近年來儲能產(chǎn)業(yè)相關政策持續(xù)出爐，政策紅利明顯，儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展是非常迅猛的，從2011年開始，國家有關的部委持續(xù)在出臺一些有關于可再生能源包括儲能發(fā)展的指導意見。下面這張圖是從2000年到2018年，我們國內(nèi)儲能持續(xù)的發(fā)展，電池儲能裝機容量，累計裝機容量達到了1GW。尤其是在2018年，電網(wǎng)側(cè)儲能在我們國家很多的省份，包括江蘇、河南、湖南、浙江等多地展開。2018年新增投運的規(guī)模是206兆瓦，2019年江蘇規(guī)劃建設中的儲能項目已經(jīng)超過了200兆瓦。

— —上海交通大學李睿

8月8日，由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創(chuàng)新技術大會”分論壇在北京召開，北極星儲能網(wǎng)將對論壇進行全程直播。在8日“電化學儲能”分論壇上，上海交通大學李睿作“百MW級電池儲能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)技術探討”報告。

上海交通大學李睿

以下為發(fā)言實錄：

上海交通大學李睿：首先介紹一下背景，儲能的論壇大家都清楚，主要由于碳排放的資源緊張、排放污染、氣候變化，所以在過去的幾年里邊我們可以看到，能源轉(zhuǎn)型趨勢越來越明顯，最主要的能源轉(zhuǎn)型的新能源可以看到，就是風電和太陽能，也包括清潔能源，包括水電和核能。這張圖是2030年我國發(fā)電裝機構成的比例，到2030年整個電網(wǎng)里面47%的發(fā)電還是由可再生能源組成的，剩下的分別由水電、核電、風電和太陽能來組成。而且左邊這兩張圖是風電和光伏的發(fā)電成本的變化?？梢钥吹?，從2009年到2016年，發(fā)電成本是持續(xù)降低的。我們看到在去年有一個報告，按他的計算，在去年的時候全生命周期的發(fā)電成本已經(jīng)跟火電是相同的，因為我只看到一個結(jié)論，不知道他說的計算方法是什么樣，但是可以看到，新能源發(fā)電現(xiàn)在成本其實是越來越低的。

在我們國家，能源轉(zhuǎn)型也特別明顯，到2000年以來全球的風電、光伏的裝機年均增長分別是22%和38%，中國是46%和62%。伴隨著新能源電網(wǎng)滲透率的持續(xù)增加，高比例間歇式的可再生能源大規(guī)模的接入電網(wǎng)。因為可再生能源是間歇式的，尤其是像光伏短時的不可預測性也比較差，我們光伏陣列忽然有云彩過來了，云彩飄著只要它經(jīng)過的地方發(fā)電功率就下降了，這個帶來電源的不確定性，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生重大的影響，而儲能技術是解決能源轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)的手段之一。

近年來儲能產(chǎn)業(yè)相關政策持續(xù)出爐，政策紅利明顯，儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展是非常迅猛的，從2011年開始，國家有關的部委持續(xù)在出臺一些有關于可再生能源包括儲能發(fā)展的指導意見。下面這張圖是從2000年到2018年，我們國內(nèi)儲能持續(xù)的發(fā)展，電池儲能裝機容量，累計裝機容量達到了1GW。

我們可以看到，尤其是在2018年，電網(wǎng)側(cè)儲能在我們國家很多的省份，包括江蘇、河南、湖南、浙江等多地展開。2018年新增投運的規(guī)模是206兆瓦，2019年江蘇規(guī)劃建設中的儲能項目已經(jīng)超過了200兆瓦，目前已經(jīng)開展的電網(wǎng)測儲能項目根據(jù)各個省的電網(wǎng)特點規(guī)劃建設，在系統(tǒng)架構建設方式、商業(yè)模式上都有一些特點。

