級母線結(jié)構(gòu),直流母線電壓等級參考相關(guān)標準推薦,基于上述原則,最終根據(jù)系統(tǒng)容量的不同,本文提出2種系統(tǒng)組成架構(gòu)。
(1) 375 V、48 V雙層級結(jié)構(gòu)。根據(jù)負載用能情況,可采用雙層母線結(jié)構(gòu),電壓等級分別為375 V與48 V,光伏系統(tǒng)通過DC/DC變換器接在375 V直流母線上,并配備儲能系統(tǒng)以穩(wěn)定直流母線電壓,直流母線通過AC/DC變換器與外部交流0.4 kV電源相連,外部交流電源可以是就近的電網(wǎng)電源,也可以是柴油發(fā)電機組。雙層級直流母線架構(gòu)如圖1所示。
(2) 750 V、375 V、48 V三層級結(jié)構(gòu)。若負載功率較大,可采用三層母線結(jié)構(gòu),電壓等級分別為750 V、375 V與48 V。三層級直流母線架構(gòu)如圖2所示。由于此時負荷功率較大,光伏與儲能設(shè)備均通過DC/DC變換器與高壓750 V直流母線相連,并且得益于母線電壓升高,直流母線具備更強的帶載能力,因此可以將大功率用設(shè)備(如充電車輛等)以直流方式接入母線,此時375 V直流母線將通過AC/DC變換器與0.4 kV外部電源相連。三級母線通過DC/DC變換器將750 V高壓母線降壓為375 V與48 V,分別為中等、小功率設(shè)備供電,該架構(gòu)中同樣配備智能調(diào)節(jié)模塊,以實現(xiàn)設(shè)備用能監(jiān)測與調(diào)控。
依據(jù)國家標準GB/T 19826—2005《電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求》以及國際標準IEEE 946—2020,在負荷充電側(cè),設(shè)備接入電壓等級選擇如表1所示[4]。中等功率直流設(shè)備接入375 V直流母線,而小功率末端設(shè)備則直接接入低壓48 V母線,進一步保證用電安全性,同時在光儲充直流系統(tǒng)中配備智能調(diào)節(jié)模塊,實時監(jiān)控光伏、儲能與用戶負載情況,集中各設(shè)備用電行為,在保證系統(tǒng)用電平衡的前提下進行智能調(diào)控。
2 平急兩用供能充電系統(tǒng)柔性調(diào)節(jié)控制策略
在實際應用中,“光儲直柔”建筑及柔性調(diào)控策略已逐步在一些示范項目中得到了探索和實踐。例如,深圳建科院未來大廈應用了“光儲直柔”系統(tǒng),通過柔性直流配電技術(shù)實現(xiàn)了光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)與直流用電設(shè)備的高效協(xié)同與優(yōu)化調(diào)度,有效提升了能源利用效率。山西芮城莊上村項目也采用了類似技術(shù),將當?shù)刎S富的光能資源通過“光儲直柔”系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為居民日常所需的電力,同時實現(xiàn)了對緊急情況的快速響應。此外,清華大學建筑節(jié)能樓的實踐進一步驗證了“光儲直柔”系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的潛力,為未來更多建筑中推廣應用該技術(shù)提供了重要參考。本文基于上述案例,給出了一種基于負荷特性的柔性調(diào)節(jié)充電策略,分析了平急兩用充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和應用場景,為應急供能提供了一種綠色低碳的技術(shù)方案。(1) 平急兩用供能充電系統(tǒng)控制邏輯。平急兩用供能充電系統(tǒng)的能量控制邏輯是將光伏發(fā)電作為主要電力來源,通過儲能裝置調(diào)節(jié)用電波動,在光伏發(fā)電量過剩時儲存剩余電量,并在發(fā)電量不足時作為系統(tǒng)電源對外放電,以滿足實時變化的用電負荷需求。工作原理是基于直流母線電壓的變化實現(xiàn)功率平衡。假設(shè)某時刻系統(tǒng)光伏發(fā)電功率為PV,外電源輸入功率為PG,則此時直流母線輸入總功率為PV+PG,當系統(tǒng)內(nèi)各用電設(shè)備總功率等于PV+PG時,直流母線電壓處于穩(wěn)定區(qū)間,系統(tǒng)維持平衡;當用電設(shè)備試圖增加功率時,系統(tǒng)總功率大于PV+PG,根據(jù)功率電壓關(guān)系將導致直流母線電壓降低,其他連接在直流母線上的用電設(shè)備根據(jù)電壓變化適當降低用電功率,儲能裝置也降低充電功率甚至作為電源對外放電,直至系統(tǒng)重新恢復平衡;而當有設(shè)備降低用電功率時,系統(tǒng)總功率小于PV+PG,直流母線電壓升高,其他用電設(shè)備功率也因電壓變化適當增加,儲能裝置增加充電功率以消耗多余電能。在直流系統(tǒng)中允許母線電壓在一定范圍內(nèi)波動,而當輸入功率過大導致直流母線電壓超過波動允許上限時,表明依靠系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力已經(jīng)無法消納過剩電力,需要限制光伏發(fā)電功率PV或降低外電源取電功率PG;反之,若輸入功率過小,靠儲能放電也無法滿足充電負荷需求時,則需要增加外電源輸入功率PG,或者降低負荷需求。