【導(dǎo)讀】常規(guī)的太陽(yáng)能裝置包括單向直流/交流和直流/直流 功率級(jí)，但是單向方法使 ESS 集成面臨主要障礙：它 需要更多的元件、模塊和子系統(tǒng)，所有這些都顯著增 加了向現(xiàn)有的太陽(yáng)能裝置中添加 ESS 的成本。
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本文介紹了向太陽(yáng)能電網(wǎng)添加儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：
1.雙向功率轉(zhuǎn)換
高級(jí)雙向電源拓?fù)淇稍陔娋W(wǎng)、光伏陣列 和電池管理系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)安全高效的功 率傳輸。
2.高電壓電池
以前使用 48V 電池組的太陽(yáng)能裝置正在 采用 400V 電池組，因此需要電壓更高的 電池。
3.時(shí)尚的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)時(shí)尚的設(shè)計(jì)，工程師需要設(shè)計(jì)自 然對(duì)流冷卻最小的熱優(yōu)化系統(tǒng)。
4.電流和電壓感應(yīng)
在準(zhǔn)確感應(yīng)電流和電壓方面，開(kāi)關(guān)頻率較 高的系統(tǒng)具有幾個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
白天，太陽(yáng)能非常充足，但電流需求較低。供需平衡需求將促 使光伏系統(tǒng)快速整合儲(chǔ)能系統(tǒng)。
盡管光伏 (PV) 裝置持續(xù)增加，但太陽(yáng)能電網(wǎng)供需不 平衡的限制性已日益凸現(xiàn)。中午前后太陽(yáng)能極為充 足，但這時(shí)需求不高，這意味著消費(fèi)者在早晚使用高 峰時(shí)，每瓦要支付更高的成本。
用于住宅、商業(yè)和公用事業(yè)太陽(yáng)能裝置的儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 支持逆變器儲(chǔ)存白天收集的能量，或者在需求 較低時(shí)從電網(wǎng)獲取電能，在需求較高時(shí)提供這些儲(chǔ)存 的能量。通過(guò)向太陽(yáng)能并網(wǎng)系統(tǒng)添加 ESS，用戶(hù)可以 通過(guò)“削峰填谷”的方式降低成本。
在本白皮書(shū)中，我將探討并網(wǎng)太陽(yáng)能裝置集成儲(chǔ)能系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
雙向功率轉(zhuǎn)換
常規(guī)的太陽(yáng)能裝置包括單向直流/交流和直流/直流 功率級(jí)，但是單向方法使 ESS 集成面臨主要障礙：它 需要更多的元件、模塊和子系統(tǒng)，所有這些都顯著增 加了向現(xiàn)有的太陽(yáng)能裝置中添加 ESS 的成本。
要向現(xiàn)有的太陽(yáng)能裝置添加儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要將電池 充電和放電兩條路徑合并為一條包含功率因數(shù)校正 (PFC) 和逆變器功率級(jí)的路徑。但是，如何用雙向功 率轉(zhuǎn)換器取代兩個(gè)單向轉(zhuǎn)換器呢？
高級(jí)雙向電源拓?fù)洌ㄈ鐖D1所示）可在電網(wǎng)、光伏 陣列和電池管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)安全高效的電力傳輸。諸 如 C2000? 實(shí)時(shí) MCU 之類(lèi)的微控制器 (MCU) 廣泛 用于此類(lèi)電源拓?fù)洹＿@些控制器可以控制一個(gè)或多 個(gè)功率級(jí)，從而為具有 ESS 的光伏逆變器實(shí)現(xiàn)數(shù)字 控制的雙向功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)。MCU 控制可為處理直流/ 交流和直流/直流轉(zhuǎn)換的功率開(kāi)關(guān)提供更復(fù)雜的脈寬 調(diào)制（PWM）方案。
圖 1.雙向 PFC 和逆變器級(jí)的方框圖
