儲能系統（Energy Storage System, ESS）主要用于將一段時(shí)期內暫時(shí)不用的多余能量通過(guò)某種方式收集并儲存起來(lái)，在使用高峰時(shí)再提取使用，或者運往能量緊缺的地方再使用，以便提升能源的利用效率，避免能源的浪費，這在能源短缺的現代社會(huì )來(lái)說(shuō)，顯得更為重要。本文將為您介紹儲能系統的概念與發(fā)展現況，以及由艾睿電子提供的參考設計與各種解決方案。
儲能系統解決能源短缺問(wèn)題
由于能源的產(chǎn)生（如可再生能源中的水力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等）經(jīng)常受到時(shí)間性和空間性的限制，例如水力發(fā)電通常在夏季的發(fā)電量較大，在枯水期時(shí)則發(fā)電量較小，太陽(yáng)能則只能在白天發(fā)電，到了晚上則無(wú)法發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電亦會(huì )受到季節、天候因素的影響，較難持續、穩定的發(fā)電，而人類(lèi)對能源的利用量，也會(huì )受到季節、天候的影響，會(huì )出現高峰與低峰用電時(shí)間，且與上述的各種發(fā)電方式往往無(wú)法進(jìn)行配合。
因此，如何將一段時(shí)間內產(chǎn)生的多余能源存儲起來(lái)，然后再于用電高峰時(shí)間提供給電網(wǎng)，這種用于儲能的儲能系統裝置，便成為當前熱門(mén)的應用之一。能源儲存系統可以?xún)Υ娑嘤嗟臒崮�、�?dòng)能、電能、位能、化學(xué)能等，改變能量的輸出容量、輸出地點(diǎn)、輸出時(shí)間等，常見(jiàn)的儲能技術(shù)包括顯熱儲能技術(shù)、潛熱儲能技術(shù)、化學(xué)反應熱儲能技術(shù)三種。
顯熱儲能技術(shù)是通過(guò)加熱儲能介質(zhì)提高其溫度，而將熱能儲存其中。常用的顯熱儲能材料有水、土壤和巖石等。就目前來(lái)說(shuō)，這是一種技術(shù)比較成熟、效率比較高、成本又比較低的儲能方法。
潛熱儲能技術(shù)是利用儲能介質(zhì)液相與固相之間的相變時(shí)產(chǎn)生的熔解熱將熱能儲存起來(lái)的，但是儲能媒介物價(jià)格昂貴，容易腐蝕，有的介質(zhì)還可能產(chǎn)生分解反應，儲存裝置也較顯熱型復雜，技術(shù)難度較大。
化學(xué)能存儲技術(shù)則是利用能量將化學(xué)物質(zhì)分解后分別儲存能量，分解后的物質(zhì)再化合時(shí)，即可放出儲存的能量�？梢岳每赡娣纸夥磻�、有機可逆反應和氫化物化學(xué)反應三種技術(shù)實(shí)現，將為解決能源短缺的問(wèn)題提供良好的途徑。
全球儲能市場(chǎng)正在高速增長(cháng)
儲能是提高電力系統可靠性、促進(jìn)新能源消納的關(guān)鍵技術(shù)。儲能系統可以動(dòng)態(tài)吸收并儲存來(lái)自發(fā)電側或電網(wǎng)的電能，在需要時(shí)釋放，從而改變電能生產(chǎn)、輸送和使用同步完成的模式，使得實(shí)時(shí)平衡的“剛性”電力系統變得更加“柔性”，有效提高電能質(zhì)量和用電效率。
除了大型電網(wǎng)系統的儲能應用之外，應用在家庭用戶(hù)側的儲能系統（戶(hù)用儲能），將成為新型電力系統的重要部分，通常與戶(hù)用光伏系統組合安裝，為家庭用戶(hù)提供電能。在白天時(shí)，光伏所發(fā)的電能優(yōu)先供本地負載使用，多余的能量存儲到蓄電池，在電能仍有富余的情況下可選擇性并入電網(wǎng)；當在夜間光伏系統無(wú)法發(fā)電時(shí)，蓄電池放電提供電能供本地負載使用。戶(hù)用儲能系統可以提高戶(hù)用光伏自發(fā)自用程度，減少用戶(hù)的電費支出，并在極端天氣等情況下保障用戶(hù)用電的穩定性。
戶(hù)用電化學(xué)儲能系統通常是由電池組、電池管理系統（BMS）、儲能變流器（PCS）和能量管理系統（EMS）構成，其中儲能電池和變流器是價(jià)值量較高的核心環(huán)節。
目前的全球儲能市場(chǎng)正在高速增長(cháng)，用戶(hù)側儲能則是重要的驅動(dòng)力之一。根據弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）的數據，2021年全球儲能系統新增裝機容量達25.2GWh，同比增長(cháng)133.3%，其中發(fā)電側、電網(wǎng)側和用戶(hù)側裝機分別為14.4、2.7、8.1GWh。其中尤以歐洲、美國引領(lǐng)發(fā)展，戶(hù)用儲能市場(chǎng)迎來(lái)高速增長(cháng)。
