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东南大学肖华锋:把储能逆变器做小可降低储能系统成本

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/8/8 10:55:02  我要投稿  

北极星储能网讯:系统里面的逆变器占的成本大概在20%,百分之十几到20%,这一块也可以降低,也必须要降低,同时必须把它做小。如果你能把PCS效率做的高,功率密度做的高,把它做的小,它用的材料就会少。如果它有更好的控制性能,和电网之间的交互就是靠控制性能提供一些辅助服务,这个也是挖掘我们储能它的价值的一个很重要的环节。

——东南大学电气工程学院教授肖华锋

8月7日-8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开。在8月8日分论坛一“风光储创新技术专场”中,东南大学电气工程学院教授肖华锋作“分布式储能用高功率密度非隔离逆变技术”报告。

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东南大学电气工程学院教授肖华锋

非常高兴有这个机会到这边来跟大家汇报我的工作,我是肖华锋,来自于南京东南大学。我给大家汇报的题目是分布式储能用高功率密度非隔离逆变技术,将从四个方面来介绍。

首先介绍一下研究背景,我们知道能源短缺以及环境危机,要求我们发展新能源,我们国家是从06年1月1日颁布了《可再生能源法》,随后风电就得到了快速的发展。创造了十年增长一百倍这样的一个成绩,从11年开始,我国的光伏也得到了爆发式的增长,创造了五年增长一百倍的成绩,发展很快,我们能够感觉到。

我们具体以光伏为例,可以看一个数据,十年前和现在,我们的装机,当时占世界总装机的占比不到1%,只有0.86%,而到去年年底(2018年),这个占比已经达到了36.4%。如果看增量的话,世界的装机大概增了30倍左右,而我们国内大概增了1000倍。其中分布式光伏近些年来发展也非常快,17年占35%,在昨天一些领导的报告中讲,我们去年(18年)的占比大概在40%左右,而且以后希望一直维持在这样一个比例。

为什么发展这么快呢?当然我们有对清洁能源的需求,同时也发现这个成本也在快速的下降,当然这是一个良性循环。装的越多越便宜,越便宜装的越多,如果我们做技术,或者我们选方案的话,它的成本上面有大幅下降空间的话,说明它会更加有生命力。

简单的总结,我们现在光伏和风电的装机累计都是世界第一位,截至去年底(2018年),风电的装机大概在185GW,光伏快赶上了,175GW。强调一下成本降的有多快,在17年和12年比,风电和光伏的建设成本分别降了20%和45%,特别是光伏降的特别快。这样一来,截至去年底,全国的风电和光伏装机占比,占到我们全部发电装机的20%,已经是不可忽视的发电部分,发电量将近9%,风电发电小时数不像常规的发电稳定。在快速的分布式或者波动式的新能源的发展下,给我们带来清洁能源的同时,也给我们带来一些挑战。

我们看美国加州的鸭子曲线,意思就是说当地的负载减去当地分布式的光伏的发电,减了之后,我们就发现曲线发生很大的变化,特别在光伏引进来之后。本来在中午12点左右,是用电高峰,比如看最上面2012年的这条线,由于光伏快速发展,13年慢慢这个线变平,越往后预测,这个线是越来越往下的。如果要你把光伏这个电用掉,需要原来常规的能源就要少发,才能维持平衡。在晚上六点钟左右的时候,光照强度会快速的下降,但紧接着在6点之后又有一个用电高峰,带来什么问题呢?需要我们供电要快速跟上去,快速爬坡,有这两个挑战。各个国家发电供电的构成不同,发电机组的特性也不一样,各个国家都有各个国家的方案,现在在我们国家应该说有一些挑战,主要是经济问题。

