2024光储端信|| 重庆大学潘建宇：基于SiC的新一代储能变流器拓扑和装备技术

数字储能网讯 ： 4 月 27-28 日，由中国化学与物理电源行业协会主办的中国光储端信协同发展大会在重庆国际博览中心召开。

此次大会以“ 协同创新 融合发展 ”为主题，设置开幕式暨碳达峰高峰论坛、工商业储能与车网互联专场、光储氢协同发展专场、储能系统集成与智能安全预警系统专场、人工智能与碳足迹专场五个专场论坛。

来自行业主管机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的 300 余家产业链供应链企业参加了本次大会对话与交流。

中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国储能网与数字储能网联合承办，中国化学与物理电源行业协会储能应用分会专家委员会提供学术支持。

4 月 28 日下午， 重庆大学电气工程学院 / 国家储能技术产教融合创新平台教授潘建宇 受邀在储能系统集成与智能安全预警系统专场分享主题报告，报告题目《 基于 SiC 的新一代储能变流器拓扑和装备技术 》。以下为报告主要内容：

潘建宇 ：最后一个报告由我本人为大家带来《基于 SiC 期间的新型储能变流拓朴和装备技术》。

前面各位专家都做了非常精彩的报告，从系统运维、传感检测、行业规范、 BMS 管理等做了详细阐述，我为大家带来的是储能系统功率管控部分，也就是储能变流器——基于 SiC 的新型储能变流拓朴和装备技术。我们前面讲了很多锂电池、钠电池，目前重庆想推进的是以镁基材料为主的新型储能技术，解决传统储能材料本征安全问题，提出用镁材料做储能介质，实现大规模应用。

我的报告分为四个内容，第一是简单介绍一下储能变流器的现状和问题，第二和第三是围绕储能变流器拓朴控制和新型装备技术，第四是之前做的一些成果应用案例。

刚才各位专家教授都讲了很多，我们储能变流器在储能系统里承担的作用就是连接储能电池系统和电网的双向电能可控设备，本身储能介质本身是不能实现新能源消纳或者电网调控，主要是通过储能变流器进行功率管控实现这个功能，最后支撑新型高效清洁电网构建。这个展示的是储能变流器在实际中的应用，右边是实物的装置示意图，储能变流器就是实现电池、电网以及负载的能量流管控的部分。由于它进行大功率流管控，会直接决定了效率和安全。

储能变流器不仅面向于电网大规模应用，还有新型的储能介质和方式，就像飞轮储能，飞轮储能要把储能用在电网里面，中间需要进行 DC/AC 和 AC/DC 变换。我们看到很多新能源汽车非常普及了，针对大型机械、电力重卡对储能变流器的应用也开始慢慢在普及。还有就是在飞机电气化领域，最近提的比较火的就像低空经济，里面涉及到核心的动力部分就是电气化推进系统。这个系统就涉及到储能和电机中间通过储能变流器怎么实现高效电推进的控制。这个展示的是飞机上的应用。现有的飞机电压等级是 200-300V 左右。未来随着功率提升，电压也会逐渐提升。这是空客、西门子、劳斯莱斯正在联合研制的高压电推进系统实例，航空电推进系统最高电压已达到了 3000V ，

未来发展对储能变流器的高效率、高安全性、轻量化、小型化要求越来越高，大家可以看到现在的储能变流器不仅是储能和电网的交互，还有怎么更好消纳新能源，怎么更好和不同的附载匹配。这里面涉及到三个问题，一是多元多端口怎么灵活接入和组网，二是新能源和储能对电网带来很多冲击，传统的控制以跟网型为主，怎么实现构网型控制，提升对电网更强的支撑能力。三是因为周围涉及到的设备和环境更复杂，怎么实现故障快速隔离和智能化控制。

