一文搞懂住宅和商業(yè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

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越來(lái)越多的國(guó)家和企業(yè)宣布了實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。2021年全球可再生能源裝機(jī)容量達(dá)1600GW，展現(xiàn)了驚人的增長(zhǎng)率。然而，清潔能源的產(chǎn)生在某種程度上具有局限性，與傳統(tǒng)能源不同，它們是動(dòng)態(tài)的和不穩(wěn)定的。例如，太陽(yáng)能逆變器的輸出功率很大程度上取決于陽(yáng)光，而這是我們無(wú)法控制的。在惡劣天氣下，電網(wǎng)壓力增大，能源需求增加，這種不可控的能源可能無(wú)法幫助解決電網(wǎng)壓力問(wèn)題。因此，在實(shí)現(xiàn)凈零排放的過(guò)程中不應(yīng)忽視儲(chǔ)能。 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)

目前有四種類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)——電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能。抽水蓄能水電 (PSH) 仍然是發(fā)展最成熟的機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)，覆蓋了全球 90% 以上的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能容量。但是，此類(lèi)巨型設(shè)施的安裝對(duì)地理方面的要求非常高。

根據(jù) MarketsandMarkets 的市場(chǎng)研究，全球電池儲(chǔ)能系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2022年的44億美元增長(zhǎng)到2027的151億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 27.9%。鋰離子電池占據(jù)了該市場(chǎng)約 86% 的份額。

全球可再生能源裝機(jī)容量

鋰離子電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中最為人所知的一種類(lèi)型，具有高功率/高能量密度、高往返效率，而且占地面積小、擴(kuò)展靈活。鋰離子電池是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，經(jīng)過(guò)三十多年的商業(yè)發(fā)展，已成為一種可靠且低成本的解決方案?？梢哉f(shuō)，鋰離子電池成本的持續(xù)下降正在有力加速儲(chǔ)能的發(fā)展。

帶有蓄電池的并網(wǎng)/離網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)為住宅和商業(yè)用途帶來(lái)了諸多好處。

• 能源套利 - 儲(chǔ)存能量以供日后使用，這樣可以在電價(jià)變化時(shí)降低電力成本。

• 自產(chǎn)自用 - 通過(guò)存儲(chǔ)白天產(chǎn)生的多余太陽(yáng)能，安裝帶有太陽(yáng)能逆變器的儲(chǔ)能設(shè)備，可以減少或消除對(duì)電網(wǎng)的依賴(lài)。

• 備用電源 - 與 UPS(不間斷電源) 一樣，存儲(chǔ)的電力可用于在輸入電源或主電源出現(xiàn)故障時(shí)為負(fù)載提供應(yīng)急電源。

能源套利

構(gòu)建 BESS 的四個(gè)要素：

• 電池模塊/組 - 電池模塊由電池單元組成，為了建立商業(yè)級(jí)系統(tǒng)，模塊可以集成到機(jī)架/組中以獲得更高的容量。因此，充電/放電電壓取決于電池容量，范圍從 50V到超過(guò) 1000 V。

• 電池管理系統(tǒng)(BMS) - 電池管理系統(tǒng)是一種管理可充電電池的電子系統(tǒng)，例如保護(hù)電池在安全工作范圍內(nèi)運(yùn)行、監(jiān)控狀態(tài)、計(jì)算輔助數(shù)據(jù)報(bào)告數(shù)據(jù)、控制電池所在環(huán)境、對(duì)電池進(jìn)行驗(yàn)證和/或平衡。

• 變流器(PCS) - 變流器是電池組與電網(wǎng)和/或負(fù)載之間連接的電能雙向轉(zhuǎn)換的另一個(gè)重要子系統(tǒng)，它在很大程度上決定了系統(tǒng)成本、尺寸和性能。

• 能源管理系統(tǒng)(EMS) - 能源管理系統(tǒng)是一種基于軟件的計(jì)算機(jī)輔助工具系統(tǒng)供電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商用來(lái)監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化發(fā)電或輸電系統(tǒng)的性能。

