向光伏電網(wǎng)添加儲(chǔ)能電池設(shè)備時(shí)，需要注意的四個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1.前言

在光伏（PV）設(shè)施數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，太陽能電網(wǎng)供需雙方之間的不平衡已成為主要制約因素。白天可以獲得充足的太陽能，但需求量不高。這意味著用戶將在使用高峰時(shí)段的早晚每瓦支付更高的價(jià)格。

住宅、商業(yè)和公共事業(yè)中太陽能設(shè)備的儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 在白天需求最低時(shí)使用逆變器存儲(chǔ)電力或電網(wǎng)，并在需求高時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，釋放已產(chǎn)生的能量。將 ESS 添加到太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)允許用戶節(jié)省使用稱為“調(diào)峰”技術(shù)的費(fèi)用。 

2.雙向電源轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)光伏設(shè)備由單向 DC/AC 和 DC/DC 功率級(jí)組成，但單向轉(zhuǎn)換方法是納入 ESS 的主要障礙。需要更多的組件、模塊和子系統(tǒng)，所有這些都顯著增加了向現(xiàn)有太陽能裝置添加 ESS 的成本。

要將蓄電池添加到現(xiàn)有光伏設(shè)備中，必須將電池充電和放電的兩條路徑合并為一條由功率因數(shù)校正 (PFC) 和逆變器功率級(jí)組成的路徑。... 但是如何構(gòu)建一個(gè)雙向電源轉(zhuǎn)換器來代替兩個(gè)單向電源轉(zhuǎn)換器呢？

圖1.雙向PFC和逆變器級(jí)框圖

混合逆變器可有效提高轉(zhuǎn)換級(jí)的效率，但這種效率提高對(duì)于執(zhí)行多次功率轉(zhuǎn)換的配備 ESS 的微電網(wǎng)更為重要。電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)管理 DC/DC 轉(zhuǎn)換以對(duì)電池進(jìn)行充電和放電。它還管理 DC/AC 和 AC/DC 轉(zhuǎn)換，將存儲(chǔ)在電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以便流入和流出電網(wǎng)。

3.高壓電池

在帶有蓄電池的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，蓄電池的主要功能是存儲(chǔ)光伏能量并按需為電網(wǎng)供電。鋰離子電池組的單位存儲(chǔ)容量明顯高于鉛酸電池。

在 400V 電池組在電動(dòng)汽車 (EV) 領(lǐng)域越來越受歡迎的同時(shí)，太陽能電網(wǎng)設(shè)備也正在將電池組電壓從 48V 提高。但是如何管理 400V 電池組的電源轉(zhuǎn)換？

除了具有系統(tǒng)控制和通信功能的微型計(jì)算機(jī)將ESS納入更大的系統(tǒng)之外，低損耗和高效的電源開關(guān)也提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可靠性?；谔蓟?(SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料的緊湊型電源開關(guān)和實(shí)時(shí)微型計(jì)算機(jī)允許修改雙向轉(zhuǎn)換器以適應(yīng)各種直流儲(chǔ)能單元。見圖 2。

圖2.電池充電和放電應(yīng)用的平滑雙向操作

4.雙有源橋式DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

SiC 和 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體在解決電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面發(fā)揮著重要作用，這些系統(tǒng)可以處理隨著轉(zhuǎn)換器增加功率密度和降低開關(guān)損耗而不斷上升的電池電壓范圍。... 電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還允許電池組更好地管理分布式發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，從而在更高和更寬的電壓下實(shí)現(xiàn)智能和彈性的電網(wǎng)運(yùn)行。

最終，太陽能設(shè)備可能會(huì)模仿電動(dòng)汽車中使用的電池組。回收目前用于電動(dòng)汽車的電池組作為并網(wǎng) ESS 的想法正在變得普遍。

5.效率和自然對(duì)流所需的寬帶隙材料

為了構(gòu)建智能壁掛式存儲(chǔ)系統(tǒng)，有必要設(shè)計(jì)一種使用最小自然對(duì)流冷卻優(yōu)化散熱的逆變器。分布式電源架構(gòu) 允許熱量集中分布在整個(gè)系統(tǒng)中。這種架構(gòu)確保所需的儲(chǔ)能逆變器可以處理不同電壓下的高電流水平，并可靠地響應(yīng)快速變化的負(fù)載瞬變。

此類系統(tǒng)需要支持 100kHz 至 400kHz 開關(guān)頻率下的高速開關(guān)并提供保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)器。如果切換速度不夠快，您會(huì)發(fā)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換階段的效率明顯低下。

這就是具有快速開關(guān)和高功率密度的寬帶隙材料（例如 SiC 和 GaN）發(fā)揮作用的地方。這些半導(dǎo)體器件促進(jìn)了不需要風(fēng)扇冷卻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的 LMG3425R030 GaN 器件具有緊湊的外形、高功率密度和快速開關(guān)功能。

該柵極驅(qū)動(dòng)器將控制器的數(shù)字 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 SiC 或 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 所需的電流?；?PWM 的控制器允許在多個(gè)電源轉(zhuǎn)換級(jí)中對(duì)電壓和電流進(jìn)行精確采樣。

圖3.具有數(shù)字控制的GaN CCM圖騰柱參考設(shè)計(jì)，使用C2000實(shí)時(shí)微控制器和具有內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的快速開關(guān)GaN器件。

6.電流和電壓檢測(cè)

高頻開關(guān)的電源設(shè)計(jì)面臨著精確電流和電壓感測(cè)的挑戰(zhàn)。帶有分流器的電流測(cè)量不僅提高了精度，而且加快了反應(yīng)時(shí)間，讓您在電網(wǎng)發(fā)生任何變化時(shí)迅速做出反應(yīng)，因此您可以在電網(wǎng)發(fā)生短路或斷開連接時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)連接。增加。

電流測(cè)量對(duì)于以逆變器為中心的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)榭刂扑惴ㄐ枰娏鞲袦y(cè)來進(jìn)行控制。有些設(shè)計(jì)解決方案可用于使用與外部分流器隔離的放大器/調(diào)制器和電源進(jìn)行隔離電流測(cè)量。

電源轉(zhuǎn)換器需要測(cè)量電網(wǎng)中的電流，以查看電流是否與電壓同相。通過測(cè)量電流和電壓，除了控制電池的充電電流外，還控制逆變器的運(yùn)行和過載保護(hù)功能。

7.總結(jié)

在AC/DC和DC/DC之間進(jìn)行雙向功率轉(zhuǎn)換的混合逆變器有望在未來幾年取代傳統(tǒng)的太陽能逆變器。太陽能逆變器設(shè)計(jì)人員將能夠通過使用混合逆變器實(shí)現(xiàn)具有廣泛輸出功率和電壓范圍的功率轉(zhuǎn)換。

提高電池電壓和擴(kuò)大電壓范圍是兼容儲(chǔ)能的太陽能逆變器的重要問題。有了內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)的微電腦控制和寬帶隙半導(dǎo)體等基本組件，除了需要高效率和自然對(duì)流外，這些更高和更寬的電池電壓可以得到支持。