提升能源效率：储能系统在光伏集成中的作用
撰文：Omara Aziz Arrow Electronics 全球技术领域领导者
随着世界向更可持续和可再生的能源来源转变，太阳能在能源市场中已成为关键的参与者。太阳能光伏（PV）系统因其能够产生清洁能源，同时减少对化石燃料的依赖并降低电费，已被广泛地被家庭、企业和公用事业采用。然而，太阳能面临的一个挑战是其间歇性特性。阳光不总是照耀，因此能源生产可能不稳定。对具有高效率、改进的功率密度和更高功率处理能力的太阳能逆变器的需求不断增加。这就是将能源存储系统（ESS）与太阳能逆变器结合成为游戏规则改变者和强大解决方案的原因，可以确保持续可靠的能源供应。随着技术的进步和成本的下降，预期太阳能加储能系统的采用将会增长，为更可持续和有韧性的能源未来铺平道路。本文探讨了在住宅和商业安装中将能源存储与光伏系统集成的好处、类型和拓扑结构考量。
了解太阳能逆变器与储能
太阳能逆变器是太阳能光伏系统的核心。它们将太阳能电池板产生的直流电（DC）转换为交流电（AC），然后可以输入电网。除了转换功能外，太阳能逆变器还管理能量流动，优化系统性能，并提供安全机制以保护整个光伏系统。 储能系统（ESS）是一种储存能量以备后用的技术，帮助平衡供需并增强电网可靠性。这些系统可以以多种形式储存能量，如电力、化学、机械和热能。ESS有几种类型，以下是最常见的方法：
- 电池储能系统（BESS）如“锂离子电池”由于其高能量密度、效率和不断下降的成本而被广泛使用。常见于电网储能和电动汽车。
- 机械储能系统，如“抽水蓄能”是最成熟的大规模储能技术。它涉及在不同高程的两个水库之间的水的移动。这种类型提供了最高容量的储能形式。
- 热储能系统“熔盐储能”用于太阳能热发电厂储存热量并在需要时发电。在商业应用中用于短期能量储存。
将储能与太阳能逆变器集成的好处
将ESS与太阳能逆变器相结合可提供能源独立性和可靠性。通过储存多余的太阳能，用户可以减少对电网的依赖，并在停电或太阳能发电量低的时期确保稳定的电力供应。这允许在需求高峰期或电价较高时使用储存的太阳能，从而降低公用费用并减少对电力基础设施的压力。此外，储能系统还可以通过稳定电网频率来为频率调节服务做出贡献，从而改善电网的整体性能。
储能系统细分
储能系统的应用范围广泛。ESS的细分可分为前端计量(FTM)和后端计量(BTM)。FTM ESS通常连接到5兆瓦以上的高功率系统。这里使用的是笨重的固定式ESS，从发电阶段开始，可以与PV公用事业规模系统或风力系统结合，移动到输电阶段，最后到配电阶段。右侧是BTM ESS。在这一领域，储能系统与住宅和商业PV系统结合，其范围从几千瓦到5兆瓦。
太阳能逆变器的类型
串式逆变器通过将太阳能电池板与串联连接在一起工作。来自电池板的直流电汇聚到单个逆变器，将其转换为交流电。它们通常用于住宅、商业和公用事业规模的安装。串式逆变器产生单相或三相交流电，功率高达200kW。电池板电压约为600V，随后通过直流-直流升压转换器为单相逆变器提供直流链路电压。对于三相逆变器，使用1000到1500伏特直流电的电池板电压和升压转换器。串式逆变器经济高效，安装和维护相对简单。如果串中的一个电池板被遮挡或性能不佳，则可能影响整个系统的性能。 相反，微型逆变器为每个电池板配备单独的微型逆变器，并在电池板级别将直流电转换为交流电。这些系统以并联方式连接，而不像串式逆变器那样串联连接。因此，如果一个电池板被遮挡或性能不佳，不会影响其他电池板的输出。微型逆变器的典型功率从200W到1.5kW，光伏阵列电压在40到80V之间。这种逆变器类型非常适合电池板可能朝向不同方向的住宅系统。微型逆变器的优点是可以独立最大化每个电池板的输出。因此，可以将遮挡或电池板不匹配的影响最小化。此外，微型逆变器提供对每个电池板的详细监控，以便于更好的维护和性能跟踪。主要缺点是与串式逆变器相比初始成本较高。 将能量存储系统与太阳能光伏电池板集成就形成了混合逆变器。这种类型的逆变器可以双向工作，既可以将产生的太阳能直流电直接转换为交流电，也可以在转换为交流电之前储存。混合逆变器通过管理太阳能电池板、电池和电网之间的电力流动来优化能量的使用和储存。它们可以配置为根据用户偏好和电价优先考虑电池充电、电网互动或自我消耗。
