【導讀】電池可以用來儲存太陽能和風能等可再生能源在高峰時段產(chǎn)生的能量，這樣當環(huán)境條件不太有利于發(fā)電時，就可以利用這些儲存的能量。本文回顧了住宅和商用電池儲能系統(tǒng) (BESS) 的拓撲結(jié)構(gòu)，然后介紹了安森美(onsemi) 的EliteSiC 方案，可作為硅MOSFET 或IGBT開關(guān)的替代方案，改善 BESS 的性能。
電池可以用來儲存太陽能和風能等可再生能源在高峰時段產(chǎn)生的能量，這樣當環(huán)境條件不太有利于發(fā)電時，就可以利用這些儲存的能量。本文回顧了住宅和商用電池儲能系統(tǒng) (BESS) 的拓撲結(jié)構(gòu)，然后介紹了安森美(onsemi) 的EliteSiC 方案，可作為硅MOSFET 或IGBT開關(guān)的替代方案，改善 BESS 的性能。
BESS的優(yōu)勢
最常用的儲能方法有四種，分別是電化學儲能、化學儲能、熱儲能和機械儲能。鋰離子電池是家喻戶曉的電化學儲能系統(tǒng)，具有高功率密度、高效率、外形緊湊、模塊化等特點。此外，鋰離子電池技術(shù)成熟，因此非常可靠且成本較低。隨著鋰離子電池價格的持續(xù)下降，其在儲能系統(tǒng)中的使用不斷增加。
使用帶有儲能電池的并網(wǎng)/離網(wǎng)太陽能逆變器系統(tǒng)，為住宅和商業(yè)用戶帶來諸多好處， 包括以下幾個方面。
● 價格：當公用事業(yè)提供商的電價較高時，儲存能量可以降低電費。
● 自給自足：儲存能量可以減少（或消除）對電網(wǎng)的依賴。
● 備用電源：儲存的電力可在主電源出現(xiàn)故障時用作替代電源。
圖1 BESS實施概覽
BESS主要構(gòu)建模塊
BESS通常包括四大構(gòu)建模塊。
● 可充電電池模塊：其中包括機架式電池單元，其標稱電壓從50 V 到 1000 V 以上不等。
● 電池管理系統(tǒng) (BMS)：BMS 用于‘保護和管理可充電電池，確保電池在安全工作參數(shù)范圍內(nèi)運行。
● 變流器 (PCS)：PCS 將電池組連接到電網(wǎng)和負載，是影響 BESS 成本、尺寸和整體性能的一個重要因素。
● 能源管理系統(tǒng) (EMS)：EMS 軟件用于監(jiān)測、控制和優(yōu)化發(fā)電或輸電系統(tǒng)。
圖2 住宅交流耦合（上）和直流耦合（下）ESS
住宅BESS
與BESS搭配使用的變流器可以按照耦合能量的方式（交流或直流）分類，也可以按照功率等級（住宅或商業(yè)）分類。直流耦合系統(tǒng)或混合逆變器僅需要一個電源轉(zhuǎn)換步驟。然而，對于現(xiàn)有太陽能或風力發(fā)電系統(tǒng)而言，雖然交流耦合儲能是一種簡單的升級方案，但它需要額外的電源轉(zhuǎn)換步驟來對電池充電和放電，因此可能會損失更多功率。例如，住宅變流器可以添加到現(xiàn)有太陽能逆變器系統(tǒng)中，以使用產(chǎn)生的能量為備用電池充電或為家用電器供電。
雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器用于連接電池組和直流鏈路。單相系統(tǒng)的母線電壓通常小于600 V，而充放電功率不會超過10 kW。在這種情況下，降壓- 升壓轉(zhuǎn)換器是最常見的雙向DC-DC 拓撲，因為它需要的組件少且易于控制。在此類雙向系統(tǒng)中，兩個帶有并聯(lián)二極管的650 V IGBT 或MOSFET 就足夠了。例如，安森美的650 V FS4 IGBT FGH4L75T65MQDC50 集成了SiC 二極管，可在這種應用中實現(xiàn)低導通和低開關(guān)損耗。
隔離可以確保BESS 用戶的安全，雙有源橋轉(zhuǎn)換器 (DAB) 或CLLC 拓撲結(jié)構(gòu)為BESS 提供了隔離型雙向DC-DC 轉(zhuǎn)換器方案。如果電池電壓發(fā)生顯著變化，級聯(lián)前端降壓- 升壓電路可以提供更寬范圍的輸入和輸出電壓。這種方法還降低了無功功率，并增加了軟開關(guān)區(qū)的大小。NTP5D0N15MC 150 V N 溝道屏蔽柵極PowerTrench MOSFET 非常適合這些拓撲。
