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蔡旭:电池储能 PCS关键技术与应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2018-05-25 浏览:
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中国储能网讯:5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

上海交通大学能源研究院副院长,国家智慧能源电网(上海)研发中心常务副主任蔡旭在储能电站专场,发表了题为“电池储能 PCS关键技术与应用 ”的精彩演讲。

演讲内容如下:

蔡旭:各位专家,各位同行,大家下午好。我这次讲的是没有宏观的东西,是纯技术的,讲讲电池储能变换器的若干技术问题。既然讲到变换器的关键技术,这一块都是电池,主要要实现大容量化,高效率,支撑电网,提高可靠性。尤其是大容量化之后,我们如何把成千上万,数万个电池连接起来,而且高效率的连接起来。这里面最关键的是PCS,就是这个变换器。怎么解决这个问题?因为电池非常多了之后,里面要有环流、发热等等问题。我们用电离电子的东西把它隔开,并能够用电离电子的东西对它进行均衡,才有可能做到非常大的容量。

要介绍的第一个就是超大容量的电池储能变换器,这种变换器是我们在2010年提出来的,并且在2013年示范运行,在南网的宝清储能电站,这个架构是我们提出来的,里面的核心技术是我们研发的。为什么实现大容量化并高效率?首先它是没有变压器的,当时有一个重要的指标,PCS的变换效率要达到98%以上,如果要达到98%以上,就不能有变压器,因为变压器本身要消掉1.5%,普通的变压器就搞不定。所以当时提出这样一个结构,这样的结构实际上跟SVG的拓扑接近,它就是一个链式的结构。每一个子模块,在子模块上放上电池。这样一个东西能干什么呢?我们可以让这些电池组在一个相之内做均衡,相与相之间也可以做均衡,而且可以把电压升到很高,直接到10千伏或35千伏。这是基本的原理,实际上这个原理很简单,H桥电路串联起来,提高电压,只要控制这儿的电压,就可以实现充电与放电。

这里面比较关键的技术是什么呢?如果其中一个链坏了之后,怎么样把故障给短路切除,所以要做溶于控制。另一个关键技术,由于电池接上去直接接在高电压上,有一个共模电压的悬浮问题。相间与处间的均衡问题,并网运行于孤岛运行的无缝切换。系统的控制架构基本上都是分布式的,我们有一个主控制,对每一个H桥有一个分布式的控制,这样一个架构。

到底怎样实现这样一种控制,最重要的控制就是充放电控制,用功率结耦。有相间的均衡跟相内的均衡,相间的均衡,A相跟B相的电池要均衡,注入零序电压,让电压发生变化,这样就可以进行均衡控制了。相内均衡更容易,比如说第一个子模块跟第二个子模块要均衡,只要控制每一个子模块的电压不同,就可以做到均衡控制。电压高的充的快,电压低的充的慢,过一段时间就均衡了。通过电路就可以实现一个相内的电池单元之间的均衡,也可以做到两个相之间的电池单元的均衡。

仿真分析,充放电控制,两兆瓦的充电换到两兆瓦的放电,过程非常快,只要10毫秒之内。相间的均衡,每一个相会出现功率不一样,A相、B相、C相,调整功率,使相之间均衡。相内的均衡,只要控制每一个子模块上的电压不一样,就可以让它实现每一个子模块上的Pa1、Pa2不同,就可以做到子模块上的均衡。

实验验证,我们在这上面做了控制策略,然后在宝清储能电站做了实验,连接是完全一样的,是60个链接,每一相20个链接,我们在实验室60个链接的实验系统。实验效果,通过实验,可以达到的效果,跟刚才的仿真效果是完全一样的。

如果我们在这个过程当中有一个子模块出现了故障,怎么办呢?这里有一个旁路开关把它关上,把这个子模块切除掉了,切除掉之后,用剩下的子模块提高电压,同样支撑这一项,做到容错运行。

我们的示范工程,2011年我们攻克了各项技术,最后委托厂家加工出来,2013年在深圳的宝清储能电站投入运行,是世界上首个无变压器高压直挂的兆瓦级储能系统,实测的效率是98.3%。

低压储能变换器的若干技术问题探讨,低压主要是面向微电网应用,或者是面向用户来应用。在这个系统当中,作为低压储能变换器,一般来讲有两种,一种是AC/DC,一种是DC/DC。大家最关心的是如何提升效率,重点讲一讲DC/DC储能变换器效率提升的问题。

