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。
上海電力學院教授、上海市東方學者趙晉斌在“直流配電與儲能專場”，發(fā)表了題為“直流變換器的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”的精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
趙晉斌：感謝大家能在今天來聽這個報告。前面的專家介紹了電力系統(tǒng)、電動汽車以及家用電器的方面，我今天主要介紹直流變換器的研究和應(yīng)用，剛才聽了一些報告，大家也能知道，里面一些最關(guān)鍵的部分，包括電壓轉(zhuǎn)換、電流控制，它都需要直流變換器起作用。
我今天介紹的內(nèi)容按照以下三個方面來展開，首先是電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢，介紹從交流到直流的演變過程。第二是直流系統(tǒng)里面有哪些關(guān)鍵技術(shù)，然后也介紹一下我的一些研究。第三部分是一個總結(jié)。
首先看一下電力系統(tǒng)的發(fā)展，我們知道交流到直流還是有一段歷史的，以前我們?yōu)槭裁从媒涣?？我們知道直流電在傳輸和便點的時候是比較困難的，尤其是流量比較大的時候是沒法傳輸?shù)模菚r候有了變壓器，就用交流把直流比下去了，所以大家一直用的是交流電。為什么現(xiàn)在從交流往直流轉(zhuǎn)變呢？首先是新能源用得越來越多，比如說光伏、風電、儲能，它們真正輸出的都是直流電源。從負荷側(cè)來說，現(xiàn)在也有很多直流負荷，比如說LED照明，它最主要的電源就是直流。這樣就會帶來一個問題，我們現(xiàn)在是不是要從交流到直流轉(zhuǎn)變？在電力系統(tǒng)中特高壓已經(jīng)在這樣轉(zhuǎn)變了，特高壓提出這樣一個概念，就是因為線路的阻抗比較大，為了提高效率，所以提出了直流特高壓的概念。另外還有一些直流斷路器的問題也在逐步解決，還有直流變頻現(xiàn)在提的也比較多。直流以前很多都是用在消費電子領(lǐng)域的，比如說CPU等等方面，還有一個是用在數(shù)據(jù)中心里面，我們剛開始做直流的時候都是用在直流電源里面比較多，為什么從低壓往高壓走，也是有一個發(fā)展過程的，比如說英特爾、日本的NTT，他們也是因為數(shù)據(jù)中心的耗電量越來越大，光用48V很難滿足了，它的損耗太大了，線做得太粗了，因此必須把電壓提高，那時候就提出從48V到400V。
電力系統(tǒng)輸配電方式發(fā)展趨勢。從發(fā)電側(cè)來看，有風電、光伏，通過傳輸，然后進行降壓，最后到用電側(cè)，這是常規(guī)的方式。以后考慮的方式是從發(fā)點側(cè)出來把它升壓，升成一個高壓直流，然后進行遠距離的傳輸，之后也是進行一個降壓，然后提供直流和交流的負荷。
直流有哪些優(yōu)點？它的線路成本相對比較低，還有輸電損耗小，可靠性比較高，還有一個是有環(huán)保的優(yōu)勢。
2008年的時候，在福岡就在做一些智能家庭的直流嘗試，它從發(fā)電側(cè)、負荷側(cè)做了一些交直流的應(yīng)用，他們當時提出了一個直流母線替代高壓直流的方式，這是偏向配電網(wǎng)的，它的電壓等級是設(shè)計在360到420V之間，還進行了一些家庭側(cè)的能源管理，它當時也通過無線和有線來進行了一些調(diào)控。
我去這個項目看過兩次，看看它的示范工程的應(yīng)用效果。它里面除了一些電器，還加了燃氣應(yīng)用，這是一個綜合性的能源示范工程。它里面有一些DC/AC的轉(zhuǎn)換器，還有一些電池，當時沒有現(xiàn)有的產(chǎn)品，因此他們當時做了一些特制化的產(chǎn)品，通過這個項目來進行嘗試。
現(xiàn)在來看它的發(fā)展趨勢，其實能源互聯(lián)網(wǎng)里面最主要的就是微電網(wǎng)，里面有交流和直流。這個圖中間是一個直流的微電網(wǎng)，A和B都是交流的，微電網(wǎng)將是未來主要的發(fā)展形式。它到底是怎么發(fā)展的呢？我們一開始研究的都是交流型的，當時沒有考慮到直流，現(xiàn)在逐步從交流往交直流混合型這樣的方式轉(zhuǎn)變，隨著這個趨勢的發(fā)展，我們可以想像到以后都是直流型的。
