向光伏系統(tǒng)添加儲能的四大設計注意事項

內容概覽 

本文介紹了向太陽能電網添加儲能系統(tǒng)時的 設計挑戰(zhàn)：

1.雙向功率轉換 

高級雙向電源拓撲可在電網、光伏陣列 和電池管理系統(tǒng)之間實現安全高效的功 率傳輸。 

2.高電壓電池

以前使用 48V 電池組的太陽能裝置正在 采用 400V 電池組，因此需要電壓更高的 電池。 

3.時尚的儲能系統(tǒng)設計 

為了實現時尚的設計，工程師需要設計自 然對流冷卻最小的熱優(yōu)化系統(tǒng)。 

4.電流和電壓感應 

在準確感應電流和電壓方面，開關頻率較 高的系統(tǒng)具有幾個設計注意事項。

白天，太陽能非常充足，但電流需求較低。供需平衡需求將促 使光伏系統(tǒng)快速整合儲能系統(tǒng)。

盡管光伏 (PV) 裝置持續(xù)增加，但太陽能電網供需不 平衡的限制性已日益凸現。中午前后太陽能極為充 足，但這時需求不高，這意味著消費者在早晚使用高 峰時，每瓦要支付更高的成本。

 用于住宅、商業(yè)和公用事業(yè)太陽能裝置的儲能系統(tǒng) (ESS) 支持逆變器儲存白天收集的能量，或者在需求 較低時從電網獲取電能，在需求較高時提供這些儲存 的能量。通過向太陽能并網系統(tǒng)添加 ESS，用戶可以 通過“削峰填谷”的方式降低成本。 

在本白皮書中，我將探討并網太陽能裝置集成儲能系 統(tǒng)的設計注意事項。

雙向功率轉換

常規(guī)的太陽能裝置包括單向直流/交流和直流/直流 功率級，但是單向方法使 ESS 集成面臨主要障礙：它 需要更多的元件、模塊和子系統(tǒng)，所有這些都顯著增 加了向現有的太陽能裝置中添加 ESS 的成本。 

要向現有的太陽能裝置添加儲能系統(tǒng)，需要將電池 充電和放電兩條路徑合并為一條包含功率因數校正 (PFC) 和逆變器功率級的路徑。但是，如何用雙向功 率轉換器取代兩個單向轉換器呢？ 

高級雙向電源拓撲（如圖1所示）可在電網、光伏 陣列和電池管理系統(tǒng)中實現安全高效的電力傳輸。諸 如 C2000? 實時 MCU 之類的微控制器 (MCU) 廣泛 用于此類電源拓撲。這些控制器可以控制一個或多 個功率級，從而為具有 ESS 的光伏逆變器實現數字 控制的雙向功率轉換架構。MCU 控制可為處理直流/ 交流和直流/直流轉換的功率開關提供更復雜的脈寬 調制（PWM）方案。

圖 1.雙向 PFC 和逆變器級的方框圖

混合逆變器可幫助轉換級實現更高的效率，由于會 進行多次功率轉換，這在集成 ESS 的微電網中變得 越來越重要。電源轉換器系統(tǒng)可通過直流/直流轉換 來對電池充放電，也可以進行直流/交流和交流/直流 轉換，這些操作可將儲存在電池中的直流電源轉換 為交流，從而將其饋入電網或反之。 

高電壓電池 

在集成儲能的微電網系統(tǒng)中，電池的主要功能是儲 存光伏能量，并在需要時向電網注入能量。鋰離子電 池組比鉛酸電池組具有更高的儲能密度。 

隨著 400V 電池組在電動汽車 (EV) 領域變得越來越 普遍，太陽能電網裝置中的電池電壓也在不斷增加， 超過 48V 電池組。但是，如何管理 400V 電池組的功 率轉換呢？ 

除了提供系統(tǒng)控制和通信以幫助 ESS 集成到大型 系統(tǒng)中的 MCU 外，低損耗和高效率的功率開關也 會使儲能系統(tǒng)安全可靠?；谔蓟?(SiC) 和氮化鎵(GaN) 材料的緊湊型電源開關，以及實時控制 MCU， 有助于確保雙向轉換器的適用性，使其可以與各種直 流儲能單元一起工作。如下頁圖 2所示。 

隨著電池電壓的升高，對于轉換器更高功率密度，更 低開關損耗的要求，寬帶隙半導體器件，例如SiC和 GaN，將扮演越來越重要的角色。功率轉換系統(tǒng)還可 以幫助電池組更好地管理分布式發(fā)電系統(tǒng)中的功率 波動，并使電網在更高和更寬的電壓范圍內實現智 能、彈性運行。