這張跟大家報告一下從2018年開始國內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲能電站的一些動態(tài)，比較有影響的是江蘇搞了好幾個儲能的工程，比如鎮(zhèn)江號稱是國內(nèi)最大的電池儲能電站，它的總裝機容量是101兆瓦/202兆，主要是用在江蘇電網(wǎng)削峰填谷，我們?nèi)⒓舆^相關會議，調(diào)頻還做不到。在蘇州也有儲能的二期，搞電網(wǎng)側(cè)儲能，它規(guī)劃的規(guī)模也達到242兆瓦/138兆。同時包括在河南、在湖南長沙、浙江電網(wǎng)分別構建了100兆瓦以上的電網(wǎng)側(cè)的儲能工程，就是電池和儲能工程。

從電網(wǎng)側(cè)儲能電站發(fā)展動態(tài)可以看到，現(xiàn)在儲能站的規(guī)模，單體的儲能站都達到了幾十兆瓦，而電網(wǎng)側(cè)儲能在一個城市里邊可能是幾個不同的儲能站組成一個儲能綜合的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的規(guī)模通常都會達到100兆瓦以上。面向這么大的儲能規(guī)模，都會帶來一些問題，我們看國外的情況，我們看到一些報道，電網(wǎng)側(cè)儲能方面美國和韓國都分別在2019年有一些電力儲能系統(tǒng)的事故發(fā)生爆炸火災的一些事故，當然像這個事故已經(jīng)調(diào)查清楚了，這個事故現(xiàn)在還沒有一個明確的結(jié)論為什么會發(fā)生爆炸。

但是我們?nèi)绻麖膬δ芟到y(tǒng)本身的結(jié)構來看，跟大家報告一下，這是典型的一個電池儲能站里面的電池儲能系統(tǒng)的架構，包括幾部分：第一部分，儲能電池。第二部分，儲能電池的管理系統(tǒng)。由于我們知道，鋰電池的一致性比較差，電池單體串聯(lián)起來組成的一個電池模塊，電池模塊串聯(lián)起來組成電池庫，然后再組成電池堆，形成電池管理系統(tǒng)，來做它的溫度的監(jiān)控、電流的監(jiān)控、均衡等工作，這是一部分，這是電池管理系統(tǒng)。當然包括功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，一般的變換器都叫變換器，儲能領域PCS功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，負責進行電池側(cè)功率的充放或者電網(wǎng)側(cè)削峰填谷。

當然還有一個儲能的監(jiān)控保護系統(tǒng)，可能對上儲能站進行聯(lián)系、進行通訊，對下還要儲能的BMS進行協(xié)調(diào)，這個是控制儲能系統(tǒng)到底是做削峰填谷的工作，還是做黑啟動，還是做二次調(diào)頻等等，都是由高級應用系統(tǒng)來管理的，整個是一個儲能的基本架構。

從“十二五”開始，我們知道在國網(wǎng)張北搞了一系列的儲能電站，里面所有的電池儲能系統(tǒng)基本上都是這樣一個架構，由電池和PCS相連，PCS和電網(wǎng)相連，電網(wǎng)側(cè)儲能最低的電壓等級是10潛伏，PCS這個是比較低的，中間有一個變壓器，是這樣的架構。這種架構比較多的是500千瓦或者630千瓦的接入是比較多的，如果我們面向百兆瓦級的電池儲能，可能就需要大量的500千瓦或者630千瓦功率等級的儲能系統(tǒng)來并聯(lián)，組合成一個大的儲能系統(tǒng)。

