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安森美儲能系統解決方案介紹

時間：2024-08-29 15:19 瀏覽人數：971

儲能系統BESS簡述

越來越多的國家和企業宣布了實現低碳可持續發展的戰略。2021年全球再生能源裝機容量達1600GW，展現驚人的增長率。然而清潔能源的產生在某種程度上具有局限性，與傳統能源不同，它是動態的和不穩定的。例如，太陽能逆變器的輸出功率很大程度上取決于陽光，而這是我們無法控制的。在惡劣天氣下，電網壓力增大，能源需求增加，這種不可控的能源可能無法解決電網壓力問題。因此，在實現凈零排放的過程中不應忽視儲能。

什么是電池儲能系統？

目前有四種類型的儲能系統：電化學儲能、化學儲能、熱儲能和機械儲能。抽水蓄能水電（PSH）仍然是發展最成熟的機械儲能系統，覆蓋了全球90％以上的電網規模儲能容量。但是，此類巨型設施的安裝對地理方面的要求非常高。

根據MarketsandMarkets的市場研究，全球電池儲能系統市場規模預計將從2022年的44億美元增長到2027的151億美元，復合年增長率為27.9％。鋰離子電池占據了該市場86％的份額。

鋰離子電池作為電化學儲能系統中最為人所知的一種類型，具有高功率、高能量密度、高往返效率，而且占地面積小、擴展靈活。鋰離子電池是一項相對成熟的技術，經過三十多年的商業發展，已成為一種可靠且低成本的解決方案。可以說，鋰離子電池成本的持續下降正在有力加速儲能的發展。

帶有蓄電池的并網／離網太陽能逆變器系統為住宅和商業用途帶來了諸多好處：

能源套利-儲存能量以供日后使用，這樣可以在電價變化時降低電力成本。
自產自用-通過存儲白天產生的多余太陽能，安裝帶有太陽能逆變器的儲能設備，可以減少或消除對電網的依賴。
備用電源-與UPS（不間斷電源）一樣，存儲的電力可用于在輸入電源或主電源出現故障時為負載提供應急電源。

構建BESS的四個要素是什么？

電池模塊／組-電池模塊由電池單元組成，為了建立商業級系統，模塊可以集成到機架／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1000V以上。

電池管理系統（BMS）-電池管理系統是一種管理可充電電池的電子系統，例如保護電池在安全工作范圍內運行、監控狀態、計算輔助數據、報告數據，即對電池狀態進行驗證和平衡。

變流器（PCS）-變流器是電池組與電網或負載之間連接的電能雙向轉換的另一個重要子系統。它在很大程度上決定了系統成本、尺寸和性能。

能源管理系統（EMS）-能源管理系統是一種基于軟件的計算機輔助工具系統，供電網運營商用來監測、控制和優化發電或輸電系統的性能。

了解住宅和商業系統中的儲能系統

PCS是儲能系統的重要組成部分，控制雙向功率轉換。與其他大功率能源基礎設施應用有著相似的趨勢，為了匹配電力需求的高增長率，無論是住宅還是商業類型，總是期望更高的功率。同時，更小的尺寸可以顯著降低運輸和安裝過程中的成本。此外，像碳化硅這樣的寬禁帶半導體元件的大規模生產可以將系統效率和熱性能提升到一個新的水平。

儲能系統目前分為兩種方式：交流耦合和直流耦合。

什么是交流耦合和直流耦合？

交流耦合儲能系統是一個獨立的系統，可以接入到現有的太陽能發電系統中。這是一個簡單的升級，但是，它將涉及額外的電源轉換步驟以對電池進行充電／放電，這意味著更多的功率損耗。直流耦合系統，或者我們可以稱之為混合（太陽能）逆變器，只需要一步功率轉換，但必須在一開始就進行設計。

什么是住宅 BESS ？

住宅變流器要么添加到現有的太陽能逆變器系統中，要么與太陽能逆變器一起設計為混合逆變器。儲存的能量可用于為備用電池充電或為電動汽車和家電充電以節省成本。

雙向DC-DC轉換器連接在電池組和直流鏈路之間。在安全和用例方面，單相系統的母線電壓通常小于600V，而充放電功率不會超過10kW。降壓-升壓是最常見的雙向DC-DC配置，具有組件少和易于控制等優點。使用兩個具有良好IF值的并聯二極管的650V IGBT／MOSFET足以滿足此雙向系統的需求。

FGH4L75T65MQDC50是新發布的650V FS4 IGBT，集成了SiC二極管，可為高效應用提供出色性能，且導通損耗和開關損耗低。

在考慮電池安全時，隔離也是另一個需要考慮的方面。雙有源橋轉換器（DAB）或CLLC已成為EV和ESS領域隔離雙向DC-DC轉換器的通用解決方案。采用級聯前端降壓-升壓電路，可在電池電壓變化的情況下實現寬范圍的電壓輸入／輸出，同時降低無功功率環流，擴大軟開關區。