直流系統(tǒng)中現(xiàn)在有哪些技術(shù)是比較關(guān)鍵的？
（見PPT）這是我們目前高壓大容量的DC/DC的變換器，變換器既然是其中一些關(guān)鍵的因素，它會有一些作用，我們可以看從DC到DC的2、3、5、6，它主要是電壓等級的轉(zhuǎn)換，它同樣是DC/DC，但是它所承擔的功能是不同的，7和8是實現(xiàn)單雙極性的轉(zhuǎn)化，低壓里面有正負375伏，容量比較大的時候會用雙極性的供電，就是用750伏供電。還可以實現(xiàn)電壓極性的反轉(zhuǎn)的功能。所以同樣的DC/DC它有轉(zhuǎn)換、雙極性轉(zhuǎn)換的功能。直流電網(wǎng)中我們使用DC/DC變換可以實現(xiàn)不同類型和不同電壓等級系統(tǒng)之間互聯(lián)的功能，另外涉及到電壓等級，我們也要一些電子電壓變流器。
微網(wǎng)架構(gòu)里面，目前用得比較多的是通過交流變成直流母線，通過它提供直流電源，如果把直流變成交流可以通過一個逆變來實現(xiàn)，這里面需要控制直流母線電壓的穩(wěn)定，只要把這個電壓控制在一定的范圍內(nèi)，就能實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)換。還有一個用得比較多的是雙極線母線架構(gòu)的形式，也就是NOP的形式，它實現(xiàn)的是低壓和高壓切換。
現(xiàn)在還有一種是電壓母線等級的問題，這個東西到底怎么區(qū)分，以前48V是大家比較容易接受的，因為這是一個安全電壓，通訊電源里面以前也是用的48V的，往高壓走到多少，現(xiàn)在還沒得到完全的驗證，需要一些示范工程來驗證，現(xiàn)在有正負170V，還有480V、750V的母線等級。
在微網(wǎng)里面做控制是怎么做的呢？我們知道微網(wǎng)比較復(fù)雜的，它跟變換器不一樣，變換器用一個就可以了，微網(wǎng)常規(guī)是分層控制的，它有第一、第二、第三層的控制。第一層我們要控制一個直流母線電壓穩(wěn)定的問題，我們所采用的是主從或者是對等的。第二層要實現(xiàn)功率和能量的分配問題，還要消除它的運行偏差，以及我們的運行模式切換的問題，就是并網(wǎng)和離網(wǎng)的問題。到了第三層我們往往要參與調(diào)度的問題，這時候要做到能量管理，要涉及到電源負荷的預(yù)測，還有一些優(yōu)化算法，包括一些AI算法都會有。第一層是控制基礎(chǔ)最重要的一部分，第二層主要是為了實現(xiàn)各個單元之間的協(xié)調(diào)，這就是我們說的每一部分和每一部分之間它的能量怎么來衡量控制。第三層就是我們要參與的調(diào)度和計劃，這就是調(diào)度中心發(fā)指令，指令到第三層分布到每一個變換器里面。這是常規(guī)的在交流微網(wǎng)里面做得比較多的，現(xiàn)在直流微網(wǎng)也會參照這種模式來做一個嘗試。
接下來就到直流變換器這個部分，就是DC/DC的變換器。（見PPT）這是以前做通信電源里面DC/DC的發(fā)展的要素，我們知道最重要的是器件的問題，以前用碳化硅比較多，現(xiàn)在都在用硅和電的器件，這是比較多的。還有一種是電路架構(gòu)的問題，以前做通訊電源，電路架構(gòu)和微網(wǎng)的架構(gòu)會有很大的不同。還有集成化和模塊化的問題，也就是即插即用。還有一個是電路拓撲的結(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)在同樣是DC/DC，以前在做直流電源的時候，它前面是很穩(wěn)定的，在給負荷提供的時候，我們當時考慮要做的比較近，我們會有一個POL的考慮方式，這樣就能提供一個精度非常高的直流的電壓。但是我們現(xiàn)在做到交流微網(wǎng)里面，或者做到直流系統(tǒng)里面，這就會跟以前的考慮方式發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。
