中國儲能網訊：4月27-28日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦的中國光儲端信協(xié)同發(fā)展大會在重慶國際博覽中心召開。
此次大會以“協(xié)同創(chuàng)新 融合發(fā)展”為主題，設置開幕式暨碳達峰高峰論壇、工商業(yè)儲能與車網互聯專場、光儲氫協(xié)同發(fā)展專場、儲能系統(tǒng)集成與智能安全預警系統(tǒng)專場、人工智能與碳足跡專場五個專場論壇。
來自行業(yè)主管機構、科研單位、電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的300余家產業(yè)鏈供應鏈企業(yè)參加了本次大會對話與交流。
中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會、中國儲能網與中國儲能網聯合承辦，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會專家委員會提供學術支持。
4月28日下午，重慶大學電氣工程學院/國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺教授潘建宇受邀在儲能系統(tǒng)集成與智能安全預警系統(tǒng)專場分享主題報告，報告題目《基于SiC的新一代儲能變流器拓撲和裝備技術》。以下為報告主要內容：
潘建宇：最后一個報告由我本人為大家?guī)怼痘赟iC期間的新型儲能變流拓樸和裝備技術》。
前面各位專家都做了非常精彩的報告，從系統(tǒng)運維、傳感檢測、行業(yè)規(guī)范、BMS管理等做了詳細闡述，我為大家?guī)淼氖莾δ芟到y(tǒng)功率管控部分，也就是儲能變流器——基于SiC的新型儲能變流拓樸和裝備技術。我們前面講了很多鋰電池、鈉電池，目前重慶想推進的是以鎂基材料為主的新型儲能技術，解決傳統(tǒng)儲能材料本征安全問題，提出用鎂材料做儲能介質，實現大規(guī)模應用。
我的報告分為四個內容，第一是簡單介紹一下儲能變流器的現狀和問題，第二和第三是圍繞儲能變流器拓樸控制和新型裝備技術，第四是之前做的一些成果應用案例。
剛才各位專家教授都講了很多，我們儲能變流器在儲能系統(tǒng)里承擔的作用就是連接儲能電池系統(tǒng)和電網的雙向電能可控設備，本身儲能介質本身是不能實現新能源消納或者電網調控，主要是通過儲能變流器進行功率管控實現這個功能，最后支撐新型高效清潔電網構建。這個展示的是儲能變流器在實際中的應用，右邊是實物的裝置示意圖，儲能變流器就是實現電池、電網以及負載的能量流管控的部分。由于它進行大功率流管控，會直接決定了效率和安全。
儲能變流器不僅面向于電網大規(guī)模應用，還有新型的儲能介質和方式，就像飛輪儲能，飛輪儲能要把儲能用在電網里面，中間需要進行DC/AC和AC/DC變換。我們看到很多新能源汽車非常普及了，針對大型機械、電力重卡對儲能變流器的應用也開始慢慢在普及。還有就是在飛機電氣化領域，最近提的比較火的就像低空經濟，里面涉及到核心的動力部分就是電氣化推進系統(tǒng)。這個系統(tǒng)就涉及到儲能和電機中間通過儲能變流器怎么實現高效電推進的控制。這個展示的是飛機上的應用?，F有的飛機電壓等級是200-300V左右。未來隨著功率提升，電壓也會逐漸提升。這是空客、西門子、勞斯萊斯正在聯合研制的高壓電推進系統(tǒng)實例，航空電推進系統(tǒng)最高電壓已達到了3000V，
未來發(fā)展對儲能變流器的高效率、高安全性、輕量化、小型化要求越來越高，大家可以看到現在的儲能變流器不僅是儲能和電網的交互，還有怎么更好消納新能源，怎么更好和不同的附載匹配。這里面涉及到三個問題，一是多元多端口怎么靈活接入和組網，二是新能源和儲能對電網帶來很多沖擊，傳統(tǒng)的控制以跟網型為主，怎么實現構網型控制，提升對電網更強的支撐能力。三是因為周圍涉及到的設備和環(huán)境更復雜，怎么實現故障快速隔離和智能化控制。
