儲能系統 (Energy storage system) 在建設低碳世界的過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，也是目前最蓬勃發(fā)展的工業(yè)應用之一。究其原因，主要包括各國以脫碳目標為主導的積極政策、新能源應用快速發(fā)展過(guò)程中對光伏發(fā)電等可再生能源存儲和控制的需求，以及鋰離子電池成本的不斷降低。儲能系統在應用方面與光伏系統和電動(dòng)汽車(chē)充電站密切相關(guān)，它們在硬件設計和元器件選擇方面有著(zhù)相似之處。本指南將全面介紹儲能系統及其市場(chǎng)，以及安森美(onsemi)提供的先進(jìn)產(chǎn)品和解決方案，本文為第一部分，將重點(diǎn)介紹儲能市場(chǎng)概況以及系統設計框架。

系統目標

儲能系統 (ESS) 是一個(gè)被廣泛研究的應用領(lǐng)域，它能將源自煤電、核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等多種發(fā)電方式所產(chǎn)生的電力，以多種方式進(jìn)行有效存儲。例如電化學(xué)儲能（電池）、機械儲能（壓縮空氣）、熱儲能（熔鹽）等。在本指南中，我們將重點(diǎn)關(guān)注與光伏逆變器系統相連接的電池儲能系統。

電池儲能系統 (BESS) 在住宅和商業(yè)場(chǎng)景中均有廣泛應用。在住宅應用中，BESS作為一種備用電源，可以防止意外停電，并通過(guò)將電能從低價(jià)時(shí)段轉移至高價(jià)時(shí)段來(lái)節省電費開(kāi)支。在更大規模的商業(yè)應用中，BESS能夠高效地存儲并管理由光伏逆變器產(chǎn)生的免費清潔能源，從而實(shí)現低碳排放。BESS另一個(gè)主要應用是能夠減輕電動(dòng)汽車(chē)充電需求增長(cháng)對電網(wǎng)帶來(lái)的壓力。

鋰離子電池作為電化學(xué)儲能系統的主要組成部分，具有功率/能量密度高、循環(huán)效率高、體積小、易于擴展等特點(diǎn)。鋰離子電池技術(shù)經(jīng)過(guò)三十多年商業(yè)化發(fā)展的積淀，相對成熟，已成為一種可靠且低成本的解決方案�？梢哉f(shuō)，鋰離子電池成本的持續下降有力地推動(dòng)了儲能行業(yè)的發(fā)展。

市場(chǎng)信息與展望

1 不斷增長(cháng)的電池儲能系統需求

根據《2023年世界能源展望》，全球能源模型既定政策情景 (Stated Policies Scenario) 顯示，電池儲能的總容量將從2022年的45太瓦時(shí) (TWh) 增長(cháng)至2030年的552太瓦時(shí)，復合年增長(cháng)率 (CAGR) 達37%。

另一方面，據彭博新能源財經(jīng) (Bloomberg NEF) 的數據顯示，鋰離子電池單體的價(jià)格已經(jīng)降至歷史最低點(diǎn)，每千瓦時(shí)為107美元，相比2013年的535美元/千瓦時(shí)降低了約80%，這在很大程度上推動(dòng)了電池儲能系統市場(chǎng)的發(fā)展。同時(shí)，可再生能源帶來(lái)的積極影響也不可忽視，國際能源署 (IEA) 預測，到2030年將新增超過(guò)800吉瓦 (GW) 光伏基礎設施。

2 更高的功率和電壓

大功率充電器通常用于商業(yè)場(chǎng)合，電池儲能系統通常與光伏逆變器系統配合使用。目前，額定電壓為1500V的光伏逆變器已進(jìn)入批量生產(chǎn)并投入使用。因此，功率轉換系統 (PCS) 的直流電壓也需要提升到相同水平。在大功率轉換應用中，如光伏逆變器和電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁，高壓是一個(gè)明顯的趨勢，因為高壓可以在相同輸出功率下帶來(lái)更低的電流，減少系統損耗和電纜直徑。然而，高壓系統也對元器件提出了挑戰。在1500V系統中，一般首選多電平電路中額定電壓為 1200 V 的功率器件，或兩電平拓撲結構中額定電壓為 2000 V 的碳化硅 MOSFET。此外，必須仔細考慮由更高電壓和更大功率引起的安全和電磁干擾問(wèn)題。

3 分布式系統和智能系統

新一代分布式電池儲能系統可以解決集中式系統的缺點(diǎn)。當多個(gè)電池組并聯(lián)時(shí)，容易造成電池組之間的不平衡，導致某些電池組長(cháng)期過(guò)度使用，最終影響電池系統的整體性能。相比之下，分布式系統可以實(shí)現子系統的分散管理，使維護工作變得更加容易，并提高系統的使用壽命，從而增加電池的充電循環(huán)次數。同樣的，光伏逆變器系統也具有這些特點(diǎn)和趨勢。

