儲(chǔ)能逆變器做小可降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本

1、 儲(chǔ)能逆變器做小可降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本系統(tǒng)里面的逆變器占的成本大概在20%，百分之十幾到20%，這一塊也可以降低，也必須要降低，同時(shí)必須把它做小。如果能把PCS效率做的高，功率密度做的高，把它做的小，它用的材料就會(huì)少。如果它有更好的控制性能，和電網(wǎng)之間的交互就是靠控制性能提供一些輔助服務(wù)，這個(gè)也是挖掘我們儲(chǔ)能它的價(jià)值的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。東南大學(xué)電氣工程學(xué)院教授肖華鋒8月7日-8日，由華北電力大學(xué)、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)主辦的“第一屆中國(guó) HYPERLINK /zt.asp?topic=%b4%a2%c4%dc%d1%a7%ca%f5%c2%db%cc%b3 o 儲(chǔ)能學(xué)術(shù)論壇新聞專題 t _blank

2、儲(chǔ)能學(xué)術(shù)論壇暨風(fēng)光儲(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)”在北京召開。在8月8日分論壇一“風(fēng)光儲(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)專場(chǎng)”中，東南大學(xué)電氣工程學(xué)院教授肖華鋒作“ HYPERLINK /zt.asp?topic=%b7%d6%b2%bc%ca%bd%b4%a2%c4%dc o 分布式儲(chǔ)能新聞專題 t _blank 分布式儲(chǔ)能用高功率密度非隔離逆變技術(shù)”報(bào)告。東南大學(xué)電氣工程學(xué)院教授肖華鋒非常高興有這個(gè)機(jī)會(huì)到這邊來跟大家匯報(bào)我的工作，我是肖華鋒，來自于南京東南大學(xué)。我給大家匯報(bào)的題目是分布式儲(chǔ)能用高功率密度非隔離逆變技術(shù)，將從四個(gè)方面來介紹。首先介紹一下研究背景，我們知道能源短缺以及環(huán)境危機(jī)，要求我們發(fā)展新能源，我們國(guó)家是從06年1

3、月1日頒布了可再生能源法，隨后風(fēng)電就得到了快速的發(fā)展。創(chuàng)造了十年增長(zhǎng)一百倍這樣的一個(gè)成績(jī)，從11年開始，我國(guó)的光伏也得到了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，創(chuàng)造了五年增長(zhǎng)一百倍的成績(jī)，發(fā)展很快，我們能夠感覺到。我們具體以光伏為例，可以看一個(gè)數(shù)據(jù)，十年前和現(xiàn)在，我們的裝機(jī)，當(dāng)時(shí)占世界總裝機(jī)的占比不到1%，只有0.86%，而到去年年底（2018年），這個(gè)占比已經(jīng)達(dá)到了36.4%。如果看增量的話，世界的裝機(jī)大概增了30倍左右，而我們國(guó)內(nèi)大概增了1000倍。其中分布式光伏近些年來發(fā)展也非?？欤?7年占35%，在昨天一些領(lǐng)導(dǎo)的報(bào)告中講，我們?nèi)ツ辏?8年）的占比大概在40%左右，而且以后希望一直維持在這樣一個(gè)比例。為什么發(fā)展

4、這么快呢？當(dāng)然我們有對(duì)清潔能源的需求，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這個(gè)成本也在快速的下降，當(dāng)然這是一個(gè)良性循環(huán)。裝的越多越便宜，越便宜裝的越多，如果我們做技術(shù)，或者我們選方案的話，它的成本上面有大幅下降空間的話，說明它會(huì)更加有生命力。簡(jiǎn)單的總結(jié)，我們現(xiàn)在光伏和風(fēng)電的裝機(jī)累計(jì)都是世界第一位，截至去年底（2018年），風(fēng)電的裝機(jī)大概在185GW，光伏快趕上了，175GW。強(qiáng)調(diào)一下成本降的有多快，在17年和12年比，風(fēng)電和光伏的建設(shè)成本分別降了20%和45%，特別是光伏降的特別快。這樣一來，截至去年底，全國(guó)的風(fēng)電和光伏裝機(jī)占比，占到我們?nèi)堪l(fā)電裝機(jī)的20%，已經(jīng)是不可忽視的發(fā)電部分，發(fā)電量將近9%，風(fēng)電發(fā)電小時(shí)數(shù)不像