這是我們現(xiàn)在要跟大家報告的百兆瓦級的電池儲能系統(tǒng)的方案，剛才跟大家報告電池加上一個PCS，這是一個小的500千瓦或者630千瓦的儲能系統(tǒng)或者叫儲能單元，幾個儲能單元通過一個通訊變壓器把它投運到10千伏或者35千伏的中壓電網(wǎng)上，如果這是一個儲能電站，把它升到更高級的配電網(wǎng)電壓等級，現(xiàn)在江蘇的鎮(zhèn)江包括江蘇的儲能電站大概是這樣的架構。這個架構的優(yōu)勢就是，它的可實現(xiàn)性是比較好的，實現(xiàn)起來比較容易，因為所有的技術都是現(xiàn)成的，但是也會有一些問題，它的問題包括，首先就是它的BMS模式比較復雜，我們知道電池鋰電池的電池單體組成電池的模塊，48V的電池模塊或者72V的電池模塊，電池模塊再組成一個電池單元，電池單元再并聯(lián)起來做成一個電池簇，給一個500千瓦時的或者630千瓦時的電池簇，由于電池單體的一致性相對不是非常好，就會導致在電池簇里邊，即便這個電池簇沒有進行并網(wǎng)的工作，沒有充電或者放電，我們在南網(wǎng)可以通過監(jiān)控系統(tǒng)能夠看到，在這個電池簇里面不同的電池單元中間會發(fā)生緩慢的充放電的環(huán)流產(chǎn)生，充滿和沒有充滿的單元靜止的狀態(tài)就會有環(huán)流產(chǎn)生，這是在電池簇里面。

第二個，在電池單元里面，如果模塊和模塊之間不均衡，要在電池管理系統(tǒng)BMS要有一些均衡的手段，把一個模塊里面多余的，比如這個模塊90%，而這個模塊如果80%的話，可能要把上面這個模塊里通過電力電阻到下一個模塊，本身就會造成一部分功率損耗。另外還有，目前我們可以看到的儲能系統(tǒng)里邊電池簇的輸出電壓，通常都不會超過1500V，一般來說都是在1000V以下，而1000V以下的電池簇，如果要和電網(wǎng)接口的話，要經(jīng)過一個PCS功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，直流變成交流并網(wǎng)，而這個轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如果電力電子比較熟的人都知道，逆變器通常都是降，就是直流電壓是1000V的時候交流電壓限電壓峰值肯定是低于1000V的。這個時候如果我們通過PCS要并網(wǎng)，肯定要并一個低壓電網(wǎng)，如果想并一個10千伏的，如果我們想并到這樣的電壓等級就要一個功率變壓器，這樣的方案損耗是相對比較大的。這是現(xiàn)在比較成熟的儲能方案，大概有這樣一些問題。

第一個問題，現(xiàn)在的儲能站里邊是由低壓的1000V以下的電池，通過PCS并到一個低壓電網(wǎng)，低壓電網(wǎng)通過變壓器升級，采用多級變壓器升壓效率比較低，我們做電力電子變換器設計的時候，我們只講效率，就是說有97%的損耗效率就有3%的損耗，如果做儲能的話我們充多少電，比如充一度電能放多少，這個時候就要6%損耗在變壓器上，現(xiàn)在PCS大概可以做到98%的效率，大概有4個點的損耗。所以說加起來效率是比較低的。

另外，系統(tǒng)結(jié)構有些復雜，我們在協(xié)調(diào)控制的時候就會比較困難，因為它是一個多級的升壓并網(wǎng)的結(jié)構，每一臺儲能大概只有500千瓦/630千瓦時，有一大堆的儲能單元并聯(lián)組成，相互之間有一些困難，甚至還會發(fā)生一些諧振的現(xiàn)象。同時又一個多層的監(jiān)控系統(tǒng)，響應速度相對比較慢，比如說現(xiàn)在鎮(zhèn)江的儲能系統(tǒng)為什么只能做削峰填谷，而不能做到二次調(diào)頻，就是因為響應速度相對比較慢，大概是秒級的響應速度。由于采用了比較大型的電池堆，我們剛才強調(diào)電池單元大概是500千瓦/630千瓦時，如果在1000V以下的直流電壓等級，通常找不到單體電池比如說500安時，小的電池100安時或者150安時的電池來并聯(lián)，這個時候如果并聯(lián)這個電池堆里面就會有很多并聯(lián)的電池，由于電池一致性比較高電池環(huán)流就會比較差，就會降低能量轉(zhuǎn)換的效率。