如果想让我们的分布式光伏快速发展,刚才王主任(山西电网技术中心主任)也讲了,怎么让它自强,你自己带来的问题能不能自己解决掉?储能针对光伏这种强波动性,适应这种特点,通过储能来匹配它这个特性,能把它做到接入我们电网不会带来这么大的影响。说到储能,在我们这样一个传统的发电到用电这个环节中,储能不是一个新鲜的技术,或者不是一个新鲜的事物。比如在我们发电端,削峰填谷,减少排放,同时可以提升接入,主要是大型的风场和光伏电站。在输电端,可以延缓升级,减少投资,这个很好理解,主要是由于波动的能源,负荷变少了,对我们的输电的投资可以减缓。在配电端可以减少维护,主要是变电站,同时提高电压控制,以及提高资产利用率。在用电侧,同样能够提升接入,主要是分布式的新能源接入,提高电压控制,还有供电安全,如果停电了,基于储能可以由短时间的或者一定时间的供电能力。我的报告主要是聚焦在分布式储能用电这个环节。

储能方式,我们知道有五大类,昨天很多专家介绍了各种不同的储能方式。我不过多讲了,我们分析下来,分布式储能,锂电池现在这个技术方案运用的是比较多的,当然分布式的储能也包括电动汽车。

为什么说锂电池比较有优势呢?第一个是成本的下降,08年的时候,每一度的电池成本在2000美元左右,到去年底降到了200美元,这个非常重要。同时它的性能也在提高,我们选了一个指标就是它的循环次数,可以看到由最初的在2000次,08年,到现在18年能达到10000次,这样一个成本的降低,加上循环次数的增加,使得每次循环,用电成本会快速的降低。刚才说了,统计数据看,我们08年到18年降了十倍,降到200美元。举个例子,现在锂电池成本200美元一度,我们如果装在电动汽车上去,现在的这个价格大家觉得贵,现在电动汽车相对传统的燃油车还是贵。据预测,如果你每一度电的电池每千瓦时的价格降到100美元,它的价格就会和传统的燃油车持平了,这样买就不会有压力了。同时我们预测每3-4年,价格降一半这样的速度的话,包括从我们前面光伏的发展也能看出来,这并不是达不到的,是很容易达到的。以前我们说光伏也贵,现在不说它贵了,现在都是平价上网。再过3-4年,电动汽车不会太贵了,当然会不会有其他大家考虑的因素,不好讲。最起码它的价格会比传统的燃油车更有优势,因为传统的发动机它的价格下降空间是非常有限的。

这是电池部分,若要构成一个系统,这里还有电力电子的部分,我是从事电力电子研究的。我们对电池和电网之间的部件我们称为逆变器或者PCS,它怎样来帮助我们降低成本呢?这样一个系统我们现在大家都把眼光聚焦在电池上,因为贵在它。系统里面的逆变器占的成本大概在20%,百分之十几到20%,这一块也可以降低,也必须要降低,同时必须把它做小。如果你能把PCS效率做的高,功率密度做的高,把它做的小,它用的材料就会少。如果它有更好的控制性能,和电网之间的交互就是靠控制性能提供一些辅助服务,这个也是挖掘我们储能它的价值的一个很重要的环节,它能给电网提供常规的服务之外,还能提供更多的辅助服务,就能有更大的价值。

我们提出把它做成非隔离的,半导体材料取代原来我们更多的是隔离的架构,取代变压器,这样一来,没有励磁和绕组损耗,同时你可以提高效率,同时可以把它做小。如果你把变压器拿掉,它有什么问题?我们想一想变压器在系统里原来起什么作用,从两个方面看,第一进行电压匹配,第二个就是有一个安全的问题,变压器隔离,它是一个共模的特性。在现有的分布式架构下,如果接入的是电网配网末端的话,在现在电压等级,电压匹配不是问题了,但是共模的问题有没有问题呢?电池组正常非隔离之后,电池阵列与机壳之间会形成一个分布电容,有了这个电容之后,逆变器形成一个共模的电流回路。如果能做成一个恒定值,当然是零更好,不是零,是一个恒定值也可以,这样电容就挡住了,这是一个很好理解的特性。

