中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)”在深圳隆重召開(kāi)， 來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、西班牙、日本、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項(xiàng)目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會(huì)。
上海交通大學(xué)能源研究院副院長(zhǎng)，國(guó)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(chǔ)能電站專場(chǎng)，發(fā)表了題為“電池儲(chǔ)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(méi)有宏觀的東西，是純技術(shù)的，講講電池儲(chǔ)能變換器的若干技術(shù)問(wèn)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(shí)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(wàn)，數(shù)萬(wàn)個(gè)電池連接起來(lái)，而且高效率的連接起來(lái)。這里面最關(guān)鍵的是PCS，就是這個(gè)變換器。怎么解決這個(gè)問(wèn)題？因?yàn)殡姵胤浅６嗔酥?，里面要有環(huán)流、發(fā)熱等等問(wèn)題。我們用電離電子的東西把它隔開(kāi)，并能夠用電離電子的東西對(duì)它進(jìn)行均衡，才有可能做到非常大的容量。
要介紹的第一個(gè)就是超大容量的電池儲(chǔ)能變換器，這種變換器是我們?cè)?010年提出來(lái)的，并且在2013年示范運(yùn)行，在南網(wǎng)的寶清儲(chǔ)能電站，這個(gè)架構(gòu)是我們提出來(lái)的，里面的核心技術(shù)是我們研發(fā)的。為什么實(shí)現(xiàn)大容量化并高效率？首先它是沒(méi)有變壓器的，當(dāng)時(shí)有一個(gè)重要的指標(biāo)，PCS的變換效率要達(dá)到98%以上，如果要達(dá)到98%以上，就不能有變壓器，因?yàn)樽儔浩鞅旧硪?.5%，普通的變壓器就搞不定。所以當(dāng)時(shí)提出這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)際上跟SVG的拓?fù)浣咏褪且粋€(gè)鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)。每一個(gè)子模塊，在子模塊上放上電池。這樣一個(gè)東西能干什么呢？我們可以讓這些電池組在一個(gè)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(shí)際上這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，H橋電路串聯(lián)起來(lái)，提高電壓，只要控制這兒的電壓，就可以實(shí)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(gè)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)，由于電池接上去直接接在高電壓上，有一個(gè)共模電壓的懸浮問(wèn)題。相間與處間的均衡問(wèn)題，并網(wǎng)運(yùn)行于孤島運(yùn)行的無(wú)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(gè)主控制，對(duì)每一個(gè)H橋有一個(gè)分布式的控制，這樣一個(gè)架構(gòu)。
到底怎樣實(shí)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(jìn)行均衡控制了。相內(nèi)均衡更容易，比如說(shuō)第一個(gè)子模塊跟第二個(gè)子模塊要均衡，只要控制每一個(gè)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(guò)一段時(shí)間就均衡了。通過(guò)電路就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)相內(nèi)的電池單元之間的均衡，也可以做到兩個(gè)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(guò)程非常快，只要10毫秒之內(nèi)。相間的均衡，每一個(gè)相會(huì)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(gè)子模塊上的電壓不一樣，就可以讓它實(shí)現(xiàn)每一個(gè)子模塊上的Pa1、Pa2不同，就可以做到子模塊上的均衡。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們?cè)谶@上面做了控制策略，然后在寶清儲(chǔ)能電站做了實(shí)驗(yàn)，連接是完全一樣的，是60個(gè)鏈接，每一相20個(gè)鏈接，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室60個(gè)鏈接的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)到的效果，跟剛才的仿真效果是完全一樣的。
如果我們?cè)谶@個(gè)過(guò)程當(dāng)中有一個(gè)子模塊出現(xiàn)了故障，怎么辦呢？這里有一個(gè)旁路開(kāi)關(guān)把它關(guān)上，把這個(gè)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(xiàng)，做到容錯(cuò)運(yùn)行。
我們的示范工程，2011年我們攻克了各項(xiàng)技術(shù)，最后委托廠家加工出來(lái)，2013年在深圳的寶清儲(chǔ)能電站投入運(yùn)行，是世界上首個(gè)無(wú)變壓器高壓直掛的兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)測(cè)的效率是98.3%。
低壓儲(chǔ)能變換器的若干技術(shù)問(wèn)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(lái)應(yīng)用。在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，作為低壓儲(chǔ)能變換器，一般來(lái)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(diǎn)講一講DC/DC儲(chǔ)能變換器效率提升的問(wèn)題。
