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安森美储能系统解决方案介绍

时间：2024-08-29 15:19 浏览人数：973

储能系统BESS简述

越来越多的国家和企业宣布了实现低碳可持续发展的战略。2021年全球再生能源装机容量达1600GW，展现惊人的增长率。然而清洁能源的产生在某种程度上具有局限性，与传统能源不同，它是动态的和不稳定的。例如，太阳能逆变器的输出功率很大程度上取决于阳光，而这是我们无法控制的。在恶劣天气下，电网压力增大，能源需求增加，这种不可控的能源可能无法解决电网压力问题。因此，在实现净零排放的过程中不应忽视储能。

什么是电池储能系统？

目前有四种类型的储能系统：电化学储能、化学储能、热储能和机械储能。抽水蓄能水电（PSH）仍然是发展最成熟的机械储能系统，覆盖了全球90％以上的电网规模储能容量。但是，此类巨型设施的安装对地理方面的要求非常高。

根据MarketsandMarkets的市场研究，全球电池储能系统市场规模预计将从2022年的44亿美元增长到2027的151亿美元，复合年增长率为27.9％。锂离子电池占据了该市场86％的份额。

锂离子电池作为电化学储能系统中最为人所知的一种类型，具有高功率、高能量密度、高往返效率，而且占地面积小、扩展灵活。锂离子电池是一项相对成熟的技术，经过三十多年的商业发展，已成为一种可靠且低成本的解决方案。可以说，锂离子电池成本的持续下降正在有力加速储能的发展。

带有蓄电池的并网／离网太阳能逆变器系统为住宅和商业用途带来了诸多好处：

能源套利-储存能量以供日后使用，这样可以在电价变化时降低电力成本。
自产自用-通过存储白天产生的多余太阳能，安装带有太阳能逆变器的储能设备，可以减少或消除对电网的依赖。
备用电源-与UPS（不间断电源）一样，存储的电力可用于在输入电源或主电源出现故障时为负载提供应急电源。

构建BESS的四个要素是什么？

电池模块／组-电池模块由电池单元组成，为了建立商业级系统，模块可以集成到机架／组中以获得更高的容量。因此，充电／放电电压取决于电池容量，范围从50V到1000V以上。

电池管理系统（BMS）-电池管理系统是一种管理可充电电池的电子系统，例如保护电池在安全工作范围内运行、监控状态、计算辅助数据、报告数据，即对电池状态进行验证和平衡。

变流器（PCS）-变流器是电池组与电网或负载之间连接的电能双向转换的另一个重要子系统。它在很大程度上决定了系统成本、尺寸和性能。

能源管理系统（EMS）-能源管理系统是一种基于软件的计算机辅助工具系统，供电网运营商用来监测、控制和优化发电或输电系统的性能。

了解住宅和商业系统中的储能系统

PCS是储能系统的重要组成部分，控制双向功率转换。与其他大功率能源基础设施应用有着相似的趋势，为了匹配电力需求的高增长率，无论是住宅还是商业类型，总是期望更高的功率。同时，更小的尺寸可以显著降低运输和安装过程中的成本。此外，像碳化硅这样的宽禁带半导体元件的大规模生产可以将系统效率和热性能提升到一个新的水平。

储能系统目前分为两种方式：交流耦合和直流耦合。

什么是交流耦合和直流耦合？

交流耦合储能系统是一个独立的系统，可以接入到现有的太阳能发电系统中。这是一个简单的升级，但是，它将涉及额外的电源转换步骤以对电池进行充电／放电，这意味着更多的功率损耗。直流耦合系统，或者我们可以称之为混合（太阳能）逆变器，只需要一步功率转换，但必须在一开始就进行设计。

什么是住宅 BESS ？

住宅变流器要么添加到现有的太阳能逆变器系统中，要么与太阳能逆变器一起设计为混合逆变器。储存的能量可用于为备用电池充电或为电动汽车和家电充电以节省成本。

双向DC-DC转换器连接在电池组和直流链路之间。在安全和用例方面，单相系统的母线电压通常小于600V，而充放电功率不会超过10kW。降压-升压是最常见的双向DC-DC配置，具有组件少和易于控制等优点。使用两个具有良好IF值的并联二极管的650V IGBT／MOSFET足以满足此双向系统的需求。

FGH4L75T65MQDC50是新发布的650V FS4 IGBT，集成了SiC二极管，可为高效应用提供出色性能，且导通损耗和开关损耗低。

在考虑电池安全时，隔离也是另一个需要考虑的方面。双有源桥转换器（DAB）或CLLC已成为EV和ESS领域隔离双向DC-DC转换器的通用解决方案。采用级联前端降压-升压电路，可在电池电压变化的情况下实现宽范围的电压输入／输出，同时降低无功功率环流，扩大软开关区。