在整个设备层，在电网层可能不需要考虑太多小型化问题，但是在新型的飞机、大型的船舰电力驱动上，对高效率、高安全性、轻量化、小型化的要求越来越迫切。小型化特点对现在大规模储能有很大的好处，对占地面积要求高的城市端的应用会带来更大灵活性。我们调研了市场上的十来家主要的储能企业，大家会发现现有的储能变流器主要以两 / 三电平的拓朴为主，适用 600-1500V 的电压等级，但是普遍存在的问题是体积大、电网支撑能力弱、性能提升达到瓶颈等。

现在储能系统和风光电站向着更大的容量发展，一个发展趋势是推直流高压，通过让系统电压等级更高，从而实现节能增效和性能提高。这里面显示了以往储能 PCS 发展的路径，第一代储能产品以 600-1000V 为主，第二代是现在主流的 1500V ，也就是现有各个厂商实现的，未来两三年之后，它会向什么样的电压等级去发展呢？虽然更高电压会带来更大容量，电压高了之后同样的容量，损耗更好，效率更高，但也意味着大电压带来电磁热冲击问题更大。阳光电源等开发 2000V 新一代 PCS 装备，我们国家也开始围绕这一块想推出 2000V 及以上的设计和应用。通过提高电压等级，建一个 100GW 的储能电站，投资成本可以减少 120 亿元，从成本经济性上来说也有很好的空间。

此外，随着技术的发展，现在市场上出现了新型 SiC 宽禁带器件逐渐替代传统 Si 器件，具有显著的节能增效、降低体积、提升性能的前景，有望实现更高性能的储能变流器装备。

围绕储能变流器三个核心的目标，更高效、更安全、更小型化。实现这三个目标有三个核心难点问题：一是现有的中高压、大容量 PCS 拓朴怎么构建，对应拓朴的高效控制方法怎么实现？二是针对更大电压和功率电磁下热力问题突出，怎么实现高效安全的设计理论？三是如何使用新的 SiC 器件，实现安全效率最大化提升。

我们课题组做的工作，从几个方面探究新一代中高压变流技术。一是中高压高效拓扑理论和高品质能流控制，二是 SiC 器件驱动和模组系统，三是多维协同装备高效安全设计。

首先是在新型储能变流拓朴方面我们提出了一种新的拓扑结果。左边是典型的储能变流器的拓朴，右边我们提出了新的四电平混合式变换器，结合了传统的三电平 NPC 和飞跨电容拓扑优势，能够把原来的两电平、三电平提升到四电平。它的优势是相同的器件他具有更高的电压等级，意味着更大的容量。二是开关状态多，控制自由度高。三是谐波小，开关频率更低，系统效率更高。

这是一个系统拓朴图，除了对比两电平和三电平的拓朴，也对比了四电平和五电平的拓朴结构，右边这个表显示出来，对比这种不同的拓朴，我们所提的 HCC 器件数是最小的，能够减少将近 40% 的器件。更少的器件从成本来说会有更低的价格，同时能够让整个体积做得更小。控制自由率更高了之后，能更好发挥器件优势，让整个动态稳态性能更好。

这种拓朴内部带有四个电容，理论上要稳定在额定电压值，但是在不同工况会造成电压波动，输出电压电流会发生畸变，导致整个系统无法正常安全运行。二是如何与新型 SiC 器件结合。通过分析内部的功率、电压、电流特性，我们提出了基于共模注入的多目标协同优化调控方法和基于 SiC 的容量最小化算法，显著提升功率品质，比常规同类变换器减低 80% 电容大小，特别适用于 2000-3000V 高性能储能 PCS 的构建。