储能耦合系统
有两种不同的方法可以将电池储能与太阳能光伏系统集成：交流耦合ESS和直流耦合ESS。每种方法都有其特定的优点和缺点，具体取决于具体应用、系统配置和用户需求。交流耦合系统与直流耦合系统之间的关键区别在于电力从太阳能电池板生成后的传输路径。
在交流耦合系统中，太阳能光伏系统和电池储能系统通过各自的逆变器连接到交流电网。太阳能电池板产生直流电，经过太阳能逆变器转换为交流电。在另一路径中，电池储能系统通常配备自身的双向DC-DC和逆变器级，用于对交流电网进行充电和放电。 相反，在直流耦合系统中，太阳能电池板和电池储能共享一个公共的直流母线，并且主要使用单个逆变器将直流电转换为交流电供电网或家庭使用。太阳能电池板可直接用于为电池充电，然后在需要时通过混合逆变器将储存的直流电转换为交流电。
| AC耦合电池系统 | DC耦合电池系统 |
|---|---|
优点：
| 优点：
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缺点：
| 缺点：
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太阳能串式逆变器和储能系统的电力拓扑
多种电源拓扑结构可以用于设计DC/DC转换器和DC/AC逆变器级。不同的拓扑结构提供不同的优势，并根据功率需求、效率、成本和复杂性进行选择。以下是一些最常见的电源拓扑结构：
在第一个转换器阶段，最大功率点跟踪（MPPT）执行将串电压转换为适合逆变器的电压级别的功能。通常，单相为400V，三相为800V。MPPT功率优化器DC-DC阶段专为通过单独优化阵列中每个太阳能电池板的性能以最大化太阳能光伏系统的能量输出而设计。它在将能量发送到逆变器阶段之前，将电池板输出调整到其最佳功率点。这种优化至关重要，因为太阳能电池板的功率输出会因阳光强度、遮光、温度变化和电池板不匹配而有所不同。 目前的趋势是将直流链电压提高到1000V或1500V，以减少系统中的功率损失，同时允许更多的电池板串联。通过将太阳能逆变器的最大直流电压提高到1500V或更高，光伏电站变得更具成本效益。此阶段的常见拓扑包括交错升压转换器、相移全桥（PSFB）和LLC转换器。 第二个转换器阶段是双向DC-DC。此阶段用于在需要时为电池充电或存储能量，并放电或释放能量。典型的隔离拓扑包括CLLLC和DAB。 逆变器功率阶段的功能是将直流链电压转换为电网的交流电压。常见的拓扑包括两级B6和H桥，三级ANPC和HERIC。多电平逆变器拓扑在中高功率应用中已越来越受欢迎。使用三级逆变器拓扑的好处包括：
- 减少功率耗散，导致散热器更小。
- 最小化电流波纹，因此由于谐波含量较低，过滤更容易。
- 显著降低传导EMI。
ZVS移相全桥DC-DC转换器
在400V直流链路设置中，推荐使用零电压开关（ZVS）相移全桥拓扑，搭配650V碳化硅（SiC）MOSFET作为Q1到Q4的开关，以实现高效率和高功率密度。这些开关通过相移技术控制，使其在电压为零时导通。这大大减少了开关损耗和电磁干扰（EMI），同时降低了对半导体器件的应力。此外，650 SiC二极管是用于主侧D1和D2的正确选择。如果是800V直流链路设置，则需要选择1200V SiC-MOSFET和SiC二极管。在次级侧，针对Q5到Q8开关的选择则取决于电池电压。
CLLC DC-DC转换器
