向光伏電網(wǎng)添加儲能電池設(shè)備時，需要注意的四個設(shè)計注意事項

1.前言

在光伏（PV）設(shè)施數(shù)量持續(xù)增長的同時，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段的早晚每瓦支付更高的價格。

住宅、商業(yè)和公共事業(yè)中太陽能設(shè)備的儲能系統(tǒng) (ESS) 在白天需求最低時使用逆變器存儲電力或電網(wǎng)，并在需求高時進行存儲，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) 和逆變器功率級組成的路徑。... 但是如何構(gòu)建一個雙向電源轉(zhuǎn)換器來代替兩個單向電源轉(zhuǎn)換器呢？

圖1.雙向PFC和逆變器級框圖

混合逆變器可有效提高轉(zhuǎn)換級的效率，但這種效率提高對于執(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)換以對電池進行充電和放電。它還管理 DC/AC 和 AC/DC 轉(zhuǎn)換，將存儲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光伏能量并按需為電網(wǎng)供電。鋰離子電池組的單位存儲容量明顯高于鉛酸電池。

在 400V 電池組在電動汽車 (EV) 領(lǐng)域越來越受歡迎的同時，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算機將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)和實時微型計算機允許修改雙向轉(zhuǎn)換器以適應(yīng)各種直流儲能單元。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

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，從而在更高和更寬的電壓下實現(xiàn)智能和彈性的電網(wǎng)運行。

最終，太陽能設(shè)備可能會模仿電動汽車中使用的電池組?；厥漳壳坝糜陔妱悠嚨碾姵亟M作為并網(wǎng) ESS 的想法正在變得普遍。

5.效率和自然對流所需的寬帶隙材料

為了構(gòu)建智能壁掛式存儲系統(tǒng)，有必要設(shè)計一種使用最小自然對流冷卻優(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系統(tǒng)中。這種架構(gòu)確保所需的儲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)并提供保護的柵極驅(qū)動器。如果切換速度不夠快，您會發(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)體器件促進了不需要風扇冷卻的系統(tǒng)設(shè)計。具有內(nèi)置驅(qū)動器和保護功能的 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)動器將控制器的數(shù)字 PWM 信號轉(zhuǎn)換為 SiC 或 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 所需的電流。基于 PWM 的控制器允許在多個電源轉(zhuǎn)換級中對電壓和電流進行精確采樣。

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

6.電流和電壓檢測

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

電流測量對于以逆變器為中心的設(shè)計至關(guān)重要，因為控制算法需要電流感測來進行控制。有些設(shè)計解決方案可用于使用與外部分流器隔離的放大器/調(diào)制器和電源進行隔離電流測量。

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

7.總結(jié)

在AC/DC和DC/DC之間進行雙向功率轉(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)計人員將能夠通過使用混合逆變器實現(xiàn)具有廣泛輸出功率和電壓范圍的功率轉(zhuǎn)換。

提高電池電壓和擴大電壓范圍是兼容儲能的太陽能逆變器的重要問題。有了內(nèi)置柵極驅(qū)動器和保護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流外，這些更高和更寬的電池電壓可以得到支持。