你将学习:
- behind- meter解决方案的功率处理元素是什么?
- 电力转换系统设计的拓扑方法。
- 商业和工业储能系统的安装方法。
储能系统的市场(ESS)、基础设施的关键部分过渡到可再生能源,已经达到了经典的曲棍球棒生长曲线的拐点在美国研究人员Wood Mackenzie预测2021年整体市场收入三倍,达到40亿美元以上,从去年的16亿美元，到2025年将达到70亿美元。虽然这一增长主要集中在仪表行业的前沿、公用事业规模的存储领域，但所谓的仪表后端存储(BTM)也有望在未来四年增长近两倍，到2025年营收将超过25亿美元。
本地存储的好处包括消费者/商业用户节省成本，在高峰时期从公用事业转移使用，在公用事业服务中断(如停电/停电)的情况下提供电力。两种系统方法，见图1(直流耦合，顶部，交流耦合，底部)，对于消费者和商业太阳能装置都是类似的，旨在提供某种程度的电网独立性，根据客户的要求进行变化。住宅系统的功率通常在3- 5千瓦之间，很少超过10千瓦。
成本和尺寸是重要的考虑因素，可靠性和低维护/低触摸操作是关键因素。商业建筑通常额定功率为50kw或更多，并且可能有多个机组，这使得机组之间的负荷分担和电流平衡成为可靠性的要求。在这两个市场领域，都有一个明显的趋势，即将共同的构建模块并行以达到预期的产能。
见图2在美国，BTM存储解决方案的电源处理元件基于几个电子子系统:电池管理系统(BMS)、dc-dc和ac-dc电源转换系统(PCS)、相应的驱动器和电流传感元件，以及最后的控制和安全元件。本文着眼于电力转换，探索适用于住宅和商业/轻工业场景的技术方法。
能量转化系统概述
图2在电池电压和系统功率水平范围内，为住宅和商业应用PCS设计确定了各种拓扑方法。PCS在本质上是双向的——直流充电模式，从当地的太阳能来源接收电力，在将电力输送给负载或卖回给电网时，从直流转换为交流。
一个更详细的图表(图3)显示了一个典型的住宅系统支持48v锂离子电池组。该系统使用基本h桥的变体，分为三个阶段。
第一阶段将电池电压转换为高频交流。使用谐振拓扑可以在备份模式下实现高效的零电压切换，并在充电模式下起到同步整流器的作用。60伏沟槽mosfet与低功率mosfet具有低RDS(上)，如英飞凌的optimmos系列，和具有优良的散热性和低寄生电感的封装非常适合这个阶段。
对于第二阶段，在600- 650 V范围内的碳化硅(SiC) mosfet已经成为400 - 500 V之间高频切换的首选。与硅器件相比，宽禁带MOSFET的优点包括更高的临界击穿场，使RDS(上)低至27 mΩ。较高的导热系数等于较高的电流密度，而宽的带隙导致在高温下泄漏电流较低。这意味着在等效导通损失的情况下，SiC MOSFET方法可以有更高的RDS(上)比硅MOSFET解决方案。
阶段3的两种替代方法值得考虑。系统显示在图3被称为“高效可靠的逆变器概念”(HERIC)，它采用背靠背的开关来转换经过低通输出产生正弦波输出的脉冲宽度调制(PWM)交流波形。在充电模式下，该级作为一个同步图腾柱PFC转换器，在正负线半周期工作，产生高压直流进行转换，为电池充电。
为了减少体积和重量，同时提高效率和功率密度，在第三阶段采用多电平逆变器拓扑结构，如五电平有源中性点钳(ANPC)。(图4)．这使用了极低R的低压沟槽MOSFET器件DS(上)和体-二极管恢复电荷(QRR)．减少开关的功率耗散减少了散热，降低了谐波含量，并显著降低了解决方案的电磁干扰。这可以证明在开关和隔离栅驱动器的数量上，更高的复杂性水平是合理的，以实现3到5 kW转换器的形式因素和效率效益。
轻型商业和工业ESS
在额定功率为30 ~ 50kw的商用储能系统中，性能、尺寸、设计复杂性和成本因素会影响到拓扑结构和元件的选择。图5演示了在ac-dc和dc-dc部分使用SiC mosfet的性能优化拓扑。最先进的igbt也可以用于拓扑的交直流段。例如，TRENCHSTOP 5 H5系列650-V igbt(适用于Q1-Q6)和TRENCHSTOP 6系列1200-V igbt(适用于S1-S6)产品提供了性能成本优化的选择。
在直流-直流变换器上，SiC mosfet非常适合于高频开关。SiC模块有助于实现更高的功率密度，设计简单，以及在寻求更高的功率额定值和密度时的热性能。例如，EiceDRIVER栅极驱动器具有多种保护功能和隔离功能，可促进IGBT和SiC的高效开关性能。
创新
虽然商业安装的系统概念与住宅ESS类似，但输出连接到三相交流，通常为480vRMS．通常，多个锂离子电池单元串联在一起，与集成BMS的电池组的输出功率为740 V或更多。
在一个典型的转换器拓扑为电池组(图6)，该系统使用额定电压为1200v的离散IGBT或IGBT模块，并连接到800- 900-V的总线。然而，这种简单的方法在电池利用率方面受到了限制。当电池组具有不同的充电状态时，一个电池组的最小允许充电水平设定了整个系统的运行极限。在使用电动汽车的二次电池组的系统概念中，这是一个特别严重的问题，这些电池最有可能处于各种最小/最大充电历史状态。
模块化、级联的多层架构克服了这一限制(图7)．由捆绑的电池组成的电池模块连接到单个的电源转换器，这些转换器串联在一起。系统级的多级运行由一个中央控制器控制，它可以串联或并联配置引导功率通过每个模块的不同电压水平，并产生近似的全波整流电压。然后过滤，然后通过一个低频阶段，为负载或电网产生一个干净的输出。
在这种方法中，每个模块的功率变换器的典型拓扑是基于h桥，使用80或100 v沟槽MOSFET器件，封装优化，具有低寄生电阻和电感的高电流能力。每个模块的开关频率可以在10khz以下，因为系统的有效输出频率是系统中所有模块的乘积(- 1)。
结论
如前所述，并在图2， ESS电源转换系统的dc-dc级和dc-ac级均存在多种拓扑，这取决于目标电池系统的电压和应用的总额定功率。这涉及到许多因素，例如平衡设计复杂性与成本和效率目标，这决定了什么时候最适合使用离散设备或电源模块。