最常见的双向DC-DC拓扑之一是CLLC转换器。它利用两个电感器（L）和两个电容器（C）在谐振槽电路中。该排列通常看起来像“LLC”谐振槽镜像在初级和次级两侧。SiC-MOSFETs 被用于开关Q1至Q4，而硅（Si）MOSFET则被选用于Q5至Q8。CLLC设计实现了初级侧开关的ZVS，从而有助于降低开关损耗并提高效率。它可以在次级侧实现零电流开关（ZCS），通过在关断时最小化开关损耗进一步提高效率。CLLC转换器需要精确控制以有效管理谐振频率和开关序列。
DAB DC-DC转换器
DAB转换器由主侧和次级侧的两个有源全桥电路组成，通过高频变压器连接。与CLLC拓扑类似，两个桥均由有源开关组成，允许双向功率传输。通常，SiC-MOSFET用于开关Q1到Q4，而Si-MOSFET用于Q5到Q8。DAB转换器需要复杂的控制算法来精确管理桥之间的移相。
ANPC DC-AC 逆变器
进一步探索逆变器阶段，主动中性点钳位（ANPC）拓扑是一种先进的逆变器配置。它通过添加主动开关改进了传统的中性点钳位（NPC）拓扑，从而减少导通和开关损耗。ANPC逆变器能够产生多个电压等级，从而降低了每个元件的电压应力，并且可以实现较低总谐波失真的更平滑的交流输出。开关Q1至Q4在电网频率下工作，而Q5和Q6以50 kHz或更高的频率调制。在ANPC中，所有功率开关的额定击穿电压可以是600或650伏。通过将SiC-MOSFET用于开关Q5和Q6，可以实现效率和功率密度的提高。ANPC逆变器需要先进的控制算法。与H桥等拓扑相比，这种拓扑在设计和控制上更加复杂。
H4 Bridge DC-AC Inverter
H桥拓扑因其简单、高效和多功能而受到欢迎，因为它由四个开关元件组成。650V SiC-MOSFET或GaN-HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管）常用于快速开关线Q3和Q4，而对于Q1和Q2，Si-MOSFET带有快速体二极管是合适的选择。这种两级操作的主要缺点是它需要一个相对较大的输出滤波器，因为在续流过程中它将能量回馈到直流电容器。
HERIC DC-AC逆变器
HERIC（高效可靠逆变器概念）拓扑因其高效率和在DC到AC转换中优越的性能而特别显著。在此配置中，两个反并联开关Q5和Q6被添加到传统H桥逆变器中，以便在空零阶段将交流侧与光伏模块隔离。此拓扑结构由六个开关构成，其中H桥上的四个开关（Q1到Q4）以高频开关，两个外部开关以电网频率切换。在H桥逆变器输出电压为零的期间，Q5和Q6开关通过最短路径传递自由轮流电流。HERIC逆变器的主要优点是，在所有操作模式下，仅有两个开关同时运行。
宽带隙（WBG）器件为双向DC-DC转换器和DC-AC逆变器拓扑提供明显优势。SiC和GaN器件具有非常低的反向恢复电荷（Qrr）或甚至没有体二极管，这消除了硬换向或反向恢复损耗。
安装和维护注意事项
太阳能光伏系统和储能系统的适当尺寸对于最佳性能至关重要。这涉及到计算能源需求、太阳能电池板输出和所需的电池容量。尺寸过大或过小可能导致效率低下和更高的成本。太阳能逆变器和电池储存系统的兼容性至关重要。一些制造商提供集成解决方案，简化安装和操作。兼容性还延伸到管理整体能量流和性能的软件和监控系统。
结论
将储能系统与太阳能光伏系统集成代表了我们在利用和使用太阳能方面的重要进步。提供可靠和稳定的电力供应减少了对电网的依赖，并最大化了太阳能的利用。这些系统提供了许多经济和环境方面的好处。SiC 和 GaN 功率器件帮助实现双向流动，用于同步整流拓扑，同时实现高效率和高功率密度。Arrow Electronics 始终致力于促进能源效率，我们渴望通过展示选择 650V、1200V 和 2200V SiC 器件的明显优势，参考板简化设计工作并缩短上市时间，来为这一讨论做出贡献。
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