5、常規(guī)的發(fā)電穩(wěn)定。在快速的分布式或者波動(dòng)式的新能源的發(fā)展下，給我們帶來清潔能源的同時(shí)，也給我們帶來一些挑戰(zhàn)。我們看美國(guó)加州的鴨子曲線，意思就是說當(dāng)?shù)氐呢?fù)載減去當(dāng)?shù)胤植际降墓夥陌l(fā)電，減了之后，我們就發(fā)現(xiàn)曲線發(fā)生很大的變化，特別在光伏引進(jìn)來之后。本來在中午12點(diǎn)左右，是用電高峰，比如看最上面2012年的這條線，由于光伏快速發(fā)展，13年慢慢這個(gè)線變平，越往后預(yù)測(cè)，這個(gè)線是越來越往下的。如果要你把光伏這個(gè)電用掉，需要原來常規(guī)的能源就要少發(fā)，才能維持平衡。在晚上六點(diǎn)鐘左右的時(shí)候，光照強(qiáng)度會(huì)快速的下降，但緊接著在6點(diǎn)之后又有一個(gè)用電高峰，帶來什么問題呢？需要我們供電要快速跟上去，快速爬坡，有這兩個(gè)挑戰(zhàn)。各

6、個(gè)國(guó)家發(fā)電供電的構(gòu)成不同，發(fā)電機(jī)組的特性也不一樣，各個(gè)國(guó)家都有各個(gè)國(guó)家的方案，現(xiàn)在在我們國(guó)家應(yīng)該說有一些挑戰(zhàn)，主要是經(jīng)濟(jì)問題。如果想讓我們的分布式光伏快速發(fā)展，剛才王主任（山西電網(wǎng)技術(shù)中心主任）也講了，怎么讓它自強(qiáng)，你自己帶來的問題能不能自己解決掉？?jī)?chǔ)能針對(duì)光伏這種強(qiáng)波動(dòng)性，適應(yīng)這種特點(diǎn)，通過儲(chǔ)能來匹配它這個(gè)特性，能把它做到接入我們電網(wǎng)不會(huì)帶來這么大的影響。說到儲(chǔ)能，在我們這樣一個(gè)傳統(tǒng)的發(fā)電到用電這個(gè)環(huán)節(jié)中，儲(chǔ)能不是一個(gè)新鮮的技術(shù)，或者不是一個(gè)新鮮的事物。比如在我們發(fā)電端，削峰填谷，減少排放，同時(shí)可以提升接入，主要是大型的風(fēng)場(chǎng)和光伏電站。在輸電端，可以延緩升級(jí)，減少投資，這個(gè)很好理解，主要是由

7、于波動(dòng)的能源，負(fù)荷變少了，對(duì)我們的輸電的投資可以減緩。在配電端可以減少維護(hù)，主要是變電站，同時(shí)提高電壓控制，以及提高資產(chǎn)利用率。在用電側(cè)，同樣能夠提升接入，主要是分布式的新能源接入，提高電壓控制，還有供電安全，如果停電了，基于儲(chǔ)能可以由短時(shí)間的或者一定時(shí)間的供電能力。我的報(bào)告主要是聚焦在分布式儲(chǔ)能用電這個(gè)環(huán)節(jié)。儲(chǔ)能方式，我們知道有五大類，昨天很多專家介紹了各種不同的儲(chǔ)能方式。我不過多講了，我們分析下來，分布式儲(chǔ)能，鋰電池現(xiàn)在這個(gè)技術(shù)方案運(yùn)用的是比較多的，當(dāng)然分布式的儲(chǔ)能也包括電動(dòng)汽車。為什么說鋰電池比較有優(yōu)勢(shì)呢？第一個(gè)是成本的下降，08年的時(shí)候，每一度的電池成本在2000美元左右，到去年底降到

