什么是储能系统？

能量存储是收集产生的能量，以供以后存储和使用。电池储能系统用于创建独立于公用事业的太阳能家庭或企业（称为住宅或商业ESS），被称为“表后”。相反，公用事业规模的ESS被称为“表前”，用于在需求量大的时期补充发电量。两种情况都利用采用不同架构、拓扑和功率半导体技术的双向功率转换器。

住宅太阳能装置中的ESS

住宅太阳能系统通过逆变器与公用电网相连，逆变器可在日照时间将太阳能电池板的功率转换为交流电。多余的电力可以卖给公用事业公司，但是在黑暗的时刻，最终用户仍必须依靠公用事业来提供电力。公用事业公司已经能够通过调整定价模式，将住宅用户转移到“使用时间”费率，从而在没有太阳能的情况下收取更多的费用，从而利用这些限制。将ESS添加到系统中，使用户可以通过所谓的“调峰”来解决此问题并保护自己免受高昂的能源成本，将太阳能电池板收集的电量存储在电池中，以随时满足其电力需求。

电池技术的发展导致了锂离子（Li-ion）电池组的生产，其单位质量和单位体积的电荷存储量比旧技术的铅酸电池要高得多。结合有效的双向电源转换系统，它们可用于制造3至12千瓦范围的紧凑型壁挂式ESS装置，能够为房屋提供24小时或更长时间的供电。但是，尽管锂离子电池具有能量密度方面的优势，但它们仍具有一些缺点，特别是在安全性方面，包括过热或在高压下损坏的趋势。需要使用安全机制来限制电压和内部压力。由于老化，存储容量也会下降，导致运行几年后最终出现故障。因此，每个电池组都必须包括一个电子电池管理系统（BMS），以确保安全有效地运行。

与太阳能逆变器不同，ESS必须在两种需要双向转换的模式下运行：

充电模式，当电池正在充电时

备用模式，当电池为连接的负载供电时。

结合太阳能电池板的住宅ESS分为DC或AC耦合系统。在直流耦合系统中，单个混合逆变器在公共直流总线上结合了双向电池转换器和DC-DC太阳能MPPT级的输出，然后为并网逆变器级供电。但是，交流耦合系统（有时称为“交流电池”）变得越来越受欢迎，因为这种类型的ESS可以很容易地改装到一个已经存在的太阳能装置上，因为交流耦合ESS直接连接到电网，而该装置最初并没有配备储能设备。另一个优点是能够很容易地进行并联，从而提供更大的电源容量和存储容量。

住宅ESS电源转换器架构

图1：住宅储能系统的基本框图

上图概述了基于48V锂离子电池组的交流耦合系统。整个系统通常安装在壁挂式机箱中。电池组包括一个集成的电子电池管理系统（BMS），该电池管理系统需要管理单个电池的充电状态（SOC），这些电池的额定状态通常为标称的3.2V。通过防止在过度充电或充电不足的状态下运行，可以最大程度地减少电池劣化。 BMS包含专门的控制IC和基于沟槽技术的低压MOSFET开关，例如Infineon的OptiMOSTM或StrongIRFET™系列，通常在80V至100V的电压范围内。

在此示例中，功率转换系统分为三个阶段，每个阶段都基于有源功率开关而不是二极管来支持双向功率转换。有几种可能的拓扑，其中许多是基本H桥的变体。下图显示了结合两个并行功率转换级以共享功率传输的拓扑：

图2：住宅ESS的可能的转换器拓扑

阶段1：第一阶段将电池电压（通常为48 V）转换为高频AC，以通过变压器升压。在此示例中，选择了一个谐振拓扑以在备用模式下以零电压开关工作，以通过尽可能避免开关损耗来最大化效率。在充电模式下，该级用作同步整流器。

该级在低电压和高电流下切换，非常适合RDS（ON）非常低的60 V沟槽MOSFET器件，例如Infineon的OptiMOSTM系列。这样的设备可以并联连接。具有出色散热能力和极低寄生封装电感的封装（例如DirectFETTM）非常适合。

阶段2：第二阶段在高电压和较低电流下运行，当ESS在备用模式下供电时执行同步整流功能，并在充电模式下将高压DC转换为高频AC以通过变压器降压。

由于总线电压通常在400至500 V之间，这一阶段需要600-650 V开关，能够在高频下进行切换，同时尽可能降低开关和传导损耗。与硅超结(SJ)器件相比，宽带隙碳化硅沟槽mosfet具有许多优点，使其能够在几千瓦及以上的功率级别上达到更高的转换效率。更高的临界击穿场允许维持给定的额定电压，同时减小设备的厚度，从而实现更低的导通电阻。

