中國儲能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國國際儲能大會”在深圳隆重召開， 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會。
上海交通大學能源研究院副院長，國家智慧能源電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心常務(wù)副主任蔡旭在儲能電站專場，發(fā)表了題為“電池儲能 PCS關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 ”的精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
蔡旭：各位專家，各位同行，大家下午好。我這次講的是沒有宏觀的東西，是純技術(shù)的，講講電池儲能變換器的若干技術(shù)問題。既然講到變換器的關(guān)鍵技術(shù)，這一塊都是電池，主要要實現(xiàn)大容量化，高效率，支撐電網(wǎng)，提高可靠性。尤其是大容量化之后，我們?nèi)绾伟殉汕先f，數(shù)萬個電池連接起來，而且高效率的連接起來。這里面最關(guān)鍵的是PCS，就是這個變換器。怎么解決這個問題？因為電池非常多了之后，里面要有環(huán)流、發(fā)熱等等問題。我們用電離電子的東西把它隔開，并能夠用電離電子的東西對它進行均衡，才有可能做到非常大的容量。
要介紹的第一個就是超大容量的電池儲能變換器，這種變換器是我們在2010年提出來的，并且在2013年示范運行，在南網(wǎng)的寶清儲能電站，這個架構(gòu)是我們提出來的，里面的核心技術(shù)是我們研發(fā)的。為什么實現(xiàn)大容量化并高效率？首先它是沒有變壓器的，當時有一個重要的指標，PCS的變換效率要達到98%以上，如果要達到98%以上，就不能有變壓器，因為變壓器本身要消掉1.5%，普通的變壓器就搞不定。所以當時提出這樣一個結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)實際上跟SVG的拓撲接近，它就是一個鏈式的結(jié)構(gòu)。每一個子模塊，在子模塊上放上電池。這樣一個東西能干什么呢？我們可以讓這些電池組在一個相之內(nèi)做均衡，相與相之間也可以做均衡，而且可以把電壓升到很高，直接到10千伏或35千伏。這是基本的原理，實際上這個原理很簡單，H橋電路串聯(lián)起來，提高電壓，只要控制這兒的電壓，就可以實現(xiàn)充電與放電。
這里面比較關(guān)鍵的技術(shù)是什么呢？如果其中一個鏈壞了之后，怎么樣把故障給短路切除，所以要做溶于控制。另一個關(guān)鍵技術(shù)，由于電池接上去直接接在高電壓上，有一個共模電壓的懸浮問題。相間與處間的均衡問題，并網(wǎng)運行于孤島運行的無縫切換。系統(tǒng)的控制架構(gòu)基本上都是分布式的，我們有一個主控制，對每一個H橋有一個分布式的控制，這樣一個架構(gòu)。
到底怎樣實現(xiàn)這樣一種控制，最重要的控制就是充放電控制，用功率結(jié)耦。有相間的均衡跟相內(nèi)的均衡，相間的均衡，A相跟B相的電池要均衡，注入零序電壓，讓電壓發(fā)生變化，這樣就可以進行均衡控制了。相內(nèi)均衡更容易，比如說第一個子模塊跟第二個子模塊要均衡，只要控制每一個子模塊的電壓不同，就可以做到均衡控制。電壓高的充的快，電壓低的充的慢，過一段時間就均衡了。通過電路就可以實現(xiàn)一個相內(nèi)的電池單元之間的均衡，也可以做到兩個相之間的電池單元的均衡。
仿真分析，充放電控制，兩兆瓦的充電換到兩兆瓦的放電，過程非?？?，只要10毫秒之內(nèi)。相間的均衡，每一個相會出現(xiàn)功率不一樣，A相、B相、C相，調(diào)整功率，使相之間均衡。相內(nèi)的均衡，只要控制每一個子模塊上的電壓不一樣，就可以讓它實現(xiàn)每一個子模塊上的Pa1、Pa2不同，就可以做到子模塊上的均衡。
實驗驗證，我們在這上面做了控制策略，然后在寶清儲能電站做了實驗，連接是完全一樣的，是60個鏈接，每一相20個鏈接，我們在實驗室60個鏈接的實驗系統(tǒng)。實驗效果，通過實驗，可以達到的效果，跟剛才的仿真效果是完全一樣的。
如果我們在這個過程當中有一個子模塊出現(xiàn)了故障，怎么辦呢？這里有一個旁路開關(guān)把它關(guān)上，把這個子模塊切除掉了，切除掉之后，用剩下的子模塊提高電壓，同樣支撐這一項，做到容錯運行。
我們的示范工程，2011年我們攻克了各項技術(shù)，最后委托廠家加工出來，2013年在深圳的寶清儲能電站投入運行，是世界上首個無變壓器高壓直掛的兆瓦級儲能系統(tǒng)，實測的效率是98.3%。
低壓儲能變換器的若干技術(shù)問題探討，低壓主要是面向微電網(wǎng)應(yīng)用，或者是面向用戶來應(yīng)用。在這個系統(tǒng)當中，作為低壓儲能變換器，一般來講有兩種，一種是AC/DC，一種是DC/DC。大家最關(guān)心的是如何提升效率，重點講一講DC/DC儲能變換器效率提升的問題。