混合逆變器可幫助轉(zhuǎn)換級(jí)實(shí)現(xiàn)更高的效率，由于會(huì) 進(jìn)行多次功率轉(zhuǎn)換，這在集成 ESS 的微電網(wǎng)中變得 越來(lái)越重要。電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)可通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換 來(lái)對(duì)電池充放電，也可以進(jìn)行直流/交流和交流/直流 轉(zhuǎn)換，這些操作可將儲(chǔ)存在電池中的直流電源轉(zhuǎn)換 為交流，從而將其饋入電網(wǎng)或反之。
高電壓電池
在集成儲(chǔ)能的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，電池的主要功能是儲(chǔ) 存光伏能量，并在需要時(shí)向電網(wǎng)注入能量。鋰離子電 池組比鉛酸電池組具有更高的儲(chǔ)能密度。
隨著 400V 電池組在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 領(lǐng)域變得越來(lái)越 普遍，太陽(yáng)能電網(wǎng)裝置中的電池電壓也在不斷增加， 超過(guò) 48V 電池組。但是，如何管理 400V 電池組的功 率轉(zhuǎn)換呢？
除了提供系統(tǒng)控制和通信以幫助 ESS 集成到大型 系統(tǒng)中的 MCU 外，低損耗和高效率的功率開(kāi)關(guān)也 會(huì)使儲(chǔ)能系統(tǒng)安全可靠。基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵(GaN) 材料的緊湊型電源開(kāi)關(guān)，以及實(shí)時(shí)控制 MCU， 有助于確保雙向轉(zhuǎn)換器的適用性，使其可以與各種直 流儲(chǔ)能單元一起工作。如下頁(yè)圖 2所示。
隨著電池電壓的升高，對(duì)于轉(zhuǎn)換器更高功率密度，更 低開(kāi)關(guān)損耗的要求，寬帶隙半導(dǎo)體器件，例如SiC和 GaN，將扮演越來(lái)越重要的角色。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可 以幫助電池組更好地管理分布式發(fā)電系統(tǒng)中的功率 波動(dòng)，并使電網(wǎng)在更高和更寬的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)智 能、彈性運(yùn)行。
最終，太陽(yáng)能裝置可能會(huì)模仿電動(dòng)汽車(chē)使用的電池 組。越來(lái)越多的人認(rèn)為，電動(dòng)汽車(chē)當(dāng)前使用的電池組 將作為并網(wǎng) ESS 回收再利用。
用于提高效率和實(shí)現(xiàn)自然對(duì)流的寬帶 隙材料
為了打造時(shí)尚的壁掛式儲(chǔ)能系統(tǒng)，必須確保對(duì)逆變器 設(shè)計(jì)進(jìn)行熱優(yōu)化，使自然對(duì)流冷卻最小。分布式電源 架構(gòu)可將熱量分散在整個(gè)系統(tǒng)中。此類(lèi)架構(gòu)還使儲(chǔ)能逆變器支持不同電壓下的高電流水平，并能夠?qū)焖?變化的負(fù)載提供可靠的瞬態(tài)響應(yīng)。
這種系統(tǒng)將需要柵極驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可支持快速開(kāi) 關(guān)并在 100kHz 至 400kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下提供保護(hù)。 如果開(kāi)關(guān)速度不夠快，那么功率轉(zhuǎn)換級(jí)可能會(huì)產(chǎn)生巨 大的效率損失。
這正是寬帶隙材料（例如 SiC 和 GaN）的用武之 地，它可提供更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的功率密度。 這些半導(dǎo)體器件有助于設(shè)計(jì)無(wú)需風(fēng)扇冷卻的系 統(tǒng)。LMG3425R030 是一款 GaN 器件，具有集成驅(qū)動(dòng) 器和保護(hù)特性，可提供緊湊的外形尺寸、更高的功率 密度和更快的開(kāi)關(guān)性能。
柵極驅(qū)動(dòng)器將來(lái)自控制器的數(shù)字 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 SiC 或 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管所需的電流。基于 PWM 的 控制器可確保在多個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)準(zhǔn)確地采樣電壓和 電流。
