关于储能系统设计，你必须要知道的这些干货细节
发布日期:2024-06-19
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储能系统 (Energy storage system) 在建设低碳世界的过程中发挥着关键作用，也是目前最蓬勃发展的工业应用之一。究其原因，主要包括各国以脱碳目标为主导的积极政策、新能源应用快速发展过程中对光伏发电等可再生能源存储和控制的需求，以及锂离子电池成本的不断降低。储能系统在应用方面与光伏系统和电动汽车充电站密切相关，它们在硬件设计和元器件选择方面有着相似之处。本指南将全面介绍储能系统及其市场，以及安森美(onsemi)提供的先进产品和解决方案，本文为第一部分，将重点介绍储能市场概况以及系统设计框架。
系统目标
储能系统 (ESS) 是一个被广泛研究的应用领域，它能将源自煤电、核电、风电和光伏发电等多种发电方式所产生的电力，以多种方式进行有效存储。例如电化学储能（电池）、机械储能（压缩空气）、热储能（熔盐）等。在本指南中，我们将重点关注与光伏逆变器系统相连接的电池储能系统。
电池储能系统 (BESS) 在住宅和商业场景中均有广泛应用。在住宅应用中，BESS作为一种备用电源，可以防止意外停电，并通过将电能从低价时段转移至高价时段来节省电费开支。在更大规模的商业应用中，BESS能够高效地存储并管理由光伏逆变器产生的免费清洁能源，从而实现低碳排放。BESS另一个主要应用是能够减轻电动汽车充电需求增长对电网带来的压力。
锂离子电池作为电化学储能系统的主要组成部分，具有功率/能量密度高、循环效率高、体积小、易于扩展等特点。锂离子电池技术经过三十多年商业化发展的积淀，相对成熟，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有力地推动了储能行业的发展。
市场信息与展望
1 不断增长的电池储能系统需求
根据《2023年世界能源展望》，全球能源模型既定政策情景 (Stated Policies Scenario) 显示，电池储能的总容量将从2022年的45太瓦时 (TWh) 增长至2030年的552太瓦时，复合年增长率 (CAGR) 达37%。
另一方面，据彭博新能源财经 (Bloomberg NEF) 的数据显示，锂离子电池单体的价格已经降至历史最低点，每千瓦时为107美元，相比2013年的535美元/千瓦时降低了约80%，这在很大程度上推动了电池储能系统市场的发展。同时，可再生能源带来的积极影响也不可忽视，国际能源署 (IEA) 预测，到2030年将新增超过800吉瓦 (GW) 光伏基础设施。
2 更高的功率和电压
大功率充电器通常用于商业场合，电池储能系统通常与光伏逆变器系统配合使用。目前，额定电压为1500V的光伏逆变器已进入批量生产并投入使用。因此，功率转换系统 (PCS) 的直流电压也需要提升到相同水平。在大功率转换应用中，如光伏逆变器和电动汽车直流充电桩，高压是一个明显的趋势，因为高压可以在相同输出功率下带来更低的电流，减少系统损耗和电缆直径。然而，高压系统也对元器件提出了挑战。在1500V系统中，一般首选多电平电路中额定电压为 1200 V 的功率器件，或两电平拓扑结构中额定电压为 2000 V 的碳化硅 MOSFET。此外，必须仔细考虑由更高电压和更大功率引起的安全和电磁干扰问题。
3 分布式系统和智能系统
新一代分布式电池储能系统可以解决集中式系统的缺点。当多个电池组并联时，容易造成电池组之间的不平衡，导致某些电池组长期过度使用，最终影响电池系统的整体性能。相比之下，分布式系统可以实现子系统的分散管理，使维护工作变得更加容易，并提高系统的使用寿命，从而增加电池的充电循环次数。同样的，光伏逆变器系统也具有这些特点和趋势。
