通過(guò)碳化硅(SiC)增強(qiáng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池可以用來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源在高峰時(shí)段產(chǎn)生的能量，這樣當(dāng)環(huán)境條件不太有利于發(fā)電時(shí)，就可以利用這些儲(chǔ)存的能量。本文回顧了住宅和商用電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后介紹了安森美(onsemi) 的EliteSiC 方案，可作為硅MOSFET 或IGBT開(kāi)關(guān)的替代方案，改善 BESS 的性能。

BESS的優(yōu)勢(shì)

最常用的儲(chǔ)能方法有四種，分別是電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能。鋰離子電池是家喻戶(hù)曉的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有高功率密度、高效率、外形緊湊、模塊化等特點(diǎn)。此外，鋰離子電池技術(shù)成熟，因此非常可靠且成本較低。隨著鋰離子電池價(jià)格的持續(xù)下降，其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的使用不斷增加。

使用帶有儲(chǔ)能電池的并網(wǎng)/離網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)，為住宅和商業(yè)用戶(hù)帶來(lái)諸多好處， 包括以下幾個(gè)方面。

●   價(jià)格：當(dāng)公用事業(yè)提供商的電價(jià)較高時(shí)，儲(chǔ)存能量可以降低電費(fèi)。

●   自給自足：儲(chǔ)存能量可以減少（或消除）對(duì)電網(wǎng)的依賴(lài)。

●   備用電源：儲(chǔ)存的電力可在主電源出現(xiàn)故障時(shí)用作替代電源。

圖1 BESS實(shí)施概覽

BESS主要構(gòu)建模塊

BESS通常包括四大構(gòu)建模塊。

●   可充電電池模塊：其中包括機(jī)架式電池單元，其標(biāo)稱(chēng)電壓從50 V 到 1000 V 以上不等。

●   電池管理系統(tǒng) (BMS)：BMS 用于‘保護(hù)和管理可充電電池，確保電池在安全工作參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。

●   變流器 (PCS)：PCS 將電池組連接到電網(wǎng)和負(fù)載，是影響 BESS 成本、尺寸和整體性能的一個(gè)重要因素。

●   能源管理系統(tǒng) (EMS)：EMS 軟件用于監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化發(fā)電或輸電系統(tǒng)。

圖2 住宅交流耦合（上）和直流耦合（下）ESS

住宅BESS

與BESS搭配使用的變流器可以按照耦合能量的方式（交流或直流）分類(lèi)，也可以按照功率等級(jí)（住宅或商業(yè)）分類(lèi)。直流耦合系統(tǒng)或混合逆變器僅需要一個(gè)電源轉(zhuǎn)換步驟。然而，對(duì)于現(xiàn)有太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，雖然交流耦合儲(chǔ)能是一種簡(jiǎn)單的升級(jí)方案，但它需要額外的電源轉(zhuǎn)換步驟來(lái)對(duì)電池充電和放電，因此可能會(huì)損失更多功率。例如，住宅變流器可以添加到現(xiàn)有太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)中，以使用產(chǎn)生的能量為備用電池充電或?yàn)榧矣秒娖鞴╇姟?/p>

雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器用于連接電池組和直流鏈路。單相系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓通常小于600 V，而充放電功率不會(huì)超過(guò)10 kW。在這種情況下，降壓- 升壓轉(zhuǎn)換器是最常見(jiàn)的雙向DC-DC 拓?fù)?，因?yàn)樗枰慕M件少且易于控制。在此類(lèi)雙向系統(tǒng)中，兩個(gè)帶有并聯(lián)二極管的650 V IGBT 或MOSFET 就足夠了。例如，安森美的650 V FS4 IGBT FGH4L75T65MQDC50 集成了SiC 二極管，可在這種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通和低開(kāi)關(guān)損耗。

隔離可以確保BESS 用戶(hù)的安全，雙有源橋轉(zhuǎn)換器 (DAB) 或CLLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為BESS 提供了隔離型雙向DC-DC 轉(zhuǎn)換器方案。如果電池電壓發(fā)生顯著變化，級(jí)聯(lián)前端降壓- 升壓電路可以提供更寬范圍的輸入和輸出電壓。這種方法還降低了無(wú)功功率，并增加了軟開(kāi)關(guān)區(qū)的大小。NTP5D0N15MC 150 V N 溝道屏蔽柵極PowerTrench MOSFET 非常適合這些拓?fù)洹?/p>