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活動(dòng)自公布之日開(kāi)始持續(xù)至2023年9月30日18:00點(diǎn)；

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*安森美保留對(duì)本次活動(dòng)的解釋權(quán)。

應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PCS 是儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，控制雙向功率轉(zhuǎn)換。與其他大功率能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用有著相似的趨勢(shì)，為了匹配電力需求的高增長(zhǎng)率，無(wú)論是住宅還是商業(yè)類(lèi)型，總是期望更高的功率。同時(shí)，更小的尺寸可以顯著降低運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的成本。此外，像碳化硅這樣的寬禁帶半導(dǎo)體元件的大規(guī)模生產(chǎn)可以將系統(tǒng)效率和熱性能提升到一個(gè)新的水平。儲(chǔ)能系統(tǒng)目前分為兩種方式，交流耦合或直流耦合和功率級(jí)。

交流耦合和直流耦合

交流耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，可以添加到現(xiàn)有的太陽(yáng)能/能源發(fā)電系統(tǒng)中。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的升級(jí)，但是，它將涉及額外的電源轉(zhuǎn)換步驟以對(duì)電池進(jìn)行充電/放電，這意味著更多的功率損耗。直流耦合系統(tǒng)，或者我們可以稱(chēng)之為混合(太陽(yáng)能)逆變器，只需要一步功率轉(zhuǎn)換，但必須在一開(kāi)始就進(jìn)行設(shè)計(jì)。

住宅交流耦合ESS（灰塊）

住宅直流耦合ESS（灰塊）

住宅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

住宅變流器要么添加到現(xiàn)有的太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)中，要么與太陽(yáng)能逆變器一起設(shè)計(jì)為混合逆變器。儲(chǔ)存的能量可用于為備用電池充電或?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)和家電充電以節(jié)省成本。

雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器連接在電池組和直流鏈路之間。在安全和用例方面，單相系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓通常小于 600V，而充放電功率不會(huì)超過(guò) 10kW。降壓-升壓是最常見(jiàn)的雙向 DC-DC配置，具有組件少和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。使用兩個(gè)具有良好IF值的并聯(lián)二極管的650VIGBT/MOSFET 足以滿(mǎn)足此雙向系統(tǒng)的需求。

雙向DC-DC的降壓-升壓配置

650V FS4 IGBT 與 co-pack SiC 二極管

特性

• 采用新穎的場(chǎng)截止第4代IGBT和第1.5代SiC肖特基二極管技術(shù)

• 低 Vce(sat)

• 低Eon 和Eoff

• 開(kāi)爾文源

應(yīng)用

• 太陽(yáng)能逆變器

• UPS

• 儲(chǔ)能系統(tǒng)

FGH4L75T65MQDC50是新發(fā)布的 650V FS4 IGBT，集成了 SC 二極管，可為高效應(yīng)用提供出色性能，且導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗低。

在考慮電池安全時(shí)，隔離也是另一個(gè)需要考慮的方面。雙有源橋轉(zhuǎn)換器(DAB)或 CLLC 已成為 EV 和 ESS 領(lǐng)域隔離雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的通用解決方案。采用級(jí)聯(lián)前端降壓-升壓電路，可在電池電壓變化的情況下實(shí)現(xiàn)寬范用的電樂(lè)輸入/輸出，同時(shí)降低無(wú)功功率環(huán)流，擴(kuò)大軟開(kāi)關(guān)區(qū)。

雙有源橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器

功率 MOSFET，N溝道屏蔽柵極 PowerTrench

特性

• 屏蔽柵極MOSFET技術(shù)

• 最大RDS(on)=5.0 mΩ(V_GS=10 V，I_D=97A時(shí))

• Qrr 比其他MOSFET供應(yīng)商低 50%

• 降低開(kāi)關(guān)噪聲/EM

應(yīng)用

• ATX/服務(wù)器/電信電源

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和不間斷電源

• 微型太陽(yáng)能逆變器

三相電源通常被視為商業(yè)用例中常用的供電方式，但如今，這種技術(shù)已變得更加可靠可以用于對(duì)電力需求較高的家庭。為了應(yīng)對(duì)高達(dá) 15kW 的功率，以及可能接近 1000V 的直流鏈路電壓，開(kāi)關(guān)應(yīng)該能夠承受更高的工作電壓和電流。