能源管理系统 (EMS) ，是负责控制和决策的指挥中心，并同时监控运行过程中的系统故障，是电池储能系统的重要组成部分。商用电池储能系统中的能源管理系统所涉及的内容非常复杂，需要进行实时数据采集和控制。它根据电网调度中心的不同策略和指令控制每个节点，例如削峰填谷、光伏系统接入等。很快，大数据分析将被整合到预测运行状况、减少人工管理并最大限度地提高效率中。
集中式与分布式解决方案
4 电池储能系统和光伏逆变器系统的生态系统集成
直流充电站的发展给当地电网带来了挑战。潜在的问题包括大量充电设备同时运行对电网的影响、低功率因数设备或空载设备对电网造成的谐波影响，以及当地变压器容量的限制。在商业案例中，连接光伏逆变器系统和电池储能系统变得至关重要。光伏逆变器可以与电网分担部分电力负荷，电池储能系统更为关键，它可以减少对电网的影响，实现能源套利，降低用户成本。住宅用电池储能系统还有助于减少高峰期电力需求，从而为家庭节约成本。另一个特点是，住宅电池储能系统可作为备用电源，在电网发生故障时提供应急电力。
系统实现
系统描述
1 构建电池储能系统的四个要素
电池储能系统由四部分组成，不仅适用于商业类型，也适用于住宅类型。电池组由电池单元组成，用于构建商业级系统，而高压模块则集成到机架或电池组中以提供更高容量。充放电电压通常在 50 V 至 1100 V 之间，取决于电池电压和电路拓扑结构。电池管理系统是一种管理充电电池的电子系统，可确保电池在安全运行区域 (SOA) 下工作，监控工作状态，计算和报告实时数据等，以实现更长的工作寿命。功率转换系统 是另一个重要的子系统，用于实现电池组与电网或负载之间的电能双向转换。它在很大程度上决定了系统的成本、尺寸和性能。如前所述，能源管理系统是一种基于软件的计算机辅助工具系统，电网运营商用于监测、控制和优化发电或输电系统的性能。
2 交流耦合系统和直流耦合系统
电池储能系统目前分为两类，即交流耦合系统和直流耦合系统。交流耦合电池储能系统是一个独立的系统，可以添加到现有的光伏/发电系统/电网中，因此易于升级。然而，它需要额外的功率转换级来实现完全充/放电，因此损耗较高。另一方面，直流耦合系统可通过连接到直流母线以提供额外的储能能力，通常用于住宅混合光伏逆变器。它只涉及一个DC-DC转换步骤，因为直流母线电压通常较高，可能会带来安全或改装方面的挑战，需要在产品设计时提前做出考虑。
交流耦合系统
交流耦合系统直流耦合系统
3 双向运行
电池储能系统的功率转换级需要双向运行。通常情况下，三相逆变器可以双向运行，在反向模式、UPS 的无功模式或电机驱动的制动模式下，可作为 AC-DC 转换器。这里有一个重点需要强调，一般来说，功率转换器以及特定的拓扑结构，是通过选择和调整开关和二极管的大小，针对一种使用情况和一种功率流方向进行优化的。在 PFC 模式下作为AC-DC转换器使用的三相逆变器，其效率不及优化的AC-DC PFC转换器。即使是设计为双向的DC-AC拓扑结构，在一个方向上的性能也会优于另一个方向。因此，必须牢记最常见的使用情况。此外，正如我们看到的那样，并非所有拓扑结构都能实现双向性，因此事先选择正确的拓扑结构是一个重要因素。请阅读《揭秘三相功率因数校正拓扑结构》，了解三电平技术和三电平PFC电路的特性。
在功率转换系统中应用碳化硅产品
与 IGBT 相比，碳化硅 (SiC) 器件在高电压和大电流应用中具有更多优势，例如可实现高频开关。尽管 IGBT 仍是电池储能系统设计中的首选，但考虑到不同的开关策略，在某些部分采用碳化硅器件可以获得更好的性能。例如，在使用 A-NPC 的双向逆变器中，由于内部开关需要特定开关策略下较高的开关频率，因此可在内部支路中选择碳化硅器件以降低开关损耗，而其余开关可使用低 VCE(SAT) IGBT，以保持成本可控。
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