在整個設備層，在電網層可能不需要考慮太多小型化問題，但是在新型的飛機、大型的船艦電力驅動上，對高效率、高安全性、輕量化、小型化的要求越來越迫切。小型化特點對現在大規(guī)模儲能有很大的好處，對占地面積要求高的城市端的應用會帶來更大靈活性。我們調研了市場上的十來家主要的儲能企業(yè)，大家會發(fā)現現有的儲能變流器主要以兩/三電平的拓樸為主，適用600-1500V的電壓等級，但是普遍存在的問題是體積大、電網支撐能力弱、性能提升達到瓶頸等。
現在儲能系統(tǒng)和風光電站向著更大的容量發(fā)展，一個發(fā)展趨勢是推直流高壓，通過讓系統(tǒng)電壓等級更高，從而實現節(jié)能增效和性能提高。這里面顯示了以往儲能PCS發(fā)展的路徑，第一代儲能產品以600-1000V為主，第二代是現在主流的1500V，也就是現有各個廠商實現的，未來兩三年之后，它會向什么樣的電壓等級去發(fā)展呢？雖然更高電壓會帶來更大容量，電壓高了之后同樣的容量，損耗更好，效率更高，但也意味著大電壓帶來電磁熱沖擊問題更大。陽光電源等開發(fā)2000V新一代PCS裝備，我們國家也開始圍繞這一塊想推出2000V及以上的設計和應用。通過提高電壓等級，建一個100GW的儲能電站，投資成本可以減少120億元，從成本經濟性上來說也有很好的空間。
此外，隨著技術的發(fā)展，現在市場上出現了新型SiC寬禁帶器件逐漸替代傳統(tǒng)Si器件，具有顯著的節(jié)能增效、降低體積、提升性能的前景，有望實現更高性能的儲能變流器裝備。
圍繞儲能變流器三個核心的目標，更高效、更安全、更小型化。實現這三個目標有三個核心難點問題：一是現有的中高壓、大容量PCS拓樸怎么構建，對應拓樸的高效控制方法怎么實現？二是針對更大電壓和功率電磁下熱力問題突出，怎么實現高效安全的設計理論？三是如何使用新的SiC器件，實現安全效率最大化提升。
我們課題組做的工作，從幾個方面探究新一代中高壓變流技術。一是中高壓高效拓撲理論和高品質能流控制，二是SiC器件驅動和模組系統(tǒng)，三是多維協(xié)同裝備高效安全設計。
首先是在新型儲能變流拓樸方面我們提出了一種新的拓撲結果。左邊是典型的儲能變流器的拓樸，右邊我們提出了新的四電平混合式變換器，結合了傳統(tǒng)的三電平NPC和飛跨電容拓撲優(yōu)勢，能夠把原來的兩電平、三電平提升到四電平。它的優(yōu)勢是相同的器件他具有更高的電壓等級，意味著更大的容量。二是開關狀態(tài)多，控制自由度高。三是諧波小，開關頻率更低，系統(tǒng)效率更高。
這是一個系統(tǒng)拓樸圖，除了對比兩電平和三電平的拓樸，也對比了四電平和五電平的拓樸結構，右邊這個表顯示出來，對比這種不同的拓樸，我們所提的HCC器件數是最小的，能夠減少將近40%的器件。更少的器件從成本來說會有更低的價格，同時能夠讓整個體積做得更小?？刂谱杂陕矢吡酥?，能更好發(fā)揮器件優(yōu)勢，讓整個動態(tài)穩(wěn)態(tài)性能更好。
這種拓樸內部帶有四個電容，理論上要穩(wěn)定在額定電壓值，但是在不同工況會造成電壓波動，輸出電壓電流會發(fā)生畸變，導致整個系統(tǒng)無法正常安全運行。二是如何與新型SiC器件結合。通過分析內部的功率、電壓、電流特性，我們提出了基于共模注入的多目標協(xié)同優(yōu)化調控方法和基于SiC的容量最小化算法，顯著提升功率品質，比常規(guī)同類變換器減低80%電容大小，特別適用于2000-3000V高性能儲能PCS的構建。