DC/DC儲能變換器一個比較典型的脫鋪就是DAB拓撲，儲能在直流這一側(cè)考慮到人身的安全，一般要在48伏以下。另一側(cè)要比較高的電壓，比方說220伏，或者是更高。這樣一來，就存在一個比較大的變比，要實現(xiàn)這種比較大的變比，比較可行的方案就是用DAB，對這樣一種拓撲，如何通過控制來提高它的效率。這種DAB有兩種控制模式，一種是移項控制模式，一種是梯形電流控制模式。移相控制模式，它的控制通過把這一側(cè)跟那一側(cè)相位進行移動實現(xiàn)功率的傳遞。第一區(qū)，第二區(qū)，每一個區(qū)的工作管制是不一樣的，第三區(qū)工作的管制也有變化，一直下去一共有8個。梯形電流控制模式，它形成一種形狀，像梯形一樣在每一邊，通過開關(guān)控制成這種情況。這種情況，通過控制也有8種變換方式。
看看結(jié)論，通過8種開關(guān)狀態(tài)分析，我們發(fā)現(xiàn)在移相控制模式里面，一個周期內(nèi)共參考8次開關(guān)損耗，梯形控制模式也是產(chǎn)生8次開關(guān)損耗，但是梯形8次里面有4次是零電流，這樣一來，梯形控制模式在效率上就有優(yōu)勢。另外，梯形控制模式傳輸?shù)墓β时容^小，不像移相控制模式能夠充分的發(fā)揮設(shè)計的功率的傳遞。這樣一來，自然就想到我們能不能在一個實際的變換器當中同時用這兩種模式，當功率低的時候，我們用梯形模式來控制。當需要傳遞的功率高的時候，我們用移相控制模式。事實上，這樣一做之后，確實使得我們這個效率能夠做的比較好，兩個結(jié)合下來變成紅線和藍線的結(jié)合。我們實際做了一個36千瓦的樣機，效率達到98.1%。
剛才講到DC/DC變換器，一般來講，現(xiàn)在還比較流行的是兩級變換器，我們看兩級變換器的效率如何來優(yōu)化？兩級變換器一般是這樣，前面一個DAB，把直流電壓上升到比較高的電壓，然后再做一個逆變器搞到電網(wǎng)上360伏，或者是更高。我們也可以在這一級上用多個DAB并聯(lián)，或者是多個DC/DC并聯(lián)，對這樣一個系統(tǒng)，我們?nèi)绾瓮ㄟ^控制來提高效率，已經(jīng)設(shè)計好了，僅僅用控制來提高它的效率。在這里，我們可控的量有哪些？是與什么有關(guān)系？與電池組的電壓有關(guān)系，與中間的UDC電壓有關(guān)系，還有上級發(fā)的指令，這個相角以及功率指令有關(guān)系。在這所有四個量當中，這個是不可控的，上級發(fā)的指令也不可控，真正可控的是UDC，我們探索一下，如何用UDC，讓它根據(jù)傳遞不同的功率的時候，讓它有不同的UDC，通過這樣的東西來提高它的效率。實際上做下來之后達到了很好的效果。這就是達到的效果，理論上值是這樣，實際值也是非常好的。如果我們用恒定的UDC控制，就是下面這個藍線，這個線是比較好的。
儲能變換器與微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制問題。在微電網(wǎng)當中，如果有應(yīng)用的話，從時間尺度上來講，上層有配電網(wǎng)的管理系統(tǒng)，這是在分鐘級以上的。微網(wǎng)控制器是在秒級的，變換器控制器時間尺度是微秒級。我們要想做到一種對電網(wǎng)主動的相應(yīng)，比較流行的技術(shù)，當然現(xiàn)在就是虛擬同步。虛擬同步這個技術(shù)實際上不是現(xiàn)在才提出來的，最早歐洲的論文是20年前提出，只是說現(xiàn)在熱鬧起來了，而且我們開始做微電網(wǎng)，而且微電網(wǎng)里面的主電源開始從柴油發(fā)電機變?yōu)閮δ?。當主電源變?yōu)閮δ艿臅r候，我們就對這個儲能系統(tǒng)有要求。什么樣的要求呢？我們希望并網(wǎng)切換的時候要無縫，無縫的變化是策略不變。在并網(wǎng)的時候儲能系統(tǒng)用什么樣的控制策略？在離網(wǎng)的時候還用什么樣的策略，這才能真正無縫。在離網(wǎng)的時候如果儲能作為主電源就意味著它必須做調(diào)頻調(diào)壓的工作，也就是說它必須是電壓源，而不是現(xiàn)在常用的電流源性質(zhì)的。這里面有一個概念要跟大家科普一下，我們目前的變換器，拓撲都是電壓源型變換器。但是我們的控制都是電流源型控制?，F(xiàn)在要把電流源型控制變成電壓源型控制，才能做到無縫。其中比較好的解決方案，完全模擬通用發(fā)電機，有現(xiàn)成的控制，套進去就可以了。虛擬同步就是做這樣的工作。
我的報告完畢。謝謝大家！
提問：PCS里面，主要是軟件部分去控制它的效率？還是轉(zhuǎn)換效率？還是一些時間上的？可以簡單的介紹一下嗎？
蔡旭：PCS是兩個問題，一個是拓撲，變換器用什么樣的拓撲是最關(guān)鍵的，拓撲是第一創(chuàng)新，通過時間證明，真正能用的拓撲也就那么幾個。下面的挖潛，就是控制方法?？刂品椒ㄓ泻芏喾N，我們怎樣來找最好的呢？就要在應(yīng)用場景上來找你的最好。當它恒定功率變化的時候用一種變化，用在波動功率變化的時候用另外的辦法，這樣才能達到最優(yōu)。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