此外，在國家政策的推動(dòng)下，中國的儲能市場(chǎng)也在蓬勃的快速發(fā)展。以深圳市為例，深圳計劃力推分布式光伏產(chǎn)業(yè)應用落地和產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新，探路超大城市“碳達峰、碳中和”的“雙碳”發(fā)電模式，其大力推廣建筑光伏一體化（BIPV），力爭全市新增光伏裝機容量150萬(wàn)千瓦，并有望在2025年達500萬(wàn)千瓦，其發(fā)展速度極為快速，若推廣到全中國的其他城市，將帶來(lái)極為龐大的市場(chǎng)與發(fā)展機遇。
應用于住宅的光伏／太陽(yáng)能儲能系統
這種應用于住宅的光伏／太陽(yáng)能儲能系統，對于可再生能源和分布式能源發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要，必須提供易于使用的產(chǎn)品來(lái)設計高效的電源轉換和電池管理系統，其中系統成本和性能優(yōu)化是關(guān)鍵驅動(dòng)因素，快速上市和可靠的交付性能是關(guān)鍵要求。
以10kw太陽(yáng)能儲能系統為例，由艾睿電子推出的這款10kW DC/AC三相光伏逆變器將帶電池組和雙向充電系統，主要由4個(gè)模塊組成，包括3相T型DC-AC逆變器塊、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）升壓模塊、雙向電池充電系統與人機界面（HMI）模塊等組成，可加速客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計。
其中的3相T型DC-AC逆變器的拓撲采用10kW -15KW的3電平T型逆變器，使用1200 V、75mΩ、TO247-4封裝的SiC MOSFET，以及650V、45A、TO247-4封裝的SiC MOSFET，還搭配安森美的NCV1117ST、CS51414的DC穩壓器，安森美的NCV7357D CAN收發(fā)器、安森美的NCS20061SN2T1G放大器。
MPPT升壓塊的主要器件則采用了TI的TMS320C28379 MCU，1200 V、75mΩ、TO247-4封裝的SiC MOSFET，以及1200V、20A、TO247-3封裝的SiC二極管，還有安森美的NCS20061SN2T1G放大器與NCV1117ST33T3G、NCV1117ST50T3G的DC穩壓器。
雙向電池充電系統的拓撲結構則是10kW CLLLC雙向DCDC電源轉換器，采用了1200 V、32mΩ、TO247-4封裝的主要SiC MOSFET，以及650 V、15mΩ、TO247-4封裝的次要Si MOSFET，另外還搭配了安森美的隔離SiC柵極驅動(dòng)器、放大器與DC穩壓器，以及TI的MCU。
HMI塊則支持WiFi、以太網(wǎng)、RS485、CAN等接口，并搭配隔離輔助電源子板，支持Vin為900~1000V DC Link Bus輸入，Vout為12V/4A隔離直流輸出，采用的主要器件包括安森美UC2844BD1R2G PWM控制器、1700V高壓SiC MOSFET，以及安森美FDMS86101DC低壓功率MOSFET，以及安森美NCP4306DADZZ同步控制器、安森美NCP431BCSNT1G參考電壓、安森美FOD817A光電耦合器、安森美BCP56T1G功率晶體管，以及許多安森美二極管與Zener二極管。
高效率的雙向電源轉換器
艾睿電子另外還推出一款用于儲能PFC的雙向電源轉換器，這是一個(gè)用于能量?jì)Υ鍼FC的雙向電源轉換器的參考設計，它由圖騰柱PFC拓撲所組成，使用SiC MOSFET在高開(kāi)關(guān)頻率下運行，以實(shí)現高效率并減小尺寸和重量。
該雙向電源轉換器在充電模式下的最大充電功率為6.6kW，額定輸入電壓為200Vac至265Vac 50Hz，額定輸出電壓則為380Vdc至580Vdc，效率則可超過(guò)98%，在反向模式下的最大逆變功率為6.6kW，逆變額定輸入電壓為550Vdc，逆變額定輸出電壓為220Vac 50Hz，效率同樣超過(guò)98%。
這款用于儲能PFC的雙向電源轉換器可用于大功率充電系統，如UPS、太陽(yáng)能系統等，該評估板可幫助用戶(hù)加快SiC MOSFET系統設計，并顯著(zhù)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
結語(yǔ)
儲能系統能夠提升能源的利用效率，可用于電力系統的各個(gè)環(huán)節，包括發(fā)電側、電網(wǎng)側和用戶(hù)側，其中尤以用戶(hù)側的市場(chǎng)發(fā)展潛力最為龐大。 |
