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儲能系統

太陽能技術正在蓬勃發展，其發電量年年都有增長。然而，如何才能讓電能從源頭轉移到儲能系統（ESS）中，然后再輸送至負載？這個過程就是電力輸送。就概念而言，這一過程十分簡單，然而實施起來卻非常復雜，畢竟電能的多少和能源的一致性隨時會發生難以預測的變化，系統功率水平也并非一成不變。

可利用的太陽能是十分珍貴的。僅僅將能量儲存到電池中，再通過逆變器輸送至負載，這是遠遠不夠的。首先，收集電能的效率一定要足夠高；然后，還要通過高品質的控制器，將電能輸送至儲能子系統。本文將對電力輸送進行概述，并提出一些流行的ESS方法。

01

儲能系統

ESS包含三大主要組成部分（圖1）：

能源和儲能裝置之間的路徑；儲能裝置通常為電池儲能系統 (BESS)，但也可能采用其他形式

儲能裝置及其管理

儲能裝置與負載（即終端用戶或電網）之間的DC/AC逆變器

圖1：電池可接收并蓄存來自各種來源的電能，并通過DC/AC逆變器將其作為電源輸送給負載使用（圖源：貿澤電子）

ESS可蓄存能源，并根據需要將其作為電源輸送給負載使用。而太陽能是一種只能間歇供應的能源。這樣的特性使得住宅和企業等應用的關鍵——電力彈性成為一項重大挑戰。作為緩解可再生能源間歇性問題的重要媒介，儲能系統應運而生。

由于電動汽車（EV）對先進化學電池需求的急速增長，電池正成為儲能領域的出色解決方案。能源與負載之間的儲能電池及其管理系統必須對收集到的能量進行調節，以滿足供電需求。

02

容量驅動的架構

能源與應用負載之間存在各種各樣的組合，因而并不存在一種可提供優秀性能的架構。此外，基于太陽能的光伏（PV）設備根據功率大小，適用于各種細分市場。

就太陽能而言，一種常用的市場細分方式共包含三大塊：

家用：功率不超過10kW的私人空間

商用：需要高達5MW功率的辦公樓和工廠

公用事業：安裝在野外，功率超過5MW

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擴大太陽能發電規模要考慮的因素

太陽能電池板由多個單獨的光伏電池組成，每個光伏電池都可以產生一位數的電壓輸出。系統設計人員將這些電池板串聯起來后，就可以盡可能提高架構的效率，并實現所需的功率。因此，太陽能發電系統的規模能夠更準確地對應到針對具體應用的功率。

下文將重點介紹用于住宅或小型商用裝置的光伏BESS，因為這是消費者熟知的常見應用。

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太陽能如何為電池充電

電池儲能的一大便利優勢在于它既可以單獨使用，也可以并入電網，作為備用電源或用電高峰期的支持電源（圖2）。

圖2：根據需要為本地負載和電網供電的一套完整太陽能儲能系統所需關鍵功能的框圖（圖源：英飛凌）

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光伏電池板與蓄電池之間的電氣接口是具有降壓、升壓或降壓/升壓特性的DC/DC轉換器。設計人員選擇的轉換器類型取決于對光伏輸出的相對最大電壓與電池陣列的最大電壓之間進行比較的結果。

然而，從太陽能電池板中輸送電源的理想方式是利用充電控制器，如Phoenix Contact AXC F 2152 PLCnext控制器。這款充電控制器可將光伏電池輸出中的最大功率首先傳輸給DC/DC轉換器，然后在最大功率點（MPP）時再傳輸給儲能電池，此時電源功率與負載相匹配。AXC F 2152控制器非常適合用于太陽能應用，因為它能在惡劣的環境中實現出色的性能。

太陽能電池產生的電流與它所接受到的陽光量成正比，而其開路電壓保持相對恒定。每條曲線拐點處的功率輸出達到極值，此時電池從恒定電壓器件轉換為恒定電流器件，如圖3的功率曲線所示。

圖3：當電池從恒定電壓器件轉換為恒定電流器件時，太陽能電池板的功率輸出最大（圖源：Analog Devices）

MPP是光伏電池板/太陽能特性和環境溫度的函數。當陽光強度無法支持充電器的全功率要求時，采用高效設計的充電器可以將太陽能電池板的輸出電壓調整至最大功率點。這一功能可在轉換過程獲取更多的功率輸出，從而提升能源效率。