8、了200美元，這個(gè)非常重要。同時(shí)它的性能也在提高，我們選了一個(gè)指標(biāo)就是它的循環(huán)次數(shù)，可以看到由最初的在2000次，08年，到現(xiàn)在18年能達(dá)到10000次，這樣一個(gè)成本的降低，加上循環(huán)次數(shù)的增加，使得每次循環(huán)，用電成本會(huì)快速的降低。剛才說了，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，我們08年到18年降了十倍，降到200美元。舉個(gè)例子，現(xiàn)在鋰電池成本200美元一度，我們?nèi)绻b在電動(dòng)汽車上去，現(xiàn)在的這個(gè)價(jià)格大家覺得貴，現(xiàn)在電動(dòng)汽車相對(duì)傳統(tǒng)的燃油車還是貴。據(jù)預(yù)測(cè)，如果你每一度電的電池每千瓦時(shí)的價(jià)格降到100美元，它的價(jià)格就會(huì)和傳統(tǒng)的燃油車持平了，這樣買就不會(huì)有壓力了。同時(shí)我們預(yù)測(cè)每3-4年，價(jià)格降一半這樣的速度的話，包括從我們前

9、面光伏的發(fā)展也能看出來，這并不是達(dá)不到的，是很容易達(dá)到的。以前我們說光伏也貴，現(xiàn)在不說它貴了，現(xiàn)在都是平價(jià)上網(wǎng)。再過3-4年，電動(dòng)汽車不會(huì)太貴了，當(dāng)然會(huì)不會(huì)有其他大家考慮的因素，不好講。最起碼它的價(jià)格會(huì)比傳統(tǒng)的燃油車更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)它的價(jià)格下降空間是非常有限的。這是電池部分，若要構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，這里還有電力電子的部分，我是從事電力電子研究的。我們對(duì)電池和電網(wǎng)之間的部件我們稱為逆變器或者PCS，它怎樣來幫助我們降低成本呢？這樣一個(gè)系統(tǒng)我們現(xiàn)在大家都把眼光聚焦在電池上，因?yàn)橘F在它。系統(tǒng)里面的逆變器占的成本大概在20%，百分之十幾到20%，這一塊也可以降低，也必須要降低，同時(shí)必須把它做小。如

10、果你能把PCS效率做的高，功率密度做的高，把它做的小，它用的材料就會(huì)少。如果它有更好的控制性能，和電網(wǎng)之間的交互就是靠控制性能提供一些輔助服務(wù)，這個(gè)也是挖掘我們儲(chǔ)能它的價(jià)值的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它能給電網(wǎng)提供常規(guī)的服務(wù)之外，還能提供更多的輔助服務(wù)，就能有更大的價(jià)值。我們提出把它做成非隔離的，半導(dǎo)體材料取代原來我們更多的是隔離的架構(gòu)，取代變壓器，這樣一來，沒有勵(lì)磁和繞組損耗，同時(shí)你可以提高效率，同時(shí)可以把它做小。如果你把變壓器拿掉，它有什么問題？我們想一想變壓器在系統(tǒng)里原來起什么作用，從兩個(gè)方面看，第一進(jìn)行電壓匹配，第二個(gè)就是有一個(gè)安全的問題，變壓器隔離，它是一個(gè)共模的特性。在現(xiàn)有的分布式架構(gòu)下，

11、如果接入的是電網(wǎng)配網(wǎng)末端的話，在現(xiàn)在電壓等級(jí)，電壓匹配不是問題了，但是共模的問題有沒有問題呢？電池組正常非隔離之后，電池陣列與機(jī)殼之間會(huì)形成一個(gè)分布電容，有了這個(gè)電容之后，逆變器形成一個(gè)共模的電流回路。如果能做成一個(gè)恒定值，當(dāng)然是零更好，不是零，是一個(gè)恒定值也可以，這樣電容就擋住了，這是一個(gè)很好理解的特性。要去尋找這樣的電路拓?fù)?，傳統(tǒng)的電路可以找到。上面這個(gè)是差模電壓，下面是共模電壓，我們可以看電壓做到了恒定值，所以它是安全的。但是問題是在這個(gè)地方，我們會(huì)看到它的電壓要么是正的，要么是負(fù)的，這樣把逆變器的效率做低了，這不是我們想要的。相當(dāng)于我們走路向前走三步，同時(shí)還要退兩步，其中有一步是要退的