DC/DC储能变换器一个比较典型的脱铺就是DAB拓扑,储能在直流这一侧考虑到人身的安全,一般要在48伏以下。另一侧要比较高的电压,比方说220伏,或者是更高。这样一来,就存在一个比较大的变比,要实现这种比较大的变比,比较可行的方案就是用DAB,对这样一种拓扑,如何通过控制来提高它的效率。这种DAB有两种控制模式,一种是移项控制模式,一种是梯形电流控制模式。移相控制模式,它的控制通过把这一侧跟那一侧相位进行移动实现功率的传递。第一区,第二区,每一个区的工作管制是不一样的,第三区工作的管制也有变化,一直下去一共有8个。梯形电流控制模式,它形成一种形状,像梯形一样在每一边,通过开关控制成这种情况。这种情况,通过控制也有8种变换方式。

看看结论,通过8种开关状态分析,我们发现在移相控制模式里面,一个周期内共参考8次开关损耗,梯形控制模式也是产生8次开关损耗,但是梯形8次里面有4次是零电流,这样一来,梯形控制模式在效率上就有优势。另外,梯形控制模式传输的功率比较小,不像移相控制模式能够充分的发挥设计的功率的传递。这样一来,自然就想到我们能不能在一个实际的变换器当中同时用这两种模式,当功率低的时候,我们用梯形模式来控制。当需要传递的功率高的时候,我们用移相控制模式。事实上,这样一做之后,确实使得我们这个效率能够做的比较好,两个结合下来变成红线和蓝线的结合。我们实际做了一个36千瓦的样机,效率达到98.1%。

刚才讲到DC/DC变换器,一般来讲,现在还比较流行的是两级变换器,我们看两级变换器的效率如何来优化?两级变换器一般是这样,前面一个DAB,把直流电压上升到比较高的电压,然后再做一个逆变器搞到电网上360伏,或者是更高。我们也可以在这一级上用多个DAB并联,或者是多个DC/DC并联,对这样一个系统,我们如何通过控制来提高效率,已经设计好了,仅仅用控制来提高它的效率。在这里,我们可控的量有哪些?是与什么有关系?与电池组的电压有关系,与中间的UDC电压有关系,还有上级发的指令,这个相角以及功率指令有关系。在这所有四个量当中,这个是不可控的,上级发的指令也不可控,真正可控的是UDC,我们探索一下,如何用UDC,让它根据传递不同的功率的时候,让它有不同的UDC,通过这样的东西来提高它的效率。实际上做下来之后达到了很好的效果。这就是达到的效果,理论上值是这样,实际值也是非常好的。如果我们用恒定的UDC控制,就是下面这个蓝线,这个线是比较好的。

储能变换器与微电网的协调控制问题。在微电网当中,如果有应用的话,从时间尺度上来讲,上层有配电网的管理系统,这是在分钟级以上的。微网控制器是在秒级的,变换器控制器时间尺度是微秒级。我们要想做到一种对电网主动的相应,比较流行的技术,当然现在就是虚拟同步。虚拟同步这个技术实际上不是现在才提出来的,最早欧洲的论文是20年前提出,只是说现在热闹起来了,而且我们开始做微电网,而且微电网里面的主电源开始从柴油发电机变为储能。当主电源变为储能的时候,我们就对这个储能系统有要求。什么样的要求呢?我们希望并网切换的时候要无缝,无缝的变化是策略不变。在并网的时候储能系统用什么样的控制策略?在离网的时候还用什么样的策略,这才能真正无缝。在离网的时候如果储能作为主电源就意味着它必须做调频调压的工作,也就是说它必须是电压源,而不是现在常用的电流源性质的。这里面有一个概念要跟大家科普一下,我们目前的变换器,拓扑都是电压源型变换器。但是我们的控制都是电流源型控制。现在要把电流源型控制变成电压源型控制,才能做到无缝。其中比较好的解决方案,完全模拟通用发电机,有现成的控制,套进去就可以了。虚拟同步就是做这样的工作。

我的报告完毕。谢谢大家!

提问:PCS里面,主要是软件部分去控制它的效率?还是转换效率?还是一些时间上的?可以简单的介绍一下吗?

蔡旭:PCS是两个问题,一个是拓扑,变换器用什么样的拓扑是最关键的,拓扑是第一创新,通过时间证明,真正能用的拓扑也就那么几个。下面的挖潜,就是控制方法。控制方法有很多种,我们怎样来找最好的呢?就要在应用场景上来找你的最好。当它恒定功率变化的时候用一种变化,用在波动功率变化的时候用另外的办法,这样才能达到最优。

(本文根据现场录音整理,未经本人审核)

关键字:PCS技术 第八届中国国际储能大会

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