什么是儲(chǔ)能系統(tǒng)？

能量存儲(chǔ)是收集產(chǎn)生的能量，以供以后存儲(chǔ)和使用。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于創(chuàng)建獨(dú)立于公用事業(yè)的太陽(yáng)能家庭或企業(yè)（稱(chēng)為住宅或商業(yè)ESS），被稱(chēng)為“電表背后”。相反，公用事業(yè)規(guī)模的ESS被稱(chēng)為“電表之前”，用于在需求量大的時(shí)期補(bǔ)充發(fā)電量。兩種情況都利用采用不同架構(gòu)，拓?fù)浜凸β拾雽?dǎo)體技術(shù)的雙向功率轉(zhuǎn)換器。

住宅太陽(yáng)能裝置中的ESS

住宅太陽(yáng)能系統(tǒng)通過(guò)逆變器與公用電網(wǎng)相連，逆變器可在日照時(shí)間將太陽(yáng)能電池板的功率轉(zhuǎn)換為交流電。多余的電力可以賣(mài)給公用事業(yè)公司，但是在黑暗的時(shí)刻，最終用戶(hù)仍必須依靠公用事業(yè)來(lái)提供電力。公用事業(yè)公司已經(jīng)能夠通過(guò)調(diào)整其定價(jià)模型來(lái)利用這些限制，從而將住宅用戶(hù)轉(zhuǎn)移到“使用時(shí)間”費(fèi)率，從而在沒(méi)有太陽(yáng)能可用時(shí)收取更多的費(fèi)用。將ESS添加到系統(tǒng)中，使用戶(hù)可以通過(guò)所謂的“峰值剃須”來(lái)解決此問(wèn)題并保護(hù)自己免受高昂的能源成本，將太陽(yáng)能電池板收集的電量存儲(chǔ)在電池中，以隨時(shí)滿(mǎn)足其電力需求。

電池技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了鋰離子（Li-ion）電池組的生產(chǎn)，其單位質(zhì)量和單位體積的電荷存儲(chǔ)量比舊技術(shù)的鉛酸電池要高得多。結(jié)合有效的雙向電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它們可以用于創(chuàng)建3至12千瓦范圍內(nèi)的緊湊型壁掛式ESS裝置，能夠?yàn)榉课萏峁?4小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的供電。但是，盡管鋰離子電池具有能量密度方面的優(yōu)勢(shì)，但它們?nèi)跃哂幸恍┤秉c(diǎn)，特別是在安全性方面，包括過(guò)熱或在高壓下?lián)p壞的趨勢(shì)。需要使用安全機(jī)制來(lái)限制電壓和內(nèi)部壓力。由于老化，存儲(chǔ)容量也會(huì)下降，從而導(dǎo)致在運(yùn)行數(shù)年后最終出現(xiàn)故障。因此，

與太陽(yáng)能逆變器不同，ESS必須在兩種需要雙向轉(zhuǎn)換的不同模式下運(yùn)行：

充電模式，當(dāng)電池正在充電時(shí)

備用模式，當(dāng)電池為連接的負(fù)載供電時(shí)。

結(jié)合太陽(yáng)能電池板的住宅ESS分為DC或AC耦合系統(tǒng)。在直流耦合系統(tǒng)中，單個(gè)混合逆變器在公共直流總線(xiàn)上結(jié)合了雙向電池轉(zhuǎn)換器和DC-DC太陽(yáng)能MPPT級(jí)的輸出，然后為并網(wǎng)逆變器級(jí)供電。但是，交流耦合系統(tǒng)（有時(shí)稱(chēng)為“交流電池”）變得越來(lái)越流行，因?yàn)檫@種類(lèi)型的ESS可以很容易地改裝到原來(lái)沒(méi)有配備儲(chǔ)能裝置的現(xiàn)有太陽(yáng)能設(shè)備中，因?yàn)榻涣黢詈螮SS直接與太陽(yáng)能電池相連。網(wǎng)格。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠輕松并行提供更大的電源能力和存儲(chǔ)容量。

住宅ESS電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

圖1：住宅儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本框圖

上圖概述了基于48V鋰離子電池組的交流耦合系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)通常安裝在壁掛式機(jī)箱中。電池組包括一個(gè)集成的電子電池管理系統(tǒng)（BMS），用于管理單個(gè)電池的充電狀態(tài)（SOC），這些電池的額定狀態(tài)通常為標(biāo)稱(chēng)的3.2V。通過(guò)防止在過(guò)度充電或充電不足的狀態(tài)下運(yùn)行，電池劣化得以最小化。BMS包含專(zhuān)門(mén)的控制IC和基于溝槽技術(shù)的低壓MOSFET開(kāi)關(guān)，例如英飛凌的OptiMOSTM或StrongIRFET?系列，通常在80至100V的范圍內(nèi)。

在此示例中，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分為三個(gè)階段，每個(gè)階段都基于有源功率開(kāi)關(guān)而不是二極管來(lái)支持雙向功率轉(zhuǎn)換。有幾種可能的拓?fù)洌渲性S多是基本H橋的變體。下圖顯示了結(jié)合兩個(gè)并行功率轉(zhuǎn)換級(jí)以共享功率傳輸?shù)耐負(fù)洌?/p>

圖2：住宅ESS的可能的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

階段1：第一階段將電池電壓（通常為48 V）轉(zhuǎn)換為高頻AC，以通過(guò)變壓器升壓。在此示例中，選擇了一個(gè)諧振拓?fù)湟栽趥溆媚Ｊ较乱粤汶妷洪_(kāi)關(guān)工作，以通過(guò)盡可能避免開(kāi)關(guān)損耗來(lái)最大程度地提高效率。在充電模式下，該級(jí)用作同步整流器。

該級(jí)在低電壓和高電流下切換，非常適合具有非常低RDS（ON）的60 V溝槽MOSFET器件，例如Infineon的OptiMOSTM系列。這樣的設(shè)備可以并聯(lián)連接。具有出色散熱能力和極低寄生封裝電感的封裝（例如DirectFETTM）是理想的選擇。

階段2：第二階段在高電壓和相對(duì)低的電流下運(yùn)行，當(dāng)ESS在備用模式下供電時(shí)執(zhí)行同步整流功能，并在充電模式下將高壓DC轉(zhuǎn)換為高頻AC以通過(guò)變壓器降壓。

由于總線(xiàn)電壓通常在400至500 V之間，因此此階段將需要600-650 V的開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)能夠以盡可能低的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗在高頻下開(kāi)關(guān)。寬帶隙碳化硅（SiC）溝槽MOSFET具有比硅超結(jié)（SJ）器件更高的優(yōu)勢(shì)，這使得在幾千瓦及以上的功率水平下實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率成為可能。較高的臨界擊穿場(chǎng)允許維持給定的電壓額定值，同時(shí)減小了器件的厚度，從而降低了導(dǎo)通電阻。

英飛凌CoolSiC?MOSFET 650 V產(chǎn)品系列提供的RDS（on）低至27mΩ。較高的熱導(dǎo)率對(duì)應(yīng)較高的電流密度，而較寬的帶隙導(dǎo)致高溫下的泄漏電流較低。從25°C到100°C的RDS（on）乘積系數(shù)對(duì)于CoolMOS?為1.67，對(duì)于CoolSiC?為1.13。這意味著，為了具有相同的導(dǎo)通損耗（