這里給大家報告一個高壓組網(wǎng)，面向百兆瓦級電池儲能可能是一種可以選擇的技術路徑，高壓組網(wǎng)，高壓組網(wǎng)方案啊是什么樣子的呢？我們這個電池如果組成電池簇的話，在座有好多液流電池的，我們對液流電池不太熟悉，但是鋰電池是不太適合電池并聯(lián)的，在很多工程里面都發(fā)現(xiàn)有一個環(huán)流，這個環(huán)流其實還是挺大的，這個環(huán)流會影響電池的一致性。所以現(xiàn)在如果我們不并聯(lián)的話，我們這個電池簇的容量可能就沒有辦法達到很大的容量，比如說如果我們用15安時的電池單體串聯(lián)成800V左右的電池簇，這個電池簇的容量其實不會太大，這個沒有關系。如果我們把這樣一個電池簇，通過一個H橋的模塊，把直流變成交流，H橋模塊是一個降壓型的模塊，直流電壓比交流電壓顯然是比較低的，如果我們把N個相同的模塊串聯(lián)起來的話，就可以形成一個高壓的電壓等級。如果用這樣的方法大家可以看到，這是一個電池簇，這個電池簇的容量不太大，100千瓦或者150千瓦，但是我通過電力電子的方法，把這樣一個小容量、小功率的電池簇我，輸出的電壓也比較低，可能800V到1000V的電壓，把它變成五六百V的交流電壓，如果把交流電壓串起來就可以串成比較高的電壓，會帶來什么好處呢？第一個，我在交流端口上不再需要一個供應鏈就可以直接接入10千伏或者35千伏的電網(wǎng)，顯然我就可以省去功率電壓器的損耗，我們知道功率變流器的效率98.5%，有三點的損耗。第二個，有什么樣的好處呢？當我們用這樣的架構的時候BMS就可以簡化，因為本來我們比如要做一個大的儲能系統(tǒng)，這樣一個大的電池簇，一簇一簇的電池簇要并聯(lián)起來，形成大的電池簇。如果我們把每個電池簇都通過一個變流器連接到電網(wǎng)的時候，簇與簇之間如果人為的調(diào)荷電的均衡的時候，我們不再需要額外的BMS電池管理系統(tǒng)，完全可以通過我們的電力電子來實現(xiàn)。所以說BMS的成本就可以省，同時BMS的效率也可以提高。

另外，這種方法比較適合于拿低壓的電池接入一個中壓的電網(wǎng)，當一個第一電池接入中壓電網(wǎng)的時候我們就不再需要花很多的時候去思考如何把這個電池電壓提高，因為電池電壓提高其實，一個是我們提高BMS的均衡，一個是提高電池本身的一致性。同時，整個系統(tǒng)是由于變壓器對不同的電池簇進行分割管控。大概提出這樣一種面對超大容量的電池儲能系統(tǒng)，通過H橋直流形成中壓并網(wǎng)的方案。

下面我跟大家報告一下叫做模塊化的儲能系統(tǒng)，這個儲能系統(tǒng)的基本原理還蠻簡單的，上面的三條線是中亞的電網(wǎng)，10千伏或者35千伏的電網(wǎng)，這個電壓左邊這樣三個電源是交流的電，我們在底下是每個電池簇通過H橋變成交流，串聯(lián)起來變成高壓的交流，這個由于電池產(chǎn)生的交流電壓跟電網(wǎng)之間的電壓之間有一個差別，這個左邊是電網(wǎng)的電壓，這個右邊是電池產(chǎn)生的電壓，如果我們可以控制H橋輸出的電壓的值的話，就可以控制電網(wǎng)側(cè)電流的值，當電感電流動率密度是一致的，這個時候很顯然就可以做到等于1的充電或者放電。如果它是垂直的，電流下角、電壓下角是垂直的，就可以實現(xiàn)無功的調(diào)壓功能，這是他一個基本的控制方法?？偨Y(jié)下來就是，通過電壓的出口電壓控制網(wǎng)側(cè)電流，實現(xiàn)對電池組的充放電。通過功率解耦控制算法控制鏈式電路出口電壓，該電壓為各H橋電壓之和。為實現(xiàn)電池組的SOC均衡，各H橋電壓不相等。通過這樣一個電路我們可以實現(xiàn)模塊與模塊之間的電池的荷聯(lián)狀態(tài)的均衡。