要去寻找这样的电路拓扑,传统的电路可以找到。上面这个是差模电压,下面是共模电压,我们可以看电压做到了恒定值,所以它是安全的。但是问题是在这个地方,我们会看到它的电压要么是正的,要么是负的,这样把逆变器的效率做低了,这不是我们想要的。相当于我们走路向前走三步,同时还要退两步,其中有一步是要退的,是为了做到平衡;但退的第二步就是“多余的”,从效率的角度,就降低了效率,不是我们想要的。第二个问题就是硬开关,开关过程中会有一个损耗,这是遇到的问题。我们来解决它,换一种方式,叫单极性调治,跟效率相关的,向前走三不,向后退一步,效率可以提高,但是共模电压是在高频的脉动,会产生风险。有些解决方法,我们称为解耦单级性调制,但是在某一个阶段还是存在波动。

下面我们讲一个调控方法,怎么来解决浮动的问题,就是在原来的基础上,增加了支路,差模电压和前面一样,共模电压能够把电压做到恒定,这样一来的话,可以看一下效果。我们是有并网要求的,第一个是没有做的时候,我们得到的数据离我们标准的要求小一点,这原来是30毫安,如果我们用有源开关,这个波动的频率会非常低。我们用无源开关,就是一个恒定的值。做到的效果,可以降到2毫安,目前我们也在参与国际标准的制定,我们希望能够从30毫安降到5毫安,这样的非隔离的共模电压箝位技术就会采用,让它的安全性进一步提高,这样有利于它的使用范围的扩展。关于非隔离它的架构,它的发展蛮有意思的,最开始很多地方都是不许用的,如北美、日本、澳洲等,出于安全的角度考虑。如果你把安全标准提高了,就更有利于普及了。这是刚刚讲的第一个问题,怎么把效率做高,安全性提高上去。

第二个就是开关损耗的问题,我们要做高功率密度,对变换器来讲,它的方法就是提高开关频率。为什么要用软开关?我们可以回顾一下直流变换器,因为电池电压有一个波动范围,前面放一个直流变换器管理起来会更容易,系统更容易优化设计。在这样一个功率变换架构里面,直流变换器的功率密度已经发展到第三个阶段了,但是在我们逆变器还基本上处在第一个阶段,几十千赫兹。我们怎么往前推进?在系统里面有的是用的第三代的技术,有的还是第一代的技术,显然是一个不平等不匹配的状态,怎么把它往前推,这样才能把功率密度做高。我们分析下来,选用软开关,是能够把它做小的。

怎么把逆变器软开关电路做的简单,以及真正做到有效果,我们提出了一种新的结构,叫续流谐振腔逆变器,这里面有几个特点,第一个是谐振网络是并联布置,可以做到通态损耗小。第二,谐振元件要灵活配置,能够实现减少开关损耗。最后是怎么把电路做的简洁,进行思路的集成,里面有不同作用的支路。要做谐振很简单,电感电流的谐振网络,最前面可以做一个自然谐振出来,但是有一个问题,谐振网络有损耗。如果不能补充能量的话,会衰减。这样给我们设计带来一个困难,第一遍做出来,它的效率并没有太大的优势。我们就要解决这个问题,怎样保证谐振元件回位,我们找到主开关它的电容电压,保证可靠回位,可以大幅减少谐振网络的损耗。第三个思路是,虽然进电流是正弦的,如果在开关频率下,开关频率远高于电网频率,这样进网电流可以看成一个恒定的电流也可以给电容充电,细节不多讲了,最后同样可以把效率提高。总的来说,最后做的效果,功率密度大幅提高,效率可以提高1.3%。

最后是一个总结,我国的分布式光伏发展极其迅速,其对分布式储能的需求是非常大的,如何降低储能系统的成本是关键。第二,逆变器无变压器化在提高效率降低成本的同时,可节省铜、铁等不可再生资源的消耗,这个非常重要,在我们发展可再生能源过程中,一定要建立这样一个意识。第三个,分布式储能系统的小型化是用户储能和移动储能市场的重要发展方向,如何把它做小,这样成本可以降低。我的汇报结束,谢谢大家。

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