三相电源通常被视为商业用例中常用的供电方式，现如今，这种技术已变得更加可靠，可以用于对电力需求较高的家庭。为了应对高达15kW的功率，以及可能接近1000V的直流链路电压，开关应该能够承受更高的工作电压和电流。

将650V开关换成1200V的规格很容易解决这个问题，或者可以考虑三电平对称降压-升压。这种三电平配置提供更小的开关损耗，因为只有一半的输出电压施加到开关和二极管，这种特性有助于减小电感器和实现更好的 EMI 性能。然而，组件数量增加一倍将不可避免地增加物料清单的复杂性、控制难度和总成。

什么是商业 BESS ？

商用储能系统的输入／输出功率范围从100kW到2MW，这样的巨型系统通常由几十kW到100多kW的三相子系统组成。

其中一项重要规格是最大直流电压，这取决于现有太阳能系统的母线电压或电池电压。商用太阳能逆变器常见的直流母线电压为1100V和1500V，有时用于公用事业规模的系统。这类应用的一个明显趋势是增加直流母线电压，这有助于降低给定功率的互连电缆成本，因为电流较低。

交流耦合系统在储能项目中更为常见，因为它可以添加到已经构建的系统中。此外，集中式储能单元更易于管理和放置。相比之下，直流耦合系统需要更大的空间和更多的成本来处理分布式电池组。

三电平I-NPC是大功率工业应用特别是逆变器中常见的拓扑结构之一，它有4个开关、4个反向二极管和2个钳位二极管，击穿电压低于实际直流母线电压，例如650V开关在1100V系统中就足够了。

使用三电平拓扑结构有三个优点。首先，开关损耗更低。通常，开关损耗与施加到开关和二极管的电压的二次方成正比（开关损耗@ V²switch or diode）。在三电平拓扑结构中，只有一半的总输出电压被施加到（一些）开关或（一些）二极管。其次，升压电感器中的电流纹波变小。对于相同的电感值，施加到电感器的峰峰值电压也是三电平拓扑结构中总输出电压的一半。这使得电流纹波更小，更容易使用更小的电感器进行滤波，从而实现更紧凑的电感器设计并降低成本。最后，EMI降低。

而传导EMI主要与电流纹波有关。正如本段第二点提到的，三电平拓扑结构减少了电流纹波，使滤波更容易并产生更低的传导EMI。同时，在电磁辐射方面也有好处。

作为升级版，A-NPC系统提供了更高的性能，因为两个钳位二极管被两个有源开关所取代，在损耗方面具有明显的优势。但是驱动器配对和延迟匹配很关键，可以看作是一个缺点。

使用碳化硅提高效率

单管方案

6-Switch是大功率工业应用的另一种选择，它是一种两电平拓扑结构，开关数量有限，易于控制，但EMI性能差，开关损耗高。

使用碳化硅解决方案后，下一代宽禁带半导体材料可以显著改善性能问题。碳化硅在带能量、击穿场、热导率等几个参数方面具有优越的特性。这些特性允许SiC系统以更高的频率运行而不会损失输出功率，从而可以减小电感器的尺寸。它还可以优化散热系统，用自然散热代替强制风冷系统。在某些情况下，可以移除散热片以节省资金和减轻重量。

为了平衡成本和性能，强烈建议更换二极管（用SiC SBD代替硅SBD）。与硅SBD相比，SiC SBD具有更低的trr和Irr，从而带来更低的Err和更好的系统效率。

模块PIM(功率集成模块)方案

为了最大限度地提高系统效率和功率密度，应考虑模块解决方案。虽然SiC模块成本更高，但能带来以下优势：

改进了由引脚和不良布局引起的寄生效应
提高生产效率，减少元件数量，易于安装
提高芯片一致性以便电流共享
热性能更好

产品应用和拓扑结构介绍

安森美（onsemi）在储能系统和太阳能组串式逆变器方面拥有广泛的产品组合，请访问下列网站查找更多产品信息。

www.onsemi.cn/energy-storage

栅极驱动器

为了快速安全地驱动SiC MOSFET，需要可靠的SiC MOSFET驱动器。在选择SiC MOSFET以提高SiC MOSFET 电源实现方案的稳健性时，需要注意以下3点：

大电流能力：在导通和关断时输送高峰值电流以使CGS和CGD电容快速充电和放电。
抗扰度强：在具有快速开关SiC MOSFET的系统中，SiC栅极驱动器必须考虑与快速dv／dt和感应噪声相关的抗扰度。特别是，允许的最大和最小电压表示对正负浪涌事件的抗扰度。
匹配的传播延迟：传播延迟是从50％的输入到50％的输出的时间延迟，这在高频应用中至关重要；延迟不匹配会导致开关损耗和发热。

举例：栅极驱动器，双通道

特性