一文搞懂住宅和商业电池储能系统架构实现

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越来越多的国家和企业宣布了实现低碳可持续发展的战略。2021年全球可再生能源装机容量达1600GW，展现了惊人的增长率。然而，清洁能源的产生在某种程度上具有局限性，与传统能源不同，它们是动态的和不稳定的。例如，太阳能逆变器的输出功率很大程度上取决于阳光，而这是我们无法控制的。在恶劣天气下，电网压力增大，能源需求增加，这种不可控的能源可能无法帮助解决电网压力问题。因此，在实现净零排放的过程中不应忽视储能。 电池储能系统(BESS)

目前有四种类型的储能系统——电化学储能、化学储能、热储能和机械储能。抽水蓄能水电 (PSH) 仍然是发展最成熟的机械储能系统，覆盖了全球 90% 以上的电网规模储能容量。但是，此类巨型设施的安装对地理方面的要求非常高。

根据 MarketsandMarkets 的市场研究，全球电池储能系统市场规模预计将从2022年的44亿美元增长到2027的151亿美元，复合年增长率为 27.9%。锂离子电池占据了该市场约 86% 的份额。

全球可再生能源装机容量

锂离子电池作为电化学储能系统中最为人所知的一种类型，具有高功率/高能量密度、高往返效率，而且占地面积小、扩展灵活。锂离子电池是一项相对成熟的技术，经过三十多年的商业发展，已成为一种可靠且低成本的解决方案。可以说，锂离子电池成本的持续下降正在有力加速储能的发展。

带有蓄电池的并网/离网太阳能逆变器系统为住宅和商业用途带来了诸多好处。

• 能源套利 - 储存能量以供日后使用，这样可以在电价变化时降低电力成本。

• 自产自用 - 通过存储白天产生的多余太阳能，安装带有太阳能逆变器的储能设备，可以减少或消除对电网的依赖。

• 备用电源 - 与 UPS(不间断电源) 一样，存储的电力可用于在输入电源或主电源出现故障时为负载提供应急电源。

能源套利

构建 BESS 的四个要素：

• 电池模块/组 - 电池模块由电池单元组成，为了建立商业级系统，模块可以集成到机架/组中以获得更高的容量。因此，充电/放电电压取决于电池容量，范围从 50V到超过 1000 V。

• 电池管理系统(BMS) - 电池管理系统是一种管理可充电电池的电子系统，例如保护电池在安全工作范围内运行、监控状态、计算辅助数据报告数据、控制电池所在环境、对电池进行验证和/或平衡。

• 变流器(PCS) - 变流器是电池组与电网和/或负载之间连接的电能双向转换的另一个重要子系统，它在很大程度上决定了系统成本、尺寸和性能。

• 能源管理系统(EMS) - 能源管理系统是一种基于软件的计算机辅助工具系统供电网运营商用来监测、控制和优化发电或输电系统的性能。

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应用和拓扑结构

PCS 是储能系统的重要组成部分，控制双向功率转换。与其他大功率能源基础设施应用有着相似的趋势，为了匹配电力需求的高增长率，无论是住宅还是商业类型，总是期望更高的功率。同时，更小的尺寸可以显著降低运输和安装过程中的成本。此外，像碳化硅这样的宽禁带半导体元件的大规模生产可以将系统效率和热性能提升到一个新的水平。储能系统目前分为两种方式，交流耦合或直流耦合和功率级。

交流耦合和直流耦合

交流耦合储能系统是一个独立的系统，可以添加到现有的太阳能/能源发电系统中。这是一个简单的升级，但是，它将涉及额外的电源转换步骤以对电池进行充电/放电，这意味着更多的功率损耗。直流耦合系统，或者我们可以称之为混合(太阳能)逆变器，只需要一步功率转换，但必须在一开始就进行设计。

住宅交流耦合ESS（灰块）

住宅直流耦合ESS（灰块）

住宅电池储能系统

住宅变流器要么添加到现有的太阳能逆变器系统中，要么与太阳能逆变器一起设计为混合逆变器。储存的能量可用于为备用电池充电或为电动汽车和家电充电以节省成本。

双向 DC-DC 转换器连接在电池组和直流链路之间。在安全和用例方面，单相系统的母线电压通常小于 600V，而充放电功率不会超过 10kW。降压-升压是最常见的双向 DC-DC配置，具有组件少和易于控制等优点。使用两个具有良好IF值的并联二极管的650VIGBT/MOSFET 足以满足此双向系统的需求。