刚才讲的是围绕交流电网的应用，但是随着电网的发展，很多场景都在构建直流电网。直流电网的好处，对比交流来说，省去了中间直流变交流再变直流的环节，我可以直接用储能单元通过直流变换器来给负载直接供电。我们针对直流变换器提出一种新的拓扑结果，好处是高调控性能、多端口接入，高功率、小型化的优势。但是现在直流变压器有几个典型的特征：一是每一级中间都有隔离变压器，导致绝缘设计很难。二是以方波的形式传送，三是系统体积庞大，目前我们国内外构建的功率密度来说，基本上小于 0.3 兆瓦每立方米。左边是我们所提的 MMC-H 直流固态变压器拓朴，一种集中式的变压器设计。它有三个特点：一是高度模块化，左边是一个一个模块，中间只需要单个的隔离变压器，变压器数量远远小于传统 DAB 级联型结构。二是调制度更高，可以方波、正弦、梯形等多样化调制，三是有更高密度潜力。

因为这是一种新型拓朴，它的功率传输特性是什么，怎么样有效控制，这些都是未知的。我们构建了一个非常准确的功率传输模型，提出了基于这种拓朴非常高效的控制方法。在这种控制方法下，能有效减小在不同工况下的传输电流，特别是轻载下传输电流应力能减低 40% 。我们以实际控制和虚拟主电路，实现储能变流器真实环境的模拟，通过这个虚实结构仿真模拟我们验证了前面提出的控制方法是非常有效的。

第二部分是基于 SiC 的新型储能变流器装备技术，从实物装置层的实现。目前 SiC 器件用的领域已经非常多了，但是电压主要在 1000V 以下，功率 200 千瓦以下，针对 200 千瓦以上的设计理论还非常欠缺。我们首先针对储能 PCS 拓朴是由一对一对器件组成，所以我们进行了以一对器件为基础的功率模组的设计。如果把模组设计好，通过串并联很容易实现整体装备的设计。我们提出了具有 10 千伏隔离能力的驱动和模组的设计方法，用的是 1.7 千伏 /300 安的 SiC 器件。现在市场能买到可用的就是 1.2 千伏和 1.7 千伏这两个等级，所以 1.7 千伏是最大的电压等级。针对这个电压等级开发了高可靠 SiC 的模组具有广泛的适用性，同时我们实现了过流保护时间小于 1.2 微秒。

通过设计的模组、拓朴以及很多融合的技术，比如分布式电容的技术，我们能够在最小的空间里实现大容量典型的 PCS 的应用，以 3 千伏 /500 千伏安等级为例，右边是单相的样机。从拓朴到单相集成，后面是三相设计的示意图，目前我们电压已经推到 3 千伏，功率目前做到 60-70% 。

我们做这个带来的好处是什么？我们与国内现有储能 PCS 产品进行对标，效率都做得比较高达到了 99% ，功率密度都在 0.45-0.38MW/m3 之间。我们现在提出拓朴以及基于 SiC 的设计方案，理论上电压提高到 2-3 千伏，功率密度实现 1.5-2 兆瓦左右，效率提高 99.3% ，而且可以自适应的频率控制。效率上，我们在原来基础上进一步提升 99.3% ，最显著是体积和重量上有望降低到原来的 60-80% ，我们还考虑了针对现在船建、飞机等宽频的 1000 赫兹的应用。

在成果案例方面，我们进行了 SiC 型中高压电机驱动装备的研究。这个不是用在储能变换器上，而是用在高速电机上。对标现有传统的变频器装备，我们实现了在功率密度上比原来提高了 3 倍以上，效率达到 99.4% ，重量、体积都有显著的改善。我们从实验室做完这个工作之后，东芝非常感兴趣，后面持续跟进，后面针对北美市场 4.16 千伏做了全 SiC 背靠背电机驱动样机。

最后是总结部分：新型储能系统对于储能变流器提出了越来越高的要求，储能变流器从传统电网走向更多领域。现在储能变流器向更大容量、更高电压、更高控制性能、高小体积去发展，我们提出了一种新型的 HCC 型储能变流器拓扑和控制技术，以及全 SiC 高效装备集成技术。未来大容量的储能 PCS 怎么构建，让它效率更高、安全性更好、体积更小，这需要各个同行以及各位专家一起共同持续努力来实现。