商業(yè)和企業(yè)場所及具有較大功率需求的家庭通常采用標準的三相電源。在三相應用中，電源開關(guān)必須能夠承受所需的工作電壓和電流，以提供高達15 kW 的輸出功率，而且還要能夠承受高于住宅裝置所用的直流鏈路電壓（高達1 000 V）。為此，可以將之前考慮的650 V開關(guān)替換為1 200 V 器件，作為三電平對稱降壓- 升壓拓撲的一部分。這樣，開關(guān)損耗會更低，因為只有一半的輸出電壓出現(xiàn)在開關(guān)和二極管上。它的另一個優(yōu)點是所需的電感更小，并且EMI 性能得到改善。遺憾的是，這種方法需要更多組件，導致設計復雜性、控制難度和系統(tǒng)成本增加。
商用BESS
商用儲能系統(tǒng)的輸入和輸出功率范圍通常在100 kW至2 MW 之間。這些大型裝置可能由若干個三相子系統(tǒng)組成，功率范圍從幾十千瓦到超過100 kW 不等。在這類應用中，最大直流電壓是一項關(guān)鍵參數(shù)，它取決于現(xiàn)有太陽能系統(tǒng)的母線電壓或電池電壓。標準商用太陽能逆變器的直流母線電壓通常為1 100 V，但在公用事業(yè)規(guī)模系統(tǒng)中可能高達1 500 V。對于給定功率水平，提高直流母線電壓會降低電流，從而降低互連電纜的成本。
圖3 雙向DC-DC的降壓-升壓
交流耦合系統(tǒng)更常用于商用BESS，因為它可以輕松添加到現(xiàn)有設計中。直流耦合系統(tǒng)對電氣改造的要求相對較高，尤其是商用場合，因為必須將其連接到直流母線，而直流母線通常位于原系統(tǒng)內(nèi)部，具有高電壓和高電流。三電平I-NPC 是大功率工業(yè)應用中常常與逆變器配合使用的拓撲結(jié)構(gòu)。它有四個開關(guān)、四個反向二極管和兩個鉗位二極管，擊穿電壓低于實際直流鏈路電壓，這意味著650 V 開關(guān)在1 100 V 系統(tǒng)中就足夠了。
圖4 三相I-NPC拓撲結(jié)構(gòu)
使用三電平拓撲結(jié)構(gòu)有幾個優(yōu)點。首先，其開關(guān)損耗較低（與施加到開關(guān)和二極管的電壓的平方成正比）。其次，其電流紋波較低，并且峰峰值電壓為總輸出的一半，因而更容易利用較小、成本較低的電感進行濾波。最后，與電流紋波相關(guān)的傳導EMI 更低，電磁輻射也更低。升級到A-NPC 拓撲可提供更好的性能，因為它用兩個更低損耗的有源開關(guān)取代了兩個鉗位二極管。然而，對于這種架構(gòu)，驅(qū)動器配對和延遲匹配至關(guān)重要，但這在某些應用中可能是一個不利因素。
SiC方案有助于改善BESS性能
SiC具有比硅更優(yōu)越的性能特征，例如：更寬的帶隙、更高的擊穿場強和更高的熱導率。這些特性使SiC器件能夠在更高的頻率下工作，而無需權(quán)衡輸出功率與電感尺寸。憑借 SiC 帶來的更高工作效率，在某些情況下，可使用自然散熱來代替強制風冷。安森美的650 V EliteSiC MOSFET NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC1是取代儲能系統(tǒng)應用中硅基開關(guān)的理想選擇。同時，EliteSiC 功率集成模塊采用1 200 VNXH40B120MNQ0 雙升壓和 NXH010P120MNF1 2 件裝半橋，可以在公用事業(yè)規(guī)模系統(tǒng)中提供更高的功率密度。安森美還提供其他幾種組件，包括柵極驅(qū)動器、電流檢測放大器和 MACPHY 以太網(wǎng)控制器，都可用于BESS應用。
（本文來源于EEPW 2023年10月期）
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