DC/DC儲(chǔ)能變換器一個(gè)比較典型的脫鋪就是DAB拓?fù)洌瑑?chǔ)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(shuō)220伏，或者是更高。這樣一來(lái)，就存在一個(gè)比較大的變比，要實(shí)現(xiàn)這種比較大的變比，比較可行的方案就是用DAB，對(duì)這樣一種拓?fù)?，如何通過(guò)控制來(lái)提高它的效率。這種DAB有兩種控制模式，一種是移項(xiàng)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(guò)把這一側(cè)跟那一側(cè)相位進(jìn)行移動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率的傳遞。第一區(qū)，第二區(qū)，每一個(gè)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(gè)。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(guò)開(kāi)關(guān)控制成這種情況。這種情況，通過(guò)控制也有8種變換方式。
看看結(jié)論，通過(guò)8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)分析，我們發(fā)現(xiàn)在移相控制模式里面，一個(gè)周期內(nèi)共參考8次開(kāi)關(guān)損耗，梯形控制模式也是產(chǎn)生8次開(kāi)關(guān)損耗，但是梯形8次里面有4次是零電流，這樣一來(lái)，梯形控制模式在效率上就有優(yōu)勢(shì)。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(jì)的功率的傳遞。這樣一來(lái)，自然就想到我們能不能在一個(gè)實(shí)際的變換器當(dāng)中同時(shí)用這兩種模式，當(dāng)功率低的時(shí)候，我們用梯形模式來(lái)控制。當(dāng)需要傳遞的功率高的時(shí)候，我們用移相控制模式。事實(shí)上，這樣一做之后，確實(shí)使得我們這個(gè)效率能夠做的比較好，兩個(gè)結(jié)合下來(lái)變成紅線和藍(lán)線的結(jié)合。我們實(shí)際做了一個(gè)36千瓦的樣機(jī)，效率達(dá)到98.1%。
剛才講到DC/DC變換器，一般來(lái)講，現(xiàn)在還比較流行的是兩級(jí)變換器，我們看兩級(jí)變換器的效率如何來(lái)優(yōu)化？?jī)杉?jí)變換器一般是這樣，前面一個(gè)DAB，把直流電壓上升到比較高的電壓，然后再做一個(gè)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(jí)上用多個(gè)DAB并聯(lián)，或者是多個(gè)DC/DC并聯(lián)，對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)控制來(lái)提高效率，已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，僅僅用控制來(lái)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(jí)發(fā)的指令，這個(gè)相角以及功率指令有關(guān)系。在這所有四個(gè)量當(dāng)中，這個(gè)是不可控的，上級(jí)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(shí)候，讓它有不同的UDC，通過(guò)這樣的東西來(lái)提高它的效率。實(shí)際上做下來(lái)之后達(dá)到了很好的效果。這就是達(dá)到的效果，理論上值是這樣，實(shí)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(gè)藍(lán)線，這個(gè)線是比較好的。
儲(chǔ)能變換器與微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。在微電網(wǎng)當(dāng)中，如果有應(yīng)用的話，從時(shí)間尺度上來(lái)講，上層有配電網(wǎng)的管理系統(tǒng)，這是在分鐘級(jí)以上的。微網(wǎng)控制器是在秒級(jí)的，變換器控制器時(shí)間尺度是微秒級(jí)。我們要想做到一種對(duì)電網(wǎng)主動(dòng)的相應(yīng)，比較流行的技術(shù)，當(dāng)然現(xiàn)在就是虛擬同步。虛擬同步這個(gè)技術(shù)實(shí)際上不是現(xiàn)在才提出來(lái)的，最早歐洲的論文是20年前提出，只是說(shuō)現(xiàn)在熱鬧起來(lái)了，而且我們開(kāi)始做微電網(wǎng)，而且微電網(wǎng)里面的主電源開(kāi)始從柴油發(fā)電機(jī)變?yōu)閮?chǔ)能。當(dāng)主電源變?yōu)閮?chǔ)能的時(shí)候，我們就對(duì)這個(gè)儲(chǔ)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(shí)候要無(wú)縫，無(wú)縫的變化是策略不變。在并網(wǎng)的時(shí)候儲(chǔ)能系統(tǒng)用什么樣的控制策略？在離網(wǎng)的時(shí)候還用什么樣的策略，這才能真正無(wú)縫。在離網(wǎng)的時(shí)候如果儲(chǔ)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(shuō)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(gè)概念要跟大家科普一下，我們目前的變換器，拓?fù)涠际请妷涸葱妥儞Q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(wú)縫。其中比較好的解決方案，完全模擬通用發(fā)電機(jī)，有現(xiàn)成的控制，套進(jìn)去就可以了。虛擬同步就是做這樣的工作。
我的報(bào)告完畢。謝謝大家！
提問(wèn)：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(shí)間上的？可以簡(jiǎn)單的介紹一下嗎？
蔡旭：PCS是兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是拓?fù)洌儞Q器用什么樣的拓?fù)涫亲铌P(guān)鍵的，拓?fù)涫堑谝粍?chuàng)新，通過(guò)時(shí)間證明，真正能用的拓?fù)湟簿湍敲磶讉€(gè)。下面的挖潛，就是控制方法?？刂品椒ㄓ泻芏喾N，我們?cè)鯓觼?lái)找最好的呢？就要在應(yīng)用場(chǎng)景上來(lái)找你的最好。當(dāng)它恒定功率變化的時(shí)候用一種變化，用在波動(dòng)功率變化的時(shí)候用另外的辦法，這樣才能達(dá)到最優(yōu)。
（本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審核）
