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2018国家能源互联网大会系列报告之主题报告4|赵志刚:近用户侧能源互联网技术研究进展

    2018116日,由清华大学、国家能源互联网产业及技术创新联盟主办的2018国家能源互联网大会在北京西郊宾馆成功举办。会上,格力电器股份有限公司新能源环境技术研究院院长赵志刚作了题为《近用户侧能源互联网技术研究进展》的主题报告。以下为报告内容。

1、开场

赵志刚:非常荣幸参加2018国家能源互联网大会,我是格力电器的赵志刚。

能源互联网是一个新兴的、正在被定义和赋能的概念,开启了新的产业生态。从用电侧设备来讲,能源的变革和技术的发展不仅是能源的供给问题,也必将深刻地影响能源的消费和消费的形态。当然信息的复制和分享已经近无成本,但是物理实体,包括实体的设备及能源一直徘徊在节能、提效上,在硬件方面还得照顾成本。

今天我带来近用户侧能源互联网技术研究,G-IEMS系统,跟大家分享这些年在用电侧设备上的推荐和建设。我分享两个,一个是光伏空调系统与新能源直流电器,此外是用户侧能源互联网系统。

2、光伏空调系统与新能源直流电器

光伏空调系统。这个词已经做广告好多年了,2013年我们在中央电视台打了广告,那个时候大家讲,光伏空调是个啥?既不是用电设备,也不像发电设备,它是一个发用一体化的设备,光伏空调系统应该说跨出了原来用电设备纯功能性电器的定义,把光伏这种新型能源和清洁能源的消纳集成进了用户侧。电器是从电被发现以来一直成为人们改善生活、改善各个方面的一个功能性设备。新能源发生变革之后,实际上在电器里面产生了不一样的影响,其中它的纽带是直流,电器设备从电到交流电,到后来内部直流化,到后来跟新能源的对接,一直是电器装备领域追求和关注的变革点。那么新能源的普及和新能源的繁荣是加快了这个进程,所以第一个主题想通过光伏空调系统和新能源直流电器来汇报整个局域能源互联网在用户侧的一些研究情况和关注的痛点、焦点。

在建筑和人居生活里面,有接近一半的电费是交给了空调,比重非常大,空调也是家里耗电最重的,也是夏天导致供电产生峰谷不平衡的一个最关键的因素。怎么寻求节流之后的开源,对电器产业来讲,是一个发展的关键点。

这是光伏系统的一个主体的架构图,我们可以看到,对于一个有光伏能源供给的建筑来讲,新能源发电产生的光伏直流电,会经过空调直驱直用,并且供给家里的其他电器,用不完电才开放给电网。光伏空调系统一个简单的描述就是:光伏直流电不用再通过逆变之后上网,转一圈之后回来才给空调用。因为空调在变频化之后已经可以直接消纳直流电了,这也是光伏空调系统设计之初的一个设想。这样的话可以让变频的自发自用先缩小到自己可实行的范围,再从家庭到社区,以及通过增设户用储能来在家庭里做自我的平衡。也就是自发自用、自我愈合的一个思想。

基于这个框架和目标,我们定义了一个家居级的发储用系统的架构。它是以直流母线为支撑,我们期望这样的能源更加直接和简单,设备也更加简单、可靠、高效,光伏直流电通过一级的逆变就转给电器设备,转化为能,转化为热,转化为视频、音乐等等其他能量形式。它通过这种直流直驱的架构实现了线缆、变流器供材的简化,也实现了直流直驱的高效,更加可靠,也让变换能得到联合的调配,打造一个更加安全的系统。

基于这个设想和架构,通过技术实现,我们做了一个示范的对比,可以非常明确看到这种光伏电直流直驱的系统,在提高系统效率,减小能量损失,降低系统造价成本上以及并网友好性都有非常大的提升,甚至在效率上达到7%的提升。当年住建部的一个光伏一体化建筑项目里面做的光伏离心机系统,是一个0.8兆瓦的系统。这个示范也清晰地证明,我们采用直流能源为连接的纽带实现清洁能源供给和高效用电结合是可以带来收益的,并且具备产业化实践可行性。

