中國儲能網訊：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、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（上海）研發(fā)中心常務副主任蔡旭在儲能電站專場，發(fā)表了題為“電池儲能 PCS關鍵技術與應用 ”的精彩演講。
演講內容如下：
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，是純技術的，講講電池儲能變換器的若干技術問題。既然講到變換器的關鍵技術，這一塊都是電池，主要要實現大容量化，高效率，支撐電網，提高可靠性。尤其是大容量化之后，我們如何把成千上萬，數萬個電池連接起來，而且高效率的連接起來。這里面最關鍵的是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，在南網的寶清儲能電站，這個架構是我們提出來的，里面的核心技術是我們研發(fā)的。為什么實現大容量化并高效率？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構，這樣的結構實際上跟SVG的拓撲接近，它就是一個鏈式的結構。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橋電路串聯起來，提高電壓，只要控制這兒的電壓，就可以實現充電與放電。
這里面比較關鍵的技術是什么呢？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。另一個關鍵技術，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，并網運行于孤島運行的無縫切換。系統(tǒng)的控制架構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。
到底怎樣實現這樣一種控制，最重要的控制就是充放電控制，用功率結耦。有相間的均衡跟相內的均衡，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一個相內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。相間的均衡，每一個相會出現功率不一樣，A相、B相、C相，調整功率，使相之間均衡。相內的均衡，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了故障，怎么辦呢？這里有一個旁路開關把它關上，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，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問題探討，低壓主要是面向微電網應用，或者是面向用戶來應用。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，儲能在直流這一側考慮到人身的安全，一般要在48伏以下。另一側要比較高的電壓，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跟那一側相位進行移動實現功率的傳遞。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。
看看結論，通過8種開關狀態(tài)分析，我們發(fā)現在移相控制模式里面，一個周期內共參考8次開關損耗，梯形控制模式也是產生8次開關損耗，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，梯形控制模式傳輸的功率比較小，不像移相控制模式能夠充分的發(fā)揮設計的功率的傳遞。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，兩個結合下來變成紅線和藍線的結合。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上360伏，或者是更高。我們也可以在這一級上用多個DAB并聯，或者是多個DC/DC并聯，對這樣一個系統(tǒng)，我們如何通過控制來提高效率，已經設計好了，僅僅用控制來提高它的效率。在這里，我們可控的量有哪些？是與什么有關系？與電池組的電壓有關系，與中間的UDC電壓有關系，還有上級發(fā)的指令，這個相角以及功率指令有關系。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的協調控制問題。在微電網當中，如果有應用的話，從時間尺度上來講，上層有配電網的管理系統(tǒng)，這是在分鐘級以上的。微網控制器是在秒級的，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主動的相應，比較流行的技術，當然現在就是虛擬同步。虛擬同步這個技術實際上不是現在才提出來的，最早歐洲的論文是20年前提出，只是說現在熱鬧起來了，而且我們開始做微電網，而且微電網里面的主電源開始從柴油發(fā)電機變?yōu)閮δ堋．斨麟娫醋優(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？我們希望并網切換的時候要無縫，無縫的變化是策略不變。在并網的時候儲能系統(tǒng)用什么樣的控制策略？在離網的時候還用什么樣的策略，這才能真正無縫。在離網的時候如果儲能作為主電源就意味著它必須做調頻調壓的工作，也就是說它必須是電壓源，而不是現在常用的電流源性質的。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。控制方法有很多種，我們怎樣來找最好的呢？就要在應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)。
（本文根據現場錄音整理，未經本人審核）