(2) 基于負荷特性的柔性調(diào)節(jié)充電策略。本文提出基于負荷特性的柔性調(diào)節(jié)充電策略。該充電策略將充電負荷進行分類,分為不能中斷的充電負荷、可中斷的充電負荷、可柔性調(diào)節(jié)的充電負荷,涉及柔性負荷類型為平移延時型與變功率型。本文將柔性負荷和柔性調(diào)節(jié)思路[5]引入平急兩用供能充電系統(tǒng)的調(diào)度控制策略中。當需要進行柔性負荷調(diào)節(jié)時,平移延時型負荷的調(diào)控優(yōu)先級要高于變功率型負荷,當需要柔性負荷參與調(diào)節(jié)時,應優(yōu)先調(diào)節(jié)平移延時型負荷功率的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出行為,若僅靠平移延時型負荷無法滿足功率平衡條件,再通過比較變功率型負荷的優(yōu)先度對負荷依次進行削減,直至系統(tǒng)功率重新恢復平衡;反之同理,當供電量恢復充足時,若系統(tǒng)中存在之前被削減的負荷,也應首先恢復該類用電設(shè)備的負荷功率,再調(diào)節(jié)平移延時型負荷的用能,當系統(tǒng)中所有負荷都恢復正常后,再考慮通過儲能電池消納多余光伏。平急兩用供能充電系統(tǒng)的柔性調(diào)控邏輯如圖3所示。
3 平急兩用充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
(1) 多類型電池兼容充電技術(shù)。多類型電池兼容充電技術(shù)是一種能夠為不同類型的電池進行充電的技術(shù)。它的核心是通過識別電池的類型和特性,自動調(diào)整充電參數(shù),以確保安全、高效地充電。這種技術(shù)通常采用智能充電控制器,它可以檢測電池的電壓、電流、化學成分等信息,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來確定最佳的充電策略。通過調(diào)整充電電壓、電流和充電時間等參數(shù),兼容充電技術(shù)可以適應各種類型的電池,包括鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池等。多類型電池兼容充電技術(shù)的優(yōu)勢在于提高了充電的便利性和通用性。用戶無須擔心不同電池之間的不兼容性問題,只需要一款充電系統(tǒng)即可為多種設(shè)備充電。這不僅節(jié)省了成本,還減少了充電設(shè)備的數(shù)量。此外,該技術(shù)還能保障充電的安全性。智能控制器可以監(jiān)測電池的狀態(tài),避免過充、過放等問題,延長電池的使用壽命。同時,它還可以提供過載保護和短路保護等功能,確保充電過程的安全可靠。(2) 綠色能源多能互補技術(shù)。通過加入綠色可再生能源實現(xiàn)多能優(yōu)化供能,為充電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的途徑。在平時,該系統(tǒng)可利用太陽能、風能等可再生能源進行充電,減少對傳統(tǒng)能源的依賴;而在應急情況下,可切換至其他能源如儲能或柴發(fā)供電。這種多能互補的應用,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和自持能力。同時,綠色可再生能源的利用有利于減少碳排放,助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。這一技術(shù)不僅滿足了平急兩用的需求,還推動了可再生能源的發(fā)展和應用。(3) 快速充電與無線充電技術(shù)??焖俪潆娂夹g(shù)是為了在短時間內(nèi)迅速為電池充電而發(fā)展起來的。其中,高功率直流充電是一種常見的方法,它通過提供更高的充電功率,加快電池的充電速度??斐鋮f(xié)議則是一種標準化的充電技術(shù),不同的快充協(xié)議可以支持不同的充電功率和充電速度。通過引入無線充電技術(shù),讓用戶無須插拔充電線,只需將設(shè)備放置在充電區(qū)域即可開始充電,減少了線纜的煩瑣。特別是在應急情況下,無線充電技術(shù)的優(yōu)勢尤為明顯。例如,在災害救援現(xiàn)場,救援人員可以通過無線充電設(shè)備為應急設(shè)備快速充電,無須尋找充電接口,節(jié)省了寶貴的時間。此外,無線充電技術(shù)還可以應用于一些特殊環(huán)境(如水下、高粉塵等),避免了傳統(tǒng)有線充電可能帶來的安全隱患。(4) 多功能一體化集成技術(shù)。平急兩用充電系統(tǒng)可與其他應急設(shè)備整合,形成多功能一體化的應急設(shè)備,為應對各種緊急情況提供更全面的支持。這種一體化的設(shè)計不僅可以節(jié)省空間和資源,還能提高應急響應的效率。如與照明功能結(jié)合,可以在提供電力的同時提供照明。這對于黑暗環(huán)境下的應急救援、災害現(xiàn)場的工作等非常有幫助。同時,整合通信功能,如無線通信模塊或衛(wèi)星通信設(shè)備,能夠確保在緊急情況下保持與外界的聯(lián)系,及時傳遞信息。