下面報告一下儲能系統(tǒng)電梯容量設計的邊界，我們認為，如果我們把電網(wǎng)側(cè)儲能用這個方法來做的話，有很多好處，比如效率可以提高，電池簇與電池簇之間的均衡以及管理很多工作可以由功率轉(zhuǎn)化系統(tǒng)來做，所以安全性可能會提高，BMS的成本會降低、效率會提高。在這個情況下我們來分析一下，它最大的容量，如果按照現(xiàn)有的1000V—1500V電池串聯(lián)起來電壓大概的水平，按照我們商用的能找到的IGBT模塊器件功率變化等級，按照儲能系統(tǒng)要求的限制，跟大家報告一下，縱軸是最高的可以實現(xiàn)的容量，橫軸是按照安全性設計，電池系統(tǒng)的技術限制，我們可以看到，如果按照器件水平的限制，如果接入35千瓦，用一個變流器可以實現(xiàn)103兆瓦的變流器儲能系統(tǒng)的功率。如果我們考慮電池系統(tǒng)的限制，電池電壓不能太高，如果我們用550安時的電流倍率的電池來串聯(lián)，而不是并聯(lián)的時候，我們可以計算得到電池儲能系統(tǒng)最大96兆瓦。如果再考慮一下安全邊界，比如冗余的設計，比如成本的控制，可以做到32兆瓦。這一條簇取一個最低的32兆瓦，理論上推導得到一個比較安全的35千伏接入的一個單體的儲能系統(tǒng)最大能量的邊界。

當我們這個變流器用這個變流器來做的話，一個百兆瓦級的系統(tǒng)，主要的不同，我們可以明顯的看到這個架構比較簡單，首先變壓器減少了，不再有一個比如400V到350千伏，在這個系統(tǒng)里面只有35千伏到220千伏的變壓器。第二，在35千伏以下的電壓等級下面，這是一個儲能的變流器，變流器的各數(shù)減少了，就會帶來很多好處，當它的個數(shù)減少系統(tǒng)分層就會比較少，信息傳遞的延時就會減少，儲能系統(tǒng)的響應速度相對比較快。同時變流器與變流器之間控制的模型耦合，也不太容易發(fā)生系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，因為它沒有400V的母線，也沒有熱電耦合的情況。

如果我們用適合高壓的方案，就是電池儲能系統(tǒng)方案的時候，它的電池管理系統(tǒng)的架構可以看到，這個架構跟剛才的架構相比就比較簡單，這是一個電池單元內(nèi)部的BMS來做模塊與模塊之間的均衡，單元和單元之間完全可以靠我們的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)去做一個主動的均衡，而不再需要電池管理系統(tǒng)來做均衡，這個時候可以大幅度的減少電池管理系統(tǒng)的結(jié)構，減少它的成本，同時提高電池管理系統(tǒng)的效率，因為很多工作都是由可以由功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來做的。

我們大概還進行一些分享，現(xiàn)在也有一些配電網(wǎng)，不是交流的配電網(wǎng)，是中壓直流的配電網(wǎng)，這個儲能系統(tǒng)剛才給大家報告可以看到，如果是一個中壓電網(wǎng)的時候報告了這樣一個H橋極聯(lián)的架構，這是一個并聯(lián)系統(tǒng)，如果稍許做一些改變，如果這兩個并聯(lián)系統(tǒng)直流側(cè)伸出來之后，等于說把每個H橋極聯(lián)系統(tǒng)的終點，可以比較容易的把它形成公共的直流母線，就是說把它做成一個適合直流配電網(wǎng)應用的儲能系統(tǒng)，這個儲能系統(tǒng)跟單純接入交流電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)相比，你可以認為兩個系統(tǒng)等效并聯(lián)就可以實現(xiàn)直流配電網(wǎng)應用的儲能系統(tǒng)，也可以把每一個原來的電力系統(tǒng)砍成兩半，每一半接到上一個，也可以接入配電網(wǎng)。