能源管理系統 (EMS) ，是負責控制和決策的指揮中心，并同時(shí)監控運行過(guò)程中的系統故障，是電池儲能系統的重要組成部分。商用電池儲能系統中的能源管理系統所涉及的內容非常復雜，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集和控制。它根據電網(wǎng)調度中心的不同策略和指令控制每個(gè)節點(diǎn)，例如削峰填谷、光伏系統接入等。很快，大數據分析將被整合到預測運行狀況、減少人工管理并最大限度地提高效率中。

集中式與分布式解決方案

4 電池儲能系統和光伏逆變器系統的生態(tài)系統集成

直流充電站的發(fā)展給當地電網(wǎng)帶來(lái)了挑戰。潛在的問(wèn)題包括大量充電設備同時(shí)運行對電網(wǎng)的影響、低功率因數設備或空載設備對電網(wǎng)造成的諧波影響，以及當地變壓器容量的限制。在商業(yè)案例中，連接光伏逆變器系統和電池儲能系統變得至關(guān)重要。光伏逆變器可以與電網(wǎng)分擔部分電力負荷，電池儲能系統更為關(guān)鍵，它可以減少對電網(wǎng)的影響，實(shí)現能源套利，降低用戶(hù)成本。住宅用電池儲能系統還有助于減少高峰期電力需求，從而為家庭節約成本。另一個(gè)特點(diǎn)是，住宅電池儲能系統可作為備用電源，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)提供應急電力。

系統實(shí)現

系統描述

1 構建電池儲能系統的四個(gè)要素

電池儲能系統由四部分組成，不僅適用于商業(yè)類(lèi)型，也適用于住宅類(lèi)型。電池組由電池單元組成，用于構建商業(yè)級系統，而高壓模塊則集成到機架或電池組中以提供更高容量。充放電電壓通常在 50 V 至 1100 V 之間，取決于電池電壓和電路拓撲結構。電池管理系統是一種管理充電電池的電子系統，可確保電池在安全運行區域 (SOA) 下工作，監控工作狀態(tài)，計算和報告實(shí)時(shí)數據等，以實(shí)現更長(cháng)的工作壽命。功率轉換系統 是另一個(gè)重要的子系統，用于實(shí)現電池組與電網(wǎng)或負載之間的電能雙向轉換。它在很大程度上決定了系統的成本、尺寸和性能。如前所述，能源管理系統是一種基于軟件的計算機輔助工具系統，電網(wǎng)運營(yíng)商用于監測、控制和優(yōu)化發(fā)電或輸電系統的性能。

2 交流耦合系統和直流耦合系統

電池儲能系統目前分為兩類(lèi)，即交流耦合系統和直流耦合系統。交流耦合電池儲能系統是一個(gè)獨立的系統，可以添加到現有的光伏/發(fā)電系統/電網(wǎng)中，因此易于升級。然而，它需要額外的功率轉換級來(lái)實(shí)現完全充/放電，因此損耗較高。另一方面，直流耦合系統可通過(guò)連接到直流母線(xiàn)以提供額外的儲能能力，通常用于住宅混合光伏逆變器。它只涉及一個(gè)DC-DC轉換步驟，因為直流母線(xiàn)電壓通常較高，可能會(huì )帶來(lái)安全或改裝方面的挑戰，需要在產(chǎn)品設計時(shí)提前做出考慮。

交流耦合系統

直流耦合系統

3 雙向運行

電池儲能系統的功率轉換級需要雙向運行。通常情況下，三相逆變器可以雙向運行，在反向模式、UPS 的無(wú)功模式或電機驅動(dòng)的制動(dòng)模式下，可作為 AC-DC 轉換器。這里有一個(gè)重點(diǎn)需要強調，一般來(lái)說(shuō)，功率轉換器以及特定的拓撲結構，是通過(guò)選擇和調整開(kāi)關(guān)和二極管的大小，針對一種使用情況和一種功率流方向進(jìn)行優(yōu)化的。在 PFC 模式下作為AC-DC轉換器使用的三相逆變器，其效率不及優(yōu)化的AC-DC PFC轉換器。即使是設計為雙向的DC-AC拓撲結構，在一個(gè)方向上的性能也會(huì )優(yōu)于另一個(gè)方向。因此，必須牢記最常見(jiàn)的使用情況。此外，正如我們看到的那樣，并非所有拓撲結構都能實(shí)現雙向性，因此事先選擇正確的拓撲結構是一個(gè)重要因素。請閱讀《揭秘三相功率因數校正拓撲結構》，了解三電平技術(shù)和三電平PFC電路的特性。

在功率轉換系統中應用碳化硅產(chǎn)品

與 IGBT 相比，碳化硅 (SiC) 器件在高電壓和大電流應用中具有更多優(yōu)勢，例如可實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)。盡管 IGBT 仍是電池儲能系統設計中的首選，但考慮到不同的開(kāi)關(guān)策略，在某些部分采用碳化硅器件可以獲得更好的性能。例如，在使用 A-NPC 的雙向逆變器中，由于內部開(kāi)關(guān)需要特定開(kāi)關(guān)策略下較高的開(kāi)關(guān)頻率，因此可在內部支路中選擇碳化硅器件以降低開(kāi)關(guān)損耗，而其余開(kāi)關(guān)可使用低 VCE(SAT) IGBT，以保持成本可控。