多功能一體化的應急設(shè)備減少了設(shè)備的復雜性,避免了攜帶多個獨立設(shè)備的麻煩,提高了應急工作的效率和安全性。(5) 模塊化輕量化設(shè)計技術(shù)。應急充電系統(tǒng)采用模塊化輕量化設(shè)計,以提升突發(fā)性災害救援的效率。該設(shè)計將系統(tǒng)拆分為多個功能模塊,包括發(fā)供電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電服務系統(tǒng)、能量控制系統(tǒng)等,這種模塊化設(shè)計使得裝置更加便攜、易于維護,大大提高了應急場景下?lián)岆U救援的靈活性和響應速度。方艙可通過火車、汽車或艦船裝載運輸,也可使用無人機進行吊運,大大提升機動性。同時,系統(tǒng)產(chǎn)品主要材料采用碳鋼或鋁合金等輕量化材質(zhì),降低了系統(tǒng)的質(zhì)量和體積,減輕了運輸?shù)呢摀?,提高了持續(xù)性和機動性。
4 平急兩用充電系統(tǒng)的應用場景分析
(1) 自然災害、突發(fā)事件等應急場景。在自然災害、突發(fā)事件等場景下,平急兩用充電系統(tǒng)可以發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)平時可為正常使用的電子設(shè)備提供充電服務,而在應急場景下,如地震、洪水等自然災害發(fā)生時,可迅速將其運至現(xiàn)場并進行快速布置,為救援設(shè)備、通信設(shè)備等提供緊急電力支持,保障救援工作的順利進行。此外,該系統(tǒng)還可用于災害后的安置工作,為受災地區(qū)的居民提供充電服務,幫助他們恢復正常生活。(2) 戶外活動、野外試驗等平時場景。在戶外活動中,如露營、草坪音樂會等,平急兩用充電系統(tǒng)可以為電子設(shè)備如手機、手電筒、導航儀等提供充電服務,確保這些設(shè)備在戶外保持正常運行。平急兩用充電系統(tǒng)也可用于科研院所的野外試驗。為GPS接收器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、便攜示波器、頻譜分析儀等設(shè)備提供充電服務。系統(tǒng)可同時對多種類型電池進行充電,大大提升了野外試驗的工作效率,也能保障試驗團隊與外界的聯(lián)系和安全。
5 結(jié) 語
平急兩用充電系統(tǒng)在平時和應急場景下都具有重要的應用價值,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新,平急兩用充電系統(tǒng)將朝著綠色環(huán)保和多功能一體化的方向發(fā)展。本文針對應急供能的綠色低碳化和便捷性要求,研究了一種基于光儲充直流技術(shù)的平急兩用充電系統(tǒng)技術(shù)方案,結(jié)合充電負荷特性和保障最大化供能能力要求,給出了一種柔性調(diào)節(jié)的充電策略,可為應急供能需求提供一種綠色低碳的技術(shù)路徑。
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收稿日期: 20240522
Normal and Emergency Use Charging Power System Based on
Optical Storage and Charging DC Technology
ZHU Guohao BIE Liangyou ZHANG Fengwei YUAN Yao LIANG Yaying ZHANG Yongming
(1.Shanghai Aerospace Smart Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201112, China;
2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China;
3.Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract:
This article proposes a technical solution for emergency dual use charging system based on optical storage charging DC technology,in order to target the current development status and existing problems of emergency energy supply.A flexible adjustment charging strategy based on load characteristics is proposed,and the key technologies and application scenarios of emergency dual use charging system are analyzed,which providing a green and low-carbon technical solution for emergency energy supply.Key words:
normal and emergency use; DC power; charging; flexible control strategy