（見PPT）這是我們現(xiàn)在做的情況，你說做直流微電網(wǎng)，電力電子變換器是一個最主要的介入方式，它是起到電源跟負荷的最主要的接口，我們要實現(xiàn)分布式能源負荷的合理分配。怎么分配？我們現(xiàn)在用得比較多的是下垂控制，我們可以不要用互聯(lián)線，當然你說要加通信、加互聯(lián)線都是可以的，這個相對會變得簡單一點，但是你要做即插即用會比較難。即插即用可以提高它的可靠性和冗余，但它不足的地方大家可能還沒考慮到，我們現(xiàn)在在做交流微網(wǎng)里面遇到了，就是在網(wǎng)源協(xié)調(diào)的時候會有一個穩(wěn)定性的問題，我們知道分布式能源接得越多，它的電網(wǎng)顯得越弱，所以我們做弱電網(wǎng)的時候有一個穩(wěn)定性的問題。在做直流的系統(tǒng)里面也是一樣的道理。如果你的變換器自己都不穩(wěn)定，你接進去以后，你說要給整個微電網(wǎng)或者一個直流系統(tǒng)提供很可靠的電源，這是很難的。這里面我們一般怎么考慮？大家都忽略了一個問題，直流變換器在多個變換器并聯(lián)的時候，也就是在模塊化的時候，往往忽略掉了線路上電阻和電感的問題。大家可能說如果我接得比較近，電阻可以忽略，但是在直流系統(tǒng)里面，線路往往是比較長的，這個時候它的電阻的特性就凸顯出來了，對我們的直流變換器的穩(wěn)定性和分配精度有比較大的影響。
（見PPT）這是我們做的一些研究，我們在做兩臺的DC/DC變換器并聯(lián)的時候，也就是我們最希望大家能夠均分這其中的能量，我們可以看看右邊的這兩個圖，一個是仿真圖，一個是我們做的實驗的圖形。從實驗的圖形可以看得出來，當時在我們做一個動態(tài)變換的時候，兩臺直流DC/DC輸出的電流是有差異的，但是這個差異是怎么造成的？就是線路上的電阻造成的，因為它不可能一樣的。我們可以考慮一下，你能做出兩臺完全一模一樣的DC/DC嗎？做不出來的，你就是找兩個完全一樣的器件都找不出來，肯定是有差異的。這時候我們怎么辦？首先是你的電阻怎么測量？你說從外部測，這是可以的，但是我的變換器不知道，所以現(xiàn)在我們做了一個自己可以檢測的東西，我們用了一個動態(tài)虛擬阻抗的概念，把它做一個補償，可以讓它逐步趨于相同，也就是說兩臺DC/DC可以完全均分，你占一半，我占一半，我能實現(xiàn)一個比較好的均流。均流之后，我可以修復(fù)直流母線電壓。大家可以看到上面那個直流電壓有一個跳躍，這是因為我的均流讓我的直流的電壓往上走了，我們實現(xiàn)很好的均流以后，可以讓我的電壓完全跟我的指令值達到趨同，這是我們當時做的研究。
還有一些保護問題，我們會有一個電容瞬間放電的問題，因為當短路發(fā)生的時候，電容瞬間放電，具有一個比較強的沖擊，會導致電容燒毀，還有一個是較大的電流會造成誤操作，還有一個是器件比較脆弱，開關(guān)器件因為自身保護而閉鎖的時候，故障是不能控制的。還有一個是整定困難，另外是直流微網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種模式，它的潮流有雙向流動的問題，在大規(guī)模應(yīng)用的時候，它會產(chǎn)生一些故障特性。
（見PPT）這是我們在做的一些相關(guān)的直流到直流變換器的研究，這時候我們做了一個拓撲結(jié)構(gòu)，這是簡單升壓的拓撲結(jié)構(gòu)。
這是我們做的降壓的DC和DC反級變換器的研究。
這是我們做的寬禁帶，這是一個交通卡大小的600瓦的變換器，能達到98%的效率。
最后做一個總結(jié)。系統(tǒng)中存在功能單一和不具備即插即用的問題，因此我們需要在高可靠性、穩(wěn)定性和低功耗方面做一個研究。還有就是我們要結(jié)合系統(tǒng)層面的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及源-網(wǎng)-荷-儲優(yōu)化配置以及運行于規(guī)劃緊密耦合因素，還要考慮功率變換器設(shè)備控制系統(tǒng)的魯棒自制性和系統(tǒng)控制性的可靠性、靈活性和可擴展性，還要研發(fā)具備更快開斷速度、更高開斷容量和更高效可靠的直流斷路器，這些都是我們以后要研究的方向。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
