中國儲能網(wǎng)訊：4月27-28日，由中國化學(xué)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(shè)置開幕式暨碳達峰高峰論壇、工商業(yè)儲能與車網(wǎng)互聯(lián)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(yù)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(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領(lǐng)域的300余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)參加了本次大會對話與交流。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會、中國儲能網(wǎng)與中國儲能網(wǎng)聯(lián)合承辦，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會專家委員會提供學(xué)術(shù)支持。
4月28日下午，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院/國家儲能技術(shù)產(chǎn)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(yù)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(shù)》。以下為報告主要內(nèi)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(shù)》。
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(shù)。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(shù)，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(zhì)，實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
我的報告分為四個內(nèi)容，第一是簡單介紹一下儲能變流器的現(xiàn)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(shù)，第四是之前做的一些成果應(yīng)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(dān)的作用就是連接儲能電池系統(tǒng)和電網(wǎng)的雙向電能可控設(shè)備，本身儲能介質(zhì)本身是不能實現(xiàn)新能源消納或者電網(wǎng)調(diào)控，主要是通過儲能變流器進行功率管控實現(xiàn)這個功能，最后支撐新型高效清潔電網(wǎng)構(gòu)建。這個展示的是儲能變流器在實際中的應(yīng)用，右邊是實物的裝置示意圖，儲能變流器就是實現(xiàn)電池、電網(wǎng)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(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用，還有新型的儲能介質(zhì)和方式，就像飛輪儲能，飛輪儲能要把儲能用在電網(wǎng)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(yīng)用也開始慢慢在普及。還有就是在飛機電氣化領(lǐng)域，最近提的比較火的就像低空經(jīng)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(xiàn)高效電推進的控制。這個展示的是飛機上的應(yīng)用?，F(xiàn)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(lián)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(xiàn)在的儲能變流器不僅是儲能和電網(wǎng)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(wǎng)，二是新能源和儲能對電網(wǎng)帶來很多沖擊，傳統(tǒng)的控制以跟網(wǎng)型為主，怎么實現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)型控制，提升對電網(wǎng)更強的支撐能力。三是因為周圍涉及到的設(shè)備和環(huán)境更復(fù)雜，怎么實現(xiàn)故障快速隔離和智能化控制。
在整個設(shè)備層，在電網(wǎng)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(qū)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(xiàn)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(yīng)用會帶來更大靈活性。我們調(diào)研了市場上的十來家主要的儲能企業(yè)，大家會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)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(wǎng)支撐能力弱、性能提升達到瓶頸等。
現(xiàn)在儲能系統(tǒng)和風(fēng)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(xiàn)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(chǎn)品以600-1000V為主，第二代是現(xiàn)在主流的1500V，也就是現(xiàn)有各個廠商實現(xiàn)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(shè)計和應(yīng)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(jīng)濟性上來說也有很好的空間。
此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)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(xiàn)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(biāo)，更高效、更安全、更小型化。實現(xiàn)這三個目標(biāo)有三個核心難點問題：一是現(xiàn)有的中高壓、大容量PCS拓樸怎么構(gòu)建，對應(yīng)拓樸的高效控制方法怎么實現(xiàn)？二是針對更大電壓和功率電磁下熱力問題突出，怎么實現(xiàn)高效安全的設(shè)計理論？三是如何使用新的SiC器件，實現(xiàn)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(shù)。一是中高壓高效拓撲理論和高品質(zhì)能流控制，二是SiC器件驅(qū)動和模組系統(tǒng)，三是多維協(xié)同裝備高效安全設(shè)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(jié)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(jié)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(guān)狀態(tài)多，控制自由度高。三是諧波小，開關(guān)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(jié)構(gòu)，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(shù)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(nèi)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(dǎo)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(jié)合。通過分析內(nèi)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(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)控方法和基于SiC的容量最小化算法，顯著提升功率品質(zhì)，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(gòu)建。
剛才講的是圍繞交流電網(wǎng)的應(yīng)用，但是隨著電網(wǎng)的發(fā)展，很多場景都在構(gòu)建直流電網(wǎng)。直流電網(wǎng)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(jié)果，好處是高調(diào)控性能、多端口接入，高功率、小型化的優(yōu)勢。但是現(xiàn)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(dǎo)致絕緣設(shè)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(nèi)外構(gòu)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(shè)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(shù)量遠遠小于傳統(tǒng)DAB級聯(lián)型結(jié)構(gòu)。二是調(diào)制度更高，可以方波、正弦、梯形等多樣化調(diào)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(gòu)建了一個非常準(zhǔn)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(yīng)力能減低40%。我們以實際控制和虛擬主電路，實現(xiàn)儲能變流器真實環(huán)境的模擬，通過這個虛實結(jié)構(gòu)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(shù)，從實物裝置層的實現(xiàn)。目前SiC器件用的領(lǐng)域已經(jīng)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(shè)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(chǔ)的功率模組的設(shè)計。如果把模組設(shè)計好，通過串并聯(lián)很容易實現(xiàn)整體裝備的設(shè)計。我們提出了具有10千伏隔離能力的驅(qū)動和模組的設(shè)計方法，用的是1.7千伏/300安的SiC器件?，F(xiàn)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(xiàn)了過流保護時間小于1.2微秒。
通過設(shè)計的模組、拓樸以及很多融合的技術(shù)，比如分布式電容的技術(shù)，我們能夠在最小的空間里實現(xiàn)大容量典型的PCS的應(yīng)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(shè)計的示意圖，目前我們電壓已經(jīng)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(nèi)現(xiàn)有儲能PCS產(chǎn)品進行對標(biāo)，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(xiàn)在提出拓樸以及基于SiC的設(shè)計方案，理論上電壓提高到2-3千伏，功率密度實現(xiàn)1.5-2兆瓦左右，效率提高99.3%，而且可以自適應(yīng)的頻率控制。效率上，我們在原來基礎(chǔ)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(xiàn)在船建、飛機等寬頻的1000赫茲的應(yīng)用。
在成果案例方面，我們進行了SiC型中高壓電機驅(qū)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(biāo)現(xiàn)有傳統(tǒng)的變頻器裝備，我們實現(xiàn)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(qū)動樣機。
最后是總結(jié)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(wǎng)走向更多領(lǐng)域。現(xiàn)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(shù)，以及全SiC高效裝備集成技術(shù)。未來大容量的儲能PCS怎么構(gòu)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(xiàn)。