將650V開(kāi)關(guān)換成 1200V 的系列很容易解決這個(gè)問(wèn)題，也可以考慮三電平對(duì)稱(chēng)降壓升壓。這種三電平配置提供更小的開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)橹挥幸话氲妮敵鲭妷菏┘拥介_(kāi)關(guān)和二極管，這種特性有助于減小電感器和實(shí)現(xiàn)更好的 EMI 性能。然而，組件數(shù)量增加一倍將不可避免地增加物料清單的復(fù)雜性、控制難度和總成本。

對(duì)稱(chēng)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

商用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

商用儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入/輸出功率范圍從 100 kW 到 2MW，這樣的巨型系統(tǒng)通常由幾十 kW 到 100 多 kW 的三相子系統(tǒng)組成。

其中一項(xiàng)重要規(guī)格是最大直流電壓，這取決于現(xiàn)有太陽(yáng)能系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓或電池電壓。商用太陽(yáng)能逆變器常見(jiàn)的直流母線(xiàn)電壓為 1100V 和 1500V，有時(shí)用于公用事業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)。這類(lèi)應(yīng)用的一個(gè)明顯趨勢(shì)是增加直流母線(xiàn)電壓,這有助于降低給定功率的互連電纜成本，因?yàn)殡娏鬏^低。

交流耦合系統(tǒng)在儲(chǔ)能項(xiàng)目中更為常見(jiàn)，因?yàn)樗梢蕴砑拥揭呀?jīng)構(gòu)建的系統(tǒng)中。此外，集中式儲(chǔ)能單元更易于管理和放置。相比之下，直流耦合系統(tǒng)需要更大的空間和更多的成本來(lái)處理分布式電池組。

三電平 I-NPC 是大功率工業(yè)應(yīng)用特別是逆變器中常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，它有 4 個(gè)開(kāi)關(guān)、4 個(gè)反向二極管和 2個(gè)鉗位二極管，擊穿電壓低于實(shí)際直流母線(xiàn)電壓，例如 650 V 開(kāi)關(guān)在 1100 V 系統(tǒng)中就足夠了。

三相I-NPC

兩電平與三電平開(kāi)關(guān)原理

使用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，開(kāi)關(guān)損耗更低。通常，開(kāi)關(guān)損耗與施加到開(kāi)關(guān)和二極管的電壓的二次方成正比。在三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有一半的總輸出電壓被施加到一些開(kāi)關(guān)或一些二極管。其次，升壓電感器中的電流紋波變小。對(duì)于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中總輸出電壓的一半。這使得電流紋波更小，更容易使用更小的電感器進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的電感器設(shè)計(jì)并降低成本。最后，EMI 降低，而傳導(dǎo) EMI 主要與電流紋波有關(guān)。正如剛剛提到的，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了電流紋波，使濾波更容易并產(chǎn)生更低的傳導(dǎo) EMI。同時(shí)，在電磁輻射方面也有好處。

作為升級(jí)版，A-NPC系統(tǒng)提供了更高的性能，因?yàn)閮蓚€(gè)鉗位二極管被兩個(gè)有源開(kāi)關(guān)所取代，在損耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是驅(qū)動(dòng)器配對(duì)和延遲匹配很關(guān)鍵，可以看作是一個(gè)缺點(diǎn)。

三相A-NPC

IGBT 模塊，A型 NPC 1000 V, 800 A

特性

• 采用場(chǎng)截止技術(shù)的超高效溝槽

• 低開(kāi)關(guān)損耗降低了系統(tǒng)功耗

• 高功率密度

• 低電感布局

• 內(nèi)部NTC

應(yīng)用

• 1500V太陽(yáng)能逆變器

• 1500V儲(chǔ)能

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