12、，是為了做到平衡；但退的第二步就是“多余的”，從效率的角度，就降低了效率，不是我們想要的。第二個(gè)問題就是硬開關(guān)，開關(guān)過程中會(huì)有一個(gè)損耗，這是遇到的問題。我們來解決它，換一種方式，叫單極性調(diào)治，跟效率相關(guān)的，向前走三不，向后退一步，效率可以提高，但是共模電壓是在高頻的脈動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。有些解決方法，我們稱為解耦單級(jí)性調(diào)制，但是在某一個(gè)階段還是存在波動(dòng)。下面我們講一個(gè)調(diào)控方法，怎么來解決浮動(dòng)的問題，就是在原來的基礎(chǔ)上，增加了支路，差模電壓和前面一樣，共模電壓能夠把電壓做到恒定，這樣一來的話，可以看一下效果。我們是有并網(wǎng)要求的，第一個(gè)是沒有做的時(shí)候，我們得到的數(shù)據(jù)離我們標(biāo)準(zhǔn)的要求小一點(diǎn)，這原來是30

13、毫安，如果我們用有源開關(guān)，這個(gè)波動(dòng)的頻率會(huì)非常低。我們用無源開關(guān)，就是一個(gè)恒定的值。做到的效果，可以降到2毫安，目前我們也在參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，我們希望能夠從30毫安降到5毫安，這樣的非隔離的共模電壓箝位技術(shù)就會(huì)采用，讓它的安全性進(jìn)一步提高，這樣有利于它的使用范圍的擴(kuò)展。關(guān)于非隔離它的架構(gòu)，它的發(fā)展蠻有意思的，最開始很多地方都是不許用的，如北美、日本、澳洲等，出于安全的角度考慮。如果你把安全標(biāo)準(zhǔn)提高了，就更有利于普及了。這是剛剛講的第一個(gè)問題，怎么把效率做高，安全性提高上去。第二個(gè)就是開關(guān)損耗的問題，我們要做高功率密度，對(duì)變換器來講，它的方法就是提高開關(guān)頻率。為什么要用軟開關(guān)？我們可以回顧一下

14、直流變換器，因?yàn)殡姵仉妷河幸粋€(gè)波動(dòng)范圍，前面放一個(gè)直流變換器管理起來會(huì)更容易，系統(tǒng)更容易優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這樣一個(gè)功率變換架構(gòu)里面，直流變換器的功率密度已經(jīng)發(fā)展到第三個(gè)階段了，但是在我們逆變器還基本上處在第一個(gè)階段，幾十千赫茲。我們?cè)趺赐巴七M(jìn)？在系統(tǒng)里面有的是用的第三代的技術(shù)，有的還是第一代的技術(shù)，顯然是一個(gè)不平等不匹配的狀態(tài)，怎么把它往前推，這樣才能把功率密度做高。我們分析下來，選用軟開關(guān)，是能夠把它做小的。怎么把逆變器軟開關(guān)電路做的簡(jiǎn)單，以及真正做到有效果，我們提出了一種新的結(jié)構(gòu)，叫續(xù)流諧振腔逆變器，這里面有幾個(gè)特點(diǎn)，第一個(gè)是諧振網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)布置，可以做到通態(tài)損耗小。第二，諧振元件要靈活配置，能夠?qū)崿F(xiàn)減少開關(guān)損耗。最后是怎么把電路做的簡(jiǎn)潔，進(jìn)行思路的集成，里面有不同作用的支路。要做諧振很簡(jiǎn)單，電感電流的諧振網(wǎng)絡(luò)，最前面可以做一個(gè)自然諧振出來，但是有一個(gè)問題，諧振網(wǎng)絡(luò)有損耗。如果不能補(bǔ)充能量的話，會(huì)衰減。這樣給我們?cè)O(shè)計(jì)帶來一個(gè)困難，第一遍做出來，它的效率并沒有太大的優(yōu)勢(shì)。我們就要解決這個(gè)問題，怎樣保證諧振元件回位，我們找到主開關(guān)它的電容電壓，保證可靠回位，可以大幅減少諧振網(wǎng)絡(luò)的損耗。第三個(gè)思路是，雖然進(jìn)電流是正弦的，如果在開關(guān)頻率下，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，這樣進(jìn)網(wǎng)電流可以看成一個(gè)恒定的電流也可以給電容充電，細(xì)節(jié)不多講了，