儲能系統(tǒng) (Energy storage system) 在建設(shè)低碳世界的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，也是目前最蓬勃發(fā)展的工業(yè)應(yīng)用之一。究其原因，主要包括各國以脫碳目標(biāo)為主導(dǎo)的積極政策、新能源應(yīng)用快速發(fā)展過程中對光伏發(fā)電等可再生能源存儲和控制的需求，以及鋰離子電池成本的不斷降低。儲能系統(tǒng)在應(yīng)用方面與光伏系統(tǒng)和電動汽車充電站密切相關(guān)，它們在硬件設(shè)計和元器件選擇方面有著相似之處。本指南將全面介紹儲能系統(tǒng)及其市場，以及安森美(onsemi)提供的先進(jìn)產(chǎn)品和解決方案，本文為第一部分，將重點介紹儲能市場概況以及系統(tǒng)設(shè)計框架。
系統(tǒng)目標(biāo)
儲能系統(tǒng) (ESS) 是一個被廣泛研究的應(yīng)用領(lǐng)域，它能將源自煤電、核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等多種發(fā)電方式所產(chǎn)生的電力，以多種方式進(jìn)行有效存儲。例如電化學(xué)儲能（電池）、機(jī)械儲能（壓縮空氣）、熱儲能（熔鹽）等。在本指南中，我們將重點關(guān)注與光伏逆變器系統(tǒng)相連接的電池儲能系統(tǒng)。
電池儲能系統(tǒng) (BESS) 在住宅和商業(yè)場景中均有廣泛應(yīng)用。在住宅應(yīng)用中，BESS作為一種備用電源，可以防止意外停電，并通過將電能從低價時段轉(zhuǎn)移至高價時段來節(jié)省電費(fèi)開支。在更大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用中，BESS能夠高效地存儲并管理由光伏逆變器產(chǎn)生的免費(fèi)清潔能源，從而實現(xiàn)低碳排放。BESS另一個主要應(yīng)用是能夠減輕電動汽車充電需求增長對電網(wǎng)帶來的壓力。
鋰離子電池作為電化學(xué)儲能系統(tǒng)的主要組成部分，具有功率/能量密度高、循環(huán)效率高、體積小、易于擴(kuò)展等特點。鋰離子電池技術(shù)經(jīng)過三十多年商業(yè)化發(fā)展的積淀，相對成熟，已成為一種可靠且低成本的解決方案�？梢哉f，鋰離子電池成本的持續(xù)下降有力地推動了儲能行業(yè)的發(fā)展。
市場信息與展望
1 不斷增長的電池儲能系統(tǒng)需求
根據(jù)《2023年世界能源展望》，全球能源模型既定政策情景 (Stated Policies Scenario) 顯示，電池儲能的總?cè)萘繉?022年的45太瓦時 (TWh) 增長至2030年的552太瓦時，復(fù)合年增長率 (CAGR) 達(dá)37%。
另一方面，據(jù)彭博新能源財經(jīng) (Bloomberg NEF) 的數(shù)據(jù)顯示，鋰離子電池單體的價格已經(jīng)降至歷史最低點，每千瓦時為107美元，相比2013年的535美元/千瓦時降低了約80%，這在很大程度上推動了電池儲能系統(tǒng)市場的發(fā)展。同時，可再生能源帶來的積極影響也不可忽視，國際能源署 (IEA) 預(yù)測，到2030年將新增超過800吉瓦 (GW) 光伏基礎(chǔ)設(shè)施。
2 更高的功率和電壓
大功率充電器通常用于商業(yè)場合，電池儲能系統(tǒng)通常與光伏逆變器系統(tǒng)配合使用。目前，額定電壓為1500V的光伏逆變器已進(jìn)入批量生產(chǎn)并投入使用。因此，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (PCS) 的直流電壓也需要提升到相同水平。在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，如光伏逆變器和電動汽車直流充電樁，高壓是一個明顯的趨勢，因為高壓可以在相同輸出功率下帶來更低的電流，減少系統(tǒng)損耗和電纜直徑。然而，高壓系統(tǒng)也對元器件提出了挑戰(zhàn)。在1500V系統(tǒng)中，一般首選多電平電路中額定電壓為 1200 V 的功率器件，或兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中額定電壓為 2000 V 的碳化硅 MOSFET。此外，必須仔細(xì)考慮由更高電壓和更大功率引起的安全和電磁干擾問題。
3 分布式系統(tǒng)和智能系統(tǒng)
新一代分布式電池儲能系統(tǒng)可以解決集中式系統(tǒng)的缺點。當(dāng)多個電池組并聯(lián)時，容易造成電池組之間的不平衡，導(dǎo)致某些電池組長期過度使用，最終影響電池系統(tǒng)的整體性能。相比之下，分布式系統(tǒng)可以實現(xiàn)子系統(tǒng)的分散管理，使維護(hù)工作變得更加容易，并提高系統(tǒng)的使用壽命，從而增加電池的充電循環(huán)次數(shù)。同樣的，光伏逆變器系統(tǒng)也具有這些特點和趨勢。
能源管理系統(tǒng) (EMS) ，是負(fù)責(zé)控制和決策的指揮中心，并同時監(jiān)控運(yùn)行過程中的系統(tǒng)故障，是電池儲能系統(tǒng)的重要組成部分。商用電池儲能系統(tǒng)中的能源管理系統(tǒng)所涉及的內(nèi)容非常復(fù)雜，需要進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和控制。它根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度中心的不同策略和指令控制每個節(jié)點，例如削峰填谷、光伏系統(tǒng)接入等。很快，大數(shù)據(jù)分析將被整合到預(yù)測運(yùn)行狀況、減少人工管理并最大限度地提高效率中。
集中式與分布式解決方案