 最終，太陽能裝置可能會模仿電動汽車使用的電池 組。越來越多的人認為，電動汽車當前使用的電池組 將作為并網 ESS 回收再利用。 

用于提高效率和實現自然對流的寬帶 隙材料 

為了打造時尚的壁掛式儲能系統(tǒng)，必須確保對逆變器 設計進行熱優(yōu)化，使自然對流冷卻最小。分布式電源 架構可將熱量分散在整個系統(tǒng)中。此類架構還使儲能逆變器支持不同電壓下的高電流水平，并能夠對快速 變化的負載提供可靠的瞬態(tài)響應。 

這種系統(tǒng)將需要柵極驅動器，該驅動器可支持快速開 關并在 100kHz 至 400kHz 的開關頻率下提供保護。 如果開關速度不夠快，那么功率轉換級可能會產生巨 大的效率損失。 

這正是寬帶隙材料（例如 SiC 和 GaN）的用武之 地，它可提供更快的開關速度和更高的功率密度。 這些半導體器件有助于設計無需風扇冷卻的系 統(tǒng)。LMG3425R030 是一款 GaN 器件，具有集成驅動 器和保護特性，可提供緊湊的外形尺寸、更高的功率 密度和更快的開關性能。

 柵極驅動器將來自控制器的數字 PWM 信號轉換為 SiC 或 GaN 場效應晶體管所需的電流?；?PWM 的 控制器可確保在多個功率轉換級準確地采樣電壓和 電流。

圖 2.雙有源電橋直流/直流轉換器設計有助于實現雙向運行，從而支持電池充電和放電應用

使用 C2000 MCU 的雙向高密度 GaN CCM 圖騰柱 PFC 參考設計包括一個雙向圖騰柱無橋 PFC 功率 級，它采用 C2000 實時 MCU 和具有集成驅動器和 保護特性的 LMG3410R070 GaN FET（圖 3）。3kW 雙向設計可利用切相和自適應死區(qū)時間提高效率， 并借助非線性電壓環(huán)降低 PFC 模式下的瞬態(tài)電壓 尖峰。

圖 3

電流和電壓感應

高頻開關的電源設計面臨精確感應電流和電壓的挑 戰(zhàn)?；诜至髌鞯碾娏鳒y量不僅更準確，而且還提供 更快的響應時間，從而對電網中的任何變化做出快速 反應，并在發(fā)生短路或電網連接丟失的情況下關閉系 統(tǒng)。以逆變器為中心的設計包含電流測量，因為控制 算法需要通過電流感應進行控制。針對隔離型電流測 量，可采用具有外部分流器和隔離放大器或調制器圖 3.GaN CCM 圖騰柱參考設計采用數字控制，使用 C2000 實時 MCU 和具有集成式柵極驅動器和保護特 性的快速開關 GaN 器件電源的設計解決方案。例如，10kW 雙向三相 三電平 (T 型）逆變器和 PFC 參考設計采用 AMC1306 隔離 調制器進行負載電流監(jiān)測。AMC3306 是一款具有集 成直流/直流轉換器的新一代隔離式調制器，能實現 單電源運行。 

對于使用較高電壓的逆變器驅動應用中需要跨不同 電壓域傳輸數據的任何數字信號，可以使用隔離器件 來克服電壓限制。諸如 ISO7741 之類的數字隔離器 支持高頻信號跨越電源邊界，同時保護低壓數字電路 免受高壓域的影響。 

電源轉換器必須測量電網電流，才能確保電流與電壓 同相。電流和電壓測量還可控制電池充電電流，確保 逆變器可靠運行并提供過載保護。

結束語 

提供雙向交流/直流和直流/直流電源轉換的混合逆 變器可能會在幾年內取代傳統(tǒng)的光伏逆變器?；旌夏? 變器支持光伏逆變器設計人員在各種輸出功率和電 壓下實現功率轉換。 

對于儲能型光伏逆變器，具有更高且更寬的電池電壓 范圍很重要。鑒于對高效率和自然對流的需求，基本 構建塊（例如基于 MCU 的控制和具有集成柵極驅動 器和保護特性的寬帶隙半導體）可以適應上述更高和 更寬的電池電壓范圍。 

C2000 實時 MCU 和 LMG3425R030 GaN 器件能夠 處理儲能型太陽能電網中的雙向能量傳輸。同樣，基 于分流器的電流和電壓感應可以確保高電壓電池和 快速開關電源轉換器安全可靠地工作。