剛才講的是圍繞交流電網的應用，但是隨著電網的發(fā)展，很多場景都在構建直流電網。直流電網的好處，對比交流來說，省去了中間直流變交流再變直流的環(huán)節(jié)，我可以直接用儲能單元通過直流變換器來給負載直接供電。我們針對直流變換器提出一種新的拓撲結果，好處是高調控性能、多端口接入，高功率、小型化的優(yōu)勢。但是現在直流變壓器有幾個典型的特征：一是每一級中間都有隔離變壓器，導致絕緣設計很難。二是以方波的形式傳送，三是系統(tǒng)體積龐大，目前我們國內外構建的功率密度來說，基本上小于0.3兆瓦每立方米。左邊是我們所提的MMC-H直流固態(tài)變壓器拓樸，一種集中式的變壓器設計。它有三個特點：一是高度模塊化，左邊是一個一個模塊，中間只需要單個的隔離變壓器，變壓器數量遠遠小于傳統(tǒng)DAB級聯型結構。二是調制度更高，可以方波、正弦、梯形等多樣化調制，三是有更高密度潛力。
因為這是一種新型拓樸，它的功率傳輸特性是什么，怎么樣有效控制，這些都是未知的。我們構建了一個非常準確的功率傳輸模型，提出了基于這種拓樸非常高效的控制方法。在這種控制方法下，能有效減小在不同工況下的傳輸電流，特別是輕載下傳輸電流應力能減低40%。我們以實際控制和虛擬主電路，實現儲能變流器真實環(huán)境的模擬，通過這個虛實結構仿真模擬我們驗證了前面提出的控制方法是非常有效的。
第二部分是基于SiC的新型儲能變流器裝備技術，從實物裝置層的實現。目前SiC器件用的領域已經非常多了，但是電壓主要在1000V以下，功率200千瓦以下，針對200千瓦以上的設計理論還非常欠缺。我們首先針對儲能PCS拓樸是由一對一對器件組成，所以我們進行了以一對器件為基礎的功率模組的設計。如果把模組設計好，通過串并聯很容易實現整體裝備的設計。我們提出了具有10千伏隔離能力的驅動和模組的設計方法，用的是1.7千伏/300安的SiC器件?，F在市場能買到可用的就是1.2千伏和1.7千伏這兩個等級，所以1.7千伏是最大的電壓等級。針對這個電壓等級開發(fā)了高可靠SiC的模組具有廣泛的適用性，同時我們實現了過流保護時間小于1.2微秒。
通過設計的模組、拓樸以及很多融合的技術，比如分布式電容的技術，我們能夠在最小的空間里實現大容量典型的PCS的應用，以3千伏/500千伏安等級為例，右邊是單相的樣機。從拓樸到單相集成，后面是三相設計的示意圖，目前我們電壓已經推到3千伏，功率目前做到60-70%。
我們做這個帶來的好處是什么？我們與國內現有儲能PCS產品進行對標，效率都做得比較高達到了99%，功率密度都在0.45-0.38MW/m3之間。我們現在提出拓樸以及基于SiC的設計方案，理論上電壓提高到2-3千伏，功率密度實現1.5-2兆瓦左右，效率提高99.3%，而且可以自適應的頻率控制。效率上，我們在原來基礎上進一步提升99.3%，最顯著是體積和重量上有望降低到原來的60-80%，我們還考慮了針對現在船建、飛機等寬頻的1000赫茲的應用。
在成果案例方面，我們進行了SiC型中高壓電機驅動裝備的研究。這個不是用在儲能變換器上，而是用在高速電機上。對標現有傳統(tǒng)的變頻器裝備，我們實現了在功率密度上比原來提高了3倍以上，效率達到99.4%，重量、體積都有顯著的改善。我們從實驗室做完這個工作之后，東芝非常感興趣，后面持續(xù)跟進，后面針對北美市場4.16千伏做了全SiC背靠背電機驅動樣機。
最后是總結部分：新型儲能系統(tǒng)對于儲能變流器提出了越來越高的要求，儲能變流器從傳統(tǒng)電網走向更多領域?，F在儲能變流器向更大容量、更高電壓、更高控制性能、高小體積去發(fā)展，我們提出了一種新型的HCC型儲能變流器拓撲和控制技術，以及全SiC高效裝備集成技術。未來大容量的儲能PCS怎么構建，讓它效率更高、安全性更好、體積更小，這需要各個同行以及各位專家一起共同持續(xù)努力來實現。