三相電源通常被視為商業用例中常用的供電方式，現如今，這種技術已變得更加可靠，可以用于對電力需求較高的家庭。為了應對高達15kW的功率，以及可能接近1000V的直流鏈路電壓，開關應該能夠承受更高的工作電壓和電流。

將650V開關換成1200V的規格很容易解決這個問題，或者可以考慮三電平對稱降壓-升壓。這種三電平配置提供更小的開關損耗，因為只有一半的輸出電壓施加到開關和二極管，這種特性有助于減小電感器和實現更好的 EMI 性能。然而，組件數量增加一倍將不可避免地增加物料清單的復雜性、控制難度和總成。

什么是商業 BESS ？

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

其中一項重要規格是最大直流電壓，這取決于現有太陽能系統的母線電壓或電池電壓。商用太陽能逆變器常見的直流母線電壓為1100V和1500V，有時用于公用事業規模的系統。這類應用的一個明顯趨勢是增加直流母線電壓，這有助于降低給定功率的互連電纜成本，因為電流較低。

交流耦合系統在儲能項目中更為常見，因為它可以添加到已經構建的系統中。此外，集中式儲能單元更易于管理和放置。相比之下，直流耦合系統需要更大的空間和更多的成本來處理分布式電池組。

三電平I-NPC是大功率工業應用特別是逆變器中常見的拓撲結構之一，它有4個開關、4個反向二極管和2個鉗位二極管，擊穿電壓低于實際直流母線電壓，例如650V開關在1100V系統中就足夠了。

使用三電平拓撲結構有三個優點。首先，開關損耗更低。通常，開關損耗與施加到開關和二極管的電壓的二次方成正比（開關損耗@ V2switch or diode）。在三電平拓撲結構中，只有一半的總輸出電壓被施加到（一些）開關或（一些）二極管。其次，升壓電感器中的電流紋波變小。對于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓撲結構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行濾波，從而實現更緊湊的電感器設計并降低成本。最后，EMI降低。

而傳導EMI主要與電流紋波有關。正如本段第二點提到的，三電平拓撲結構減少了電流紋波，使濾波更容易并產生更低的傳導EMI。同時，在電磁輻射方面也有好處。

作為升級版，A-NPC系統提供了更高的性能，因為兩個鉗位二極管被兩個有源開關所取代，在損耗方面具有明顯的優勢。但是驅動器配對和延遲匹配很關鍵，可以看作是一個缺點。

使用碳化硅提高效率

單管方案

6-Switch是大功率工業應用的另一種選擇，它是一種兩電平拓撲結構，開關數量有限，易于控制，但EMI性能差，開關損耗高。

使用碳化硅解決方案后，下一代寬禁帶半導體材料可以顯著改善性能問題。碳化硅在帶能量、擊穿場、熱導率等幾個參數方面具有優越的特性。這些特性允許SiC系統以更高的頻率運行而不會損失輸出功率，從而可以減小電感器的尺寸。它還可以優化散熱系統，用自然散熱代替強制風冷系統。在某些情況下，可以移除散熱片以節省資金和減輕重量。

為了平衡成本和性能，強烈建議更換二極管（用SiC SBD代替硅SBD）。與硅SBD相比，SiC SBD具有更低的trr和Irr，從而帶來更低的Err和更好的系統效率。

模塊PIM(功率集成模塊)方案

為了最大限度地提高系統效率和功率密度，應考慮模塊解決方案。雖然SiC模塊成本更高，但能帶來以下優勢：

改進了由引腳和不良布局引起的寄生效應
提高生產效率，減少元件數量，易于安裝
提高芯片一致性以便電流共享
熱性能更好

產品應用和拓撲結構介紹

安森美（onsemi）在儲能系統和太陽能組串式逆變器方面擁有廣泛的產品組合，請訪問下列網站查找更多產品信息。

www.onsemi.cn/energy-storage

柵極驅動器

為了快速安全地驅動SiC MOSFET，需要可靠的SiC MOSFET驅動器。在選擇SiC MOSFET以提高SiC MOSFET 電源實現方案的穩健性時，需要注意以下3點：

大電流能力：在導通和關斷時輸送高峰值電流以使CGS和CGD電容快速充電和放電。
抗擾度強：在具有快速開關SiC MOSFET的系統中，SiC柵極驅動器必須考慮與快速dv／dt和感應噪聲相關的抗擾度。特別是，允許的最大和最小電壓表示對正負浪涌事件的抗擾度。
匹配的傳播延遲：傳播延遲是從50％的輸入到50％的輸出的時間延遲，這在高頻應用中至關重要；延遲不匹配會導致開關損耗和發熱。

舉例：柵極驅動器，雙通道

特性