这个项目基于光伏和用电侧结合的技术,团队已经做了连续两年攻关。2013年取得了一个国际领先的鉴定, 2018年又获得了一个光储用关键技术研究的国际成就大奖,公司在暖通界获得了国际RAC的一个大奖,它为暖通界空调设备在往哪走,往哪发展做了一个探索。相关的产品经过这五年多的研究和发展,已经实现了八大类产品64个型号,覆盖了全球23个国家和地区,它是一个缩减版的发储用管的系统,可实现并离网运行,这个系统也已经在不断的进行实践,其中用的最多的是中东,中东的阳光非常好,制冷需求非常大,有潜在的供需平衡和能源自给的需求和特性。

基于光伏空调的研发,相关的技术已经不停在往前发展。我们希望通过供需平衡和清洁能源直驱直供的技术,不断地把它扩展到其他的家用电器里面去,覆盖到家庭、社区。

新能源直流电器研究。我们再回顾一下为什么选择光伏空调来推进这个事,电器产业在从交流电器到未来的直流电器,其实这个现在在国际上竞争非常激烈,相关的技术储备和示范都在推进。电器的直流化有其内在的诉求,当传统的电器在推进提质提效、完成用能精细化的过程中,通过变频技术、电力电子技术实现能源的精细化利用的时候,普通常规的220V/50Hz380V/50Hz的电源已经不能满足功能调节、智能控制和节能提效的需求,这时候都会有一个AC/DC的装置,当然像信息电子这样的设备早就实行了内部的直流化,像空调这种大负荷的设备,在2002年到2010年左右,在变频化的推进过程中,也具备了直流化的基础。我们认为整个直流化的推进可以分成三步,第一是内部的直流化,第二是像光伏空调这种自系统的直流化,来避开全生态同步走的问题,比如家里的电器是不是同步改直流,电网也跟着一起改,实际上它不是一个不愿意的问题,而是一个同步节奏的问题,所以第二步可以推进大功率设备通过光伏直流或者是通过变网的适配器化来实现向直流生态的过渡。最终协同各方包括供电侧、网侧、储能侧等,实现全直流生态。现在的直流化有着自己的诉求,在这个发展进程中,新能源和储能起到了非常好的促进作用,它为整个直流化带来非常好的推进力,并且有显著的社会经济驱动力。

那么这是一个在直流化过程中的一个可替代性,最大的耗电设备空调通过变频化使电动的负载具有了直流化的基础,其他的设备,包括电热的感温加热等其他技术,都早已具备。这是我们对新能源直流电器在功率特性上的分析。因为推进整个直流化,达成整个局域能源互联网系统化的过程中,包括对电压序列的选择以及相关接口,比如对供需平衡的供这个功率限制是多少,实际上一直是一个非常关键的焦点,也是一个决策点。我们对从用电侧的角度对工业的特性做了分析。把它分成了功率、能量等UIPQ四个维度,对它的能量特性,功率特性以及它用电的使用特性,以及人跟它接触的频繁区还是非频繁区进行了相应的研究和分析。这是用电侧行为特性的分析,这个分析有助于我们对架构进行定义,以及未来到底该选择什么样的布局,什么样的输配的长度,范围,以及相关的接口,它将有助于我们实体得到运作,得到实践。

此外,器件支撑上,空调在变频化过程中同步推进了一个高反化,就是提高能效,提高电压,所以器件支撑已经为直流化各方面奠定了一定的基础,包括变频化所产生的大规模使用的电力电子器件和薄膜器件等。此外,线路的输配电性能和绝缘水平也是影响能源互联网供电有线直流架构它所决定的因素。经过这些分析和研究,我们从用电侧的角度提出一个概念,在家庭和社区搭建两条母线,一是安全的母线,二是高压动力母线。安全母线就是频繁跟人可以接触到的,比如说卧室、客厅、书房、商务办公和会议室,它追求安全,使用低压,当然在低压下面尽可能的追求高。此外高压动力母线追求效率,而不再纠结电压降低是不是导致变速特性和能效降低,所以初步确定按这个思路来定义我们的母线,这是按我们的思路来构建的一个家居级的系统。