圖 2.雙有源電橋直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行，從而支持電池充電和放電應(yīng)用
使用 C2000 MCU 的雙向高密度 GaN CCM 圖騰柱 PFC 參考設(shè)計(jì)包括一個(gè)雙向圖騰柱無(wú)橋 PFC 功率 級(jí)，它采用 C2000 實(shí)時(shí) MCU 和具有集成驅(qū)動(dòng)器和 保護(hù)特性的 LMG3410R070 GaN FET（圖 3）。3kW 雙向設(shè)計(jì)可利用切相和自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間提高效率， 并借助非線(xiàn)性電壓環(huán)降低 PFC 模式下的瞬態(tài)電壓 尖峰。
圖 3
電流和電壓感應(yīng)
高頻開(kāi)關(guān)的電源設(shè)計(jì)面臨精確感應(yīng)電流和電壓的挑 戰(zhàn)。基于分流器的電流測(cè)量不僅更準(zhǔn)確，而且還提供 更快的響應(yīng)時(shí)間，從而對(duì)電網(wǎng)中的任何變化做出快速 反應(yīng)，并在發(fā)生短路或電網(wǎng)連接丟失的情況下關(guān)閉系 統(tǒng)。以逆變器為中心的設(shè)計(jì)包含電流測(cè)量，因?yàn)榭刂?算法需要通過(guò)電流感應(yīng)進(jìn)行控制。針對(duì)隔離型電流測(cè) 量，可采用具有外部分流器和隔離放大器或調(diào)制器圖 3.GaN CCM 圖騰柱參考設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制，使用 C2000 實(shí)時(shí) MCU 和具有集成式柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)特 性的快速開(kāi)關(guān) GaN 器件電源的設(shè)計(jì)解決方案。例如，10kW 雙向三相 三電平 (T 型）逆變器和 PFC 參考設(shè)計(jì)采用 AMC1306 隔離 調(diào)制器進(jìn)行負(fù)載電流監(jiān)測(cè)。AMC3306 是一款具有集 成直流/直流轉(zhuǎn)換器的新一代隔離式調(diào)制器，能實(shí)現(xiàn) 單電源運(yùn)行。
對(duì)于使用較高電壓的逆變器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中需要跨不同 電壓域傳輸數(shù)據(jù)的任何數(shù)字信號(hào)，可以使用隔離器件 來(lái)克服電壓限制。諸如 ISO7741 之類(lèi)的數(shù)字隔離器 支持高頻信號(hào)跨越電源邊界，同時(shí)保護(hù)低壓數(shù)字電路 免受高壓域的影響。
電源轉(zhuǎn)換器必須測(cè)量電網(wǎng)電流，才能確保電流與電壓 同相。電流和電壓測(cè)量還可控制電池充電電流，確保 逆變器可靠運(yùn)行并提供過(guò)載保護(hù)。
結(jié)束語(yǔ)
提供雙向交流/直流和直流/直流電源轉(zhuǎn)換的混合逆 變器可能會(huì)在幾年內(nèi)取代傳統(tǒng)的光伏逆變器。混合逆 變器支持光伏逆變器設(shè)計(jì)人員在各種輸出功率和電 壓下實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。
對(duì)于儲(chǔ)能型光伏逆變器，具有更高且更寬的電池電壓 范圍很重要。鑒于對(duì)高效率和自然對(duì)流的需求，基本 構(gòu)建塊（例如基于 MCU 的控制和具有集成柵極驅(qū)動(dòng) 器和保護(hù)特性的寬帶隙半導(dǎo)體）可以適應(yīng)上述更高和 更寬的電池電壓范圍。
C2000 實(shí)時(shí) MCU 和 LMG3425R030 GaN 器件能夠 處理儲(chǔ)能型太陽(yáng)能電網(wǎng)中的雙向能量傳輸。同樣，基 于分流器的電流和電壓感應(yīng)可以確保高電壓電池和 快速開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器安全可靠地工作。
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