英飞凌CoolSiC™MOSFET 650 V产品系列提供的RDS（on）低至27mΩ。较高的热导率对应于较高的电流密度，而较宽的带隙导致高温下的泄漏电流较低。从25°C到100°C的RDS（on）乘积系数对于CoolMOS™为1.67，对于CoolSiC™为1.13。这意味着，为了使CoolMOS™和CoolSiC™具有相同的传导损耗，可以为CoolSiC™设计更高的RDS（on）。

此外，输出电荷（QOSS）和反向恢复电荷（Qrr）明显较低。 CoolMOS™的发展已导致体二极管Qrr的减少，现在可作为快速二极管器件系列CFD和CFD7使用。然而，这种电荷仍然太高，无法实现CoolSiC™可能达到的非常高的效率，该器件的电荷比市场上最好的快速二极管SJ MOSFET低10倍。

阶段3：示例中的第三阶段基于高效可靠的逆变器概念（HERIC）。在备用模式期间，高直流总线电压被转换为PWM调制的高频交流波形，然后通过低通输出滤波器产生正弦波输出。 HERIC逆变器采用了额外的背靠背开关，该开关在低频下工作，以在四个H桥开关均关断的周期内使输出电感器电流与输入去耦。这样可以降低共模噪声泄漏电流和EMI。

在充电模式下，该级用作同步图腾柱PFC升压转换器，能够在正线和负线半周期内运行以生成高压DC总线，然后将其转换回第（2）和（1）步进行充电电池。

H桥需要600-650 V电源开关，以避免在任何线路电涌事件期间发生雪崩。由于该阶段在两种工作模式下都很难切换，因此快速恢复体二极管至关重要。最小化开关损耗，同时由于低导通电阻而降低了传导损耗，并改善了温度稳定性，从而提高了整体效率。在备用模式操作期间，背对背开关还需要类似的额定电压和快速的体二极管恢复。

多级转换器拓扑

第三级可以用也是双向的多级（ML）逆变器代替。除了两个电平，还可以在开关级的输出节点上产生多个可能的电压电平，包括+ VDC / 2和–VDC / 2之间的0 V中点和中间电压电平，以馈入输出滤波器。根据DC总线和输出电压要求，可能有5级，7级或9级拓扑。 MOSFET可以串联—并联组合连接。

图3：5级飞跨电容有源中性点钳位逆变器基本原理图

代替高压开关，多电平逆变器使用具有非常低的RDS（on）和体二极管恢复电荷Qrr的低压沟槽MOSFET器件。这些因素大大减少了传导和开关损耗，从而有可能达到比传统逆变器更高的效率水平。多开关逆变器设计已在中高功率应用中变得流行，这是因为减少了开关元件的功耗，从而降低了散热，降低了谐波含量，减少了滤波并显着降低了EMI。

公用事业级ESS

公用事业级ESS运行于100 kW以上，通常以480 VRMS的功率提供三相交流电。系统概念类似于住宅ESS，但是许多锂离子电池组与每个电池组串联连接，每个电池组包括其自己的集成BMS，以产生大于740 V的总电池电压。

图4：公用事业级ESS的典型转换器拓扑

额定电压为1200 V的IGBT模块通常用于连接到800至900V DC总线的功率转换级。该系统架构在电池利用率方面受到限制，因为对于具有不同充电状态的串联连接的电池组，该系统只能在一个电池组达到最低允许充电水平之前运行。此时，即使其他电池组可能仍保持大量电量，将电池利用率限制为最弱的电池组，也必须关闭整个系统。

公用事业级ESS中的多级概念

为了克服上述限制，已经开发了模块化的级联多级体系结构。现在，每个电池组都连接到双向电源转换器模块。它们的输出串联连接以构建高压DC总线。多级操作发生在系统级别，因为模块可以以不同的串联和并联配置连接，以在不同的时间产生不同的电压级别，这些电压级别由中央控制器管理。通过逐步调整电压水平，组装了近似的全波整流正弦电压总线，然后对其进行滤波以去除谐波含量，并使其通过低频展开级，以产生正弦波电压输出，以连接到电网。

借助能够配置或旁路模块的额外灵活性，高级控制方案可以通过从保存更多电荷的电池组中获取更多功率来补偿不同电池的不同SOC。

图5：级联模块化多级ESS中的电池充电灵活性

模块拓扑有多种变化，通常需要80或100V沟槽MOSFET器件，例如Infineon StrongIRFET™和OptiMOS™系列，采用无铅封装的TOS或DirectFET™等无铅封装具有较低RDS（on）和较宽广的安全工作区（SOA）。封装经过优化，以尽可能减小电阻和电感，以支持大电流。 可以并联使用两个或多个MOSFET，以共享数百安培的电流。 开关频率可以低于10 kHz，因为多级系统中的有效输出频率将模块开关频率乘以级数（模块）减一。

此处已简要介绍了ESS。 预计在未来十年中，住宅，工业和公用事业规模的采用率将增长。 到目前为止，还没有任何一种架构成为主导。

本文编译自powerelectronicsnews。