剛才跟大家報告了，如果我們把兩個鏈式變換器把它等效的并聯(lián)到交流電網(wǎng)上，同時在每一個變換器的終點置入直流電壓，如果在終點處的電壓是共荷電壓，是50赫茲的，是可以用來做三相荷聯(lián)均衡的控制，如果我們注入直流，顯然不具備荷電電壓均衡控制的能力，這個上面注入一個正值的電壓，下面注入一個負極的電壓，就可以形成公共的直流母線接入配電網(wǎng)，跟獨立的基于MMC—PCS的系統(tǒng)相比，更形成一個兼具儲能功能的柔直的系統(tǒng)。

下面報告一下百兆瓦級的儲能系統(tǒng)的運行與控制。這是一個極聯(lián)儲能系統(tǒng)的控制框架，最主要的控制包括三部分：第一部分，功率解耦控制，就是我們剛才講的那個鏈路的平均模型，這里面就是涉及到我們把鏈路作為一個整體，從電網(wǎng)側(cè)來看，它只要控制自己的交流輸出電壓，跟中壓電網(wǎng)電壓插入一個強度，就可以控制電網(wǎng)。另外有兩個專門的控制，第二個，相間均衡控制。第三，相內(nèi)均衡控制。相間均衡控制，就是因為我們H橋的系統(tǒng)是三相的，如果某一項跟其他兩項帶來的荷電不太均衡的時候，我們可以用相間控制的策略，通過我們電池功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來做相與相之間電池的荷電電壓均衡。怎么做呢？主要在終點注入一個連續(xù)的交流電壓，當我們注入一個連續(xù)的交流電壓的時候，就可以做到人為的去調(diào)節(jié)某一項的吸收或者發(fā)出的有功功率，跟其他兩項功率不一致。還有相內(nèi)的均衡控制，每一項可能都是鏈接組成，這個控制起來相對更加簡單，只要控制每一項不同的電壓的值，就可以控制相的均衡。

這是具體內(nèi)部的交流測功率控制電壓，這就是相間均衡控制，可以看到，本來三相的H橋鏈路輸出的電壓應該是相同的，就是終點電壓是0。如果我們通過注入連續(xù)，等于人為的調(diào)整了終點電源，讓終點電源發(fā)生了偏移，這個時候可以看到，三相電壓鐘點偏移之后，很顯然三相每一相的電源吸收或者發(fā)出的功率就已經(jīng)是不一致了。

另外我們剛才講H橋電流很多好處，效率會提升，PCS人為的控制荷電壓的均衡，BMS可以簡化，同時BMS成本可以降低。當然還是有一些壞處的，最主要的缺陷，如果我們用鏈式電路做儲能的話，H橋與H橋之間要做嚴格的電氣學，H橋之間還有一個，在這里給大家報告一個共模電流的路徑和聯(lián)系方法，時間關系不多做報告了。

下面給大家報告實驗驗證，我們做了額定功率40千瓦、交流電壓380V，每相H橋數(shù)20、電池模組24V/10安時，控制周期50us、開關頻率1K。我們做了一個儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)參數(shù)是交流電壓接入380V電壓，電池的電壓是24V，最終我們形成了這樣一個儲能系統(tǒng)小的量級，這是電池柜，這是PCS柜，這是交流電源，這是監(jiān)控系統(tǒng)。有一些實驗的波形，驗證了我們的電路是可靠的。

我們基于這樣的思路在南網(wǎng)做了一個工程示范，技術架構跟剛才介紹的架構是一樣的，這個示范樣機在10千伏效率，接入10千伏電網(wǎng)一共是2兆瓦電池、2兆瓦時的儲能系統(tǒng)，可以看到PCS效率高于98%，就是說PCS本身的效率是高于我們傳統(tǒng)抵押的PCS效率，同時沒有變壓器損耗的，就是說實際上抵押的PCS+變壓器跟這個相比，我們現(xiàn)在報告的架構大概會有2個點的效率提升，這是南網(wǎng)是首個電網(wǎng)級的儲能系統(tǒng)。時間關系，我們還做了35千伏的設計，這個就不跟大家報告了。

謝謝大家?。ㄒ陨蟽?nèi)容根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審核）