双向DC-DC的降压-升压配置

650V FS4 IGBT 与 co-pack SiC 二极管

特性

• 采用新颖的场截止第4代IGBT和第1.5代SiC肖特基二极管技术

• 低 Vce(sat)

• 低Eon 和Eoff

• 开尔文源

应用

• 太阳能逆变器

• UPS

• 储能系统

FGH4L75T65MQDC50是新发布的 650V FS4 IGBT，集成了 SC 二极管，可为高效应用提供出色性能，且导通损耗和开关损耗低。

在考虑电池安全时，隔离也是另一个需要考虑的方面。双有源桥转换器(DAB)或 CLLC 已成为 EV 和 ESS 领域隔离双向 DC-DC 转换器的通用解决方案。采用级联前端降压-升压电路，可在电池电压变化的情况下实现宽范用的电乐输入/输出，同时降低无功功率环流，扩大软开关区。

双有源桥式DC-DC转换器

功率 MOSFET，N沟道屏蔽栅极 PowerTrench

特性

• 屏蔽栅极MOSFET技术

• 最大RDS(on)=5.0 mΩ(V_GS=10 V，I_D=97A时)

• Qrr 比其他MOSFET供应商低 50%

• 降低开关噪声/EM

应用

• ATX/服务器/电信电源

• 电机驱动和不间断电源

• 微型太阳能逆变器

三相电源通常被视为商业用例中常用的供电方式，但如今，这种技术已变得更加可靠可以用于对电力需求较高的家庭。为了应对高达 15kW 的功率，以及可能接近 1000V 的直流链路电压，开关应该能够承受更高的工作电压和电流。

将650V开关换成 1200V 的系列很容易解决这个问题，也可以考虑三电平对称降压升压。这种三电平配置提供更小的开关损耗，因为只有一半的输出电压施加到开关和二极管，这种特性有助于减小电感器和实现更好的 EMI 性能。然而，组件数量增加一倍将不可避免地增加物料清单的复杂性、控制难度和总成本。

对称降压-升压转换器

商用电池储能系统

商用储能系统的输入/输出功率范围从 100 kW 到 2MW，这样的巨型系统通常由几十 kW 到 100 多 kW 的三相子系统组成。

其中一项重要规格是最大直流电压，这取决于现有太阳能系统的母线电压或电池电压。商用太阳能逆变器常见的直流母线电压为 1100V 和 1500V，有时用于公用事业规模的系统。这类应用的一个明显趋势是增加直流母线电压,这有助于降低给定功率的互连电缆成本，因为电流较低。

交流耦合系统在储能项目中更为常见，因为它可以添加到已经构建的系统中。此外，集中式储能单元更易于管理和放置。相比之下，直流耦合系统需要更大的空间和更多的成本来处理分布式电池组。

三电平 I-NPC 是大功率工业应用特别是逆变器中常见的拓扑结构之一，它有 4 个开关、4 个反向二极管和 2个钳位二极管，击穿电压低于实际直流母线电压，例如 650 V 开关在 1100 V 系统中就足够了。

三相I-NPC

两电平与三电平开关原理

使用三电平拓扑结构有三个优点。首先，开关损耗更低。通常，开关损耗与施加到开关和二极管的电压的二次方成正比。在三电平拓扑结构中，只有一半的总输出电压被施加到一些开关或一些二极管。其次，升压电感器中的电流纹波变小。对于相同的电感值，施加到电感器的峰峰值电压也是三电平拓扑结构中总输出电压的一半。这使得电流纹波更小，更容易使用更小的电感器进行滤波，从而实现更紧凑的电感器设计并降低成本。最后，EMI 降低，而传导 EMI 主要与电流纹波有关。正如刚刚提到的，三电平拓扑结构减少了电流纹波，使滤波更容易并产生更低的传导 EMI。同时，在电磁辐射方面也有好处。

作为升级版，A-NPC系统提供了更高的性能，因为两个钳位二极管被两个有源开关所取代，在损耗方面具有明显的优势。但是驱动器配对和延迟匹配很关键，可以看作是一个缺点。

三相A-NPC

IGBT 模块，A型 NPC 1000 V, 800 A

特性

• 采用场截止技术的超高效沟槽

• 低开关损耗降低了系统功耗

• 高功率密度

• 低电感布局

• 内部NTC

应用

• 1500V太阳能逆变器

• 1500V储能

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原文标题：一文搞懂住宅和商业电池储能系统架构实现

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