商業(yè)和企業(yè)場(chǎng)所及具有較大功率需求的家庭通常采用標(biāo)準(zhǔn)的三相電源。在三相應(yīng)用中，電源開(kāi)關(guān)必須能夠承受所需的工作電壓和電流，以提供高達(dá)15 kW 的輸出功率，而且還要能夠承受高于住宅裝置所用的直流鏈路電壓（高達(dá)1 000 V）。為此，可以將之前考慮的650 V開(kāi)關(guān)替換為1 200 V 器件，作為三電平對(duì)稱(chēng)降壓- 升壓拓?fù)涞囊徊糠帧＿@樣，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)更低，因?yàn)橹挥幸话氲妮敵鲭妷撼霈F(xiàn)在開(kāi)關(guān)和二極管上。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所需的電感更小，并且EMI 性能得到改善。遺憾的是，這種方法需要更多組件，導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜性、控制難度和系統(tǒng)成本增加。

商用BESS

商用儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入和輸出功率范圍通常在100 kW至2 MW 之間。這些大型裝置可能由若干個(gè)三相子系統(tǒng)組成，功率范圍從幾十千瓦到超過(guò)100 kW 不等。在這類(lèi)應(yīng)用中，最大直流電壓是一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，它取決于現(xiàn)有太陽(yáng)能系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓或電池電壓。標(biāo)準(zhǔn)商用太陽(yáng)能逆變器的直流母線(xiàn)電壓通常為1 100 V，但在公用事業(yè)規(guī)模系統(tǒng)中可能高達(dá)1 500 V。對(duì)于給定功率水平，提高直流母線(xiàn)電壓會(huì)降低電流，從而降低互連電纜的成本。

圖3 雙向DC-DC的降壓-升壓

交流耦合系統(tǒng)更常用于商用BESS，因?yàn)樗梢暂p松添加到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。直流耦合系統(tǒng)對(duì)電氣改造的要求相對(duì)較高，尤其是商用場(chǎng)合，因?yàn)楸仨殞⑵溥B接到直流母線(xiàn)，而直流母線(xiàn)通常位于原系統(tǒng)內(nèi)部，具有高電壓和高電流。三電平I-NPC 是大功率工業(yè)應(yīng)用中常常與逆變器配合使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它有四個(gè)開(kāi)關(guān)、四個(gè)反向二極管和兩個(gè)鉗位二極管，擊穿電壓低于實(shí)際直流鏈路電壓，這意味著650 V 開(kāi)關(guān)在1 100 V 系統(tǒng)中就足夠了。

圖4 三相I-NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，其開(kāi)關(guān)損耗較低（與施加到開(kāi)關(guān)和二極管的電壓的平方成正比）。其次，其電流紋波較低，并且峰峰值電壓為總輸出的一半，因而更容易利用較小、成本較低的電感進(jìn)行濾波。最后，與電流紋波相關(guān)的傳導(dǎo)EMI 更低，電磁輻射也更低。升級(jí)到A-NPC 拓?fù)淇商峁└玫男阅埽驗(yàn)樗脙蓚€(gè)更低損耗的有源開(kāi)關(guān)取代了兩個(gè)鉗位二極管。然而，對(duì)于這種架構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器配對(duì)和延遲匹配至關(guān)重要，但這在某些應(yīng)用中可能是一個(gè)不利因素。

SiC方案有助于改善BESS性能

SiC具有比硅更優(yōu)越的性能特征，例如：更寬的帶隙、更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和更高的熱導(dǎo)率。這些特性使SiC器件能夠在更高的頻率下工作，而無(wú)需權(quán)衡輸出功率與電感尺寸。憑借 SiC 帶來(lái)的更高工作效率，在某些情況下，可使用自然散熱來(lái)代替強(qiáng)制風(fēng)冷。安森美的650 V EliteSiC MOSFET NTH4L015N065SC1和NTBL045N065SC1是取代儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中硅基開(kāi)關(guān)的理想選擇。同時(shí)，EliteSiC 功率集成模塊采用1 200 VNXH40B120MNQ0 雙升壓和 NXH010P120MNF1 2 件裝半橋，可以在公用事業(yè)規(guī)模系統(tǒng)中提供更高的功率密度。安森美還提供其他幾種組件，包括柵極驅(qū)動(dòng)器、電流檢測(cè)放大器和 MACPHY 以太網(wǎng)控制器，都可用于BESS應(yīng)用。

（本文來(lái)源于EEPW 2023年10月期）