4 電池儲能系統(tǒng)和光伏逆變器系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)集成
直流充電站的發(fā)展給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)帶來了挑戰(zhàn)。潛在的問題包括大量充電設(shè)備同時運(yùn)行對電網(wǎng)的影響、低功率因數(shù)設(shè)備或空載設(shè)備對電網(wǎng)造成的諧波影響，以及當(dāng)?shù)刈儔浩魅萘康南拗�。在商業(yè)案例中，連接光伏逆變器系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)變得至關(guān)重要。光伏逆變器可以與電網(wǎng)分擔(dān)部分電力負(fù)荷，電池儲能系統(tǒng)更為關(guān)鍵，它可以減少對電網(wǎng)的影響，實現(xiàn)能源套利，降低用戶成本。住宅用電池儲能系統(tǒng)還有助于減少高峰期電力需求，從而為家庭節(jié)約成本。另一個特點是，住宅電池儲能系統(tǒng)可作為備用電源，在電網(wǎng)發(fā)生故障時提供應(yīng)急電力。
系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)描述
1 構(gòu)建電池儲能系統(tǒng)的四個要素
電池儲能系統(tǒng)由四部分組成，不僅適用于商業(yè)類型，也適用于住宅類型。電池組由電池單元組成，用于構(gòu)建商業(yè)級系統(tǒng)，而高壓模塊則集成到機(jī)架或電池組中以提供更高容量。充放電電壓通常在 50 V 至 1100 V 之間，取決于電池電壓和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電池管理系統(tǒng)是一種管理充電電池的電子系統(tǒng)，可確保電池在安全運(yùn)行區(qū)域 (SOA) 下工作，監(jiān)控工作狀態(tài)，計算和報告實時數(shù)據(jù)等，以實現(xiàn)更長的工作壽命。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 是另一個重要的子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)電池組與電網(wǎng)或負(fù)載之間的電能雙向轉(zhuǎn)換。它在很大程度上決定了系統(tǒng)的成本、尺寸和性能。如前所述，能源管理系統(tǒng)是一種基于軟件的計算機(jī)輔助工具系統(tǒng)，電網(wǎng)運(yùn)營商用于監(jiān)測、控制和優(yōu)化發(fā)電或輸電系統(tǒng)的性能。
2 交流耦合系統(tǒng)和直流耦合系統(tǒng)
電池儲能系統(tǒng)目前分為兩類，即交流耦合系統(tǒng)和直流耦合系統(tǒng)。交流耦合電池儲能系統(tǒng)是一個獨(dú)立的系統(tǒng)，可以添加到現(xiàn)有的光伏/發(fā)電系統(tǒng)/電網(wǎng)中，因此易于升級。然而，它需要額外的功率轉(zhuǎn)換級來實現(xiàn)完全充/放電，因此損耗較高。另一方面，直流耦合系統(tǒng)可通過連接到直流母線以提供額外的儲能能力，通常用于住宅混合光伏逆變器。它只涉及一個DC-DC轉(zhuǎn)換步驟，因為直流母線電壓通常較高，可能會帶來安全或改裝方面的挑戰(zhàn)，需要在產(chǎn)品設(shè)計時提前做出考慮。
交流耦合系統(tǒng)
直流耦合系統(tǒng)
3 雙向運(yùn)行
電池儲能系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換級需要雙向運(yùn)行。通常情況下，三相逆變器可以雙向運(yùn)行，在反向模式、UPS 的無功模式或電機(jī)驅(qū)動的制動模式下，可作為 AC-DC 轉(zhuǎn)換器。這里有一個重點需要強(qiáng)調(diào)，一般來說，功率轉(zhuǎn)換器以及特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是通過選擇和調(diào)整開關(guān)和二極管的大小，針對一種使用情況和一種功率流方向進(jìn)行優(yōu)化的。在 PFC 模式下作為AC-DC轉(zhuǎn)換器使用的三相逆變器，其效率不及優(yōu)化的AC-DC PFC轉(zhuǎn)換器。即使是設(shè)計為雙向的DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個方向上的性能也會優(yōu)于另一個方向。因此，必須牢記最常見的使用情況。此外，正如我們看到的那樣，并非所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能實現(xiàn)雙向性，因此事先選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個重要因素。請閱讀《揭秘三相功率因數(shù)校正拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》，了解三電平技術(shù)和三電平PFC電路的特性。
在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用碳化硅產(chǎn)品
與 IGBT 相比，碳化硅 (SiC) 器件在高電壓和大電流應(yīng)用中具有更多優(yōu)勢，例如可實現(xiàn)高頻開關(guān)。盡管 IGBT 仍是電池儲能系統(tǒng)設(shè)計中的首選，但考慮到不同的開關(guān)策略，在某些部分采用碳化硅器件可以獲得更好的性能。例如，在使用 A-NPC 的雙向逆變器中，由于內(nèi)部開關(guān)需要特定開關(guān)策略下較高的開關(guān)頻率，因此可在內(nèi)部支路中選擇碳化硅器件以降低開關(guān)損耗，而其余開關(guān)可使用低 VCE(SAT) IGBT，以保持成本可控。 |