    这是从新能源电器的角度来反过来看家居级和社区级的系统,它在能源输配的主通道上怎么达到相关的标准和接口。此外,还有一些比较多的焦点技术还在研究和进行之中,比如接口技术,即插即用的技术,以及在线绝缘监测的技术。这些已经在不断的实践了,实际上很多的焦点问题,它从很多的角度还有不同的观点和意见,我们认为更多的时候通过更多的试验和工程发现问题和瓶颈在哪里,这样才能使它更加完整,也积累更多的数据样本。

    第三个是对供需联动的研究。光伏跟空调结合之后来,以及新能源跟用电需求结合之后,这样的社区还存在着跟外部交互的问题。像我们这两年在推进煤改电,实际上在河北和天津都有推进光伏煤改电的工作,想解决的就是当电负荷突然增加之后,电网的承受能力以及跟电网互动响应的问题。基于这方面我们也在开展供需联动和响应的研究,来解决并且应用特别是空调和热水机等非敏感性实时负载,发挥其优势。因为空调和热水器是可以缓变的,时间长度在半小时以后,这些特性可以在多能混合调度里面其互补互通和互进的作用。

    这是一个在河北的电力调峰系统。当然,整体上能满足未来能源互联网应用的电器还有很多要研究的工作,团队也正在梳理,希望有机会跟伙伴一起交流,让系统更加亲和和友好。

3、近用户侧的局域能源互联网系统IEMS

下面我再汇报一下这边搭建的一套局域能源互联网的IEMS系统。2012年的时候,空调和电器经过变频化之后,推进了两事情,一个是智能化,智能化在家庭里叫智能家居,在楼宇中是叫群控。这两个领域跟我们能源对接的时候,或者是AI出来之前,基本上有时候像个玩具,不能产生实际的效果,这也是行业的痛点。IEMS系统希望通过能源的经济化运行、透明化调度,跟智能性或功能性控制结合起来,最终实现家庭级的能源信息的互调互通互用,并扩展到工厂级、楼宇级。这是我们定义的一个社区级架构,采用源网荷储集散式的架构,采用分层分级,包括集中式储能和光伏,也包含分布式储能和光伏,利用直流配电系统的自愈能力实现安全运行,此外是友好的,像一个生命细胞一样具备特征属性,可以自由累加和扩展。

    这是开展的一些IEMS的研究,包括用电侧的响应和通信的技术,希望设备具备能源信息化之后,更好的跟其他的系统进行互动。这是已经开展的一些规范性的工作,像空调已经形成了团标和行标4份左右,已经在完成相关国际标准的输出。

    未来能源互联网系统和IEMS系统希望以变网侧的路由器或者是单元,自由跟外界交互,内在发出自我平衡和调度,这是在信息解决方案上,实现从APP端到服务器端到本地端能互相支持协同

这是实际搭建的一个系统,这是楼宇级、工厂级和区域级的。此外,我们这套系统也搭建了一个示范屋,通过七个集装箱组成,整个负荷100千瓦左右,实现了交直流双环网,也做了直流计量的工作。直流计量也是我们建立以直流为基础的能源互联网的基石,它能促进整个产业交易的反应。

这是在长沙搭建的一个工厂级应用,大概1.44兆瓦,当然在实践的过程中也发现不少的问题,包括跟网的问题,内部环流,包括一些策略的问题。这是相关的网架和系统。在工厂里面的应用不只是像家庭里面提供供能和舒适性,它能跟工厂的可靠的运行、调度,甚至跟单品能耗结合,打造一个更加智能、安全的工厂。

4、结束语

    最后,想用这个词来总结我的报告。能源互联网在2013年以前,我们基本上找不到名词来定义它,但是非常荣幸在后来的过程中,我们用能源互联网定义了各行各业相关领域,相信未来通过大家的努力,通过供需网,源网荷储和以及产业的联动,携手共建一个清洁、安全、可靠、舒适、高效的人居工作环境。谢谢大家。




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