因此，如要在使用過程中從光伏電池板獲取盡可能大的功率輸出，工程師應監測MPP和電池板負載，從而控制轉換器并動態優化功率輸出（圖4）。這種行為稱為最大功率點追蹤或MPPT。

圖4：基本的MPP管理（此處用于鉛酸電池）需要根據情況調整DC-DC轉換器，因為電池板看到的負載取決于電池板的輸出（圖源：ResearchGate）

MPPT需要在充電控制器中設置策略或算法來確定MPP，再對其進行追蹤。工程師可采用兩種方法來追蹤最大功率：恒定電池板電壓法和擾動觀測法。

恒定電池板電壓法

最直接的追蹤方法，就是將電池板電壓設置為電池數據手冊提供的電池開路電壓（VOC）所確定的恒定電壓水平。設計工程師在剛好低于VOC的某個固定電壓下，估算電池板在最大功率時的電壓（VMP）。為簡化這種方法，設計團隊視VMP時的溫度系數等于VOC時的溫度系數，并視其在預期溫度范圍內呈線性。通過這些近似值，可實現用一個簡單的溫度補償電阻將電池板電壓設定為VMP。

擾動觀測法（P&O）

恒定電池板電壓法有其不足之處：當條件發生變化時，例如云量不斷變化和光伏元件正常磨損時，該方法就無法繼續提供很大效率。

另一種能夠適應MPPT追蹤條件的更高級方法稱為“擾動觀測法”（P&O）。P&O MPPT評估功率變化與電壓變化的斜率（ΔP/ΔV），該斜率在MPP左邊為正，MPP右邊為負，局部極大值時為零，該點即表示理想電壓。動態MPPT算法通過有意在正常值上下輕微“擾動”電池板負載，然后再觀察輸出中的變化（無論是好的變化還是壞的變化），從而映射MPP中的任何變化。

控制器中嵌入的MPPT算法可在從電池中收集電能并傳輸至輸出的過程中實現盡可能高的效率，不受輻射、塵污和溫度等環境條件變化的影響。控制器一旦完成啟動模式，就會開始執行MPPT模式，以搜索最大功率點。圖5表示了脈寬調制（PWM）信號占空比如何變化以找到曲線中的零斜率點。

圖5：MPPT法評估光伏電池板正常工作點周圍的功率變化斜率與電壓變化特性（圖源：SN Applied Sciences）

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取出電能

將能量輸入到電池僅僅是BESS挑戰的一部分。該系統旨在將蓄入電池的電能傳輸到負載，通常情況下需要采用120/240VAC線路為設備和系統供電。

輸出功能需要DC/AC逆變器，該逆變器將電池的直流輸出轉換成與線路兼容的交流電。就像電源和電池之間的電子器件一樣，該逆變器并不是“統一規格”的裝置。工程師必須要考慮逆變器的拓撲和設計，以及諸多設計挑戰和取舍點。盡管沒有正式的定義，但專家經常將逆變器分成三個功率與特性類別：低功率、中功率和高功率。

微型逆變器（低功率）

低功率微型逆變器的額定功率介于50W至400W之間，在每個太陽能電池板中集成有單獨的逆變器和MPP追蹤器，比串聯逆變器更高效。需要的直流布線非常少，但需要大量交流布線。因此，這種逆變器僅適合小型系統。

串聯逆變器（中功率）

串聯逆變器是一種中功率配置，功率范圍介于1kW至20kW之間。此方法中，太陽能電池板與多個逆變器串聯，通常每串對應一個電池板。該方法具有高效率，因為每組串聯逆變器都能以極大功率點獨立工作。

中央逆變器（高功率）

中央逆變器屬于高功率配置，功率達20kW及以上。這種方法將多組串聯逆變器并聯，一組太陽能電池板僅使用一個逆變器。由于各組串聯逆變器的電壓不同，工程師會添加特殊二極管，將電池板驅動至極大功率。然而，二極管存在固有損耗，致使效率降低。因此，中央逆變器可能無法讓所有太陽能電池板都達到極大功率點。

06

結 語

可再生能源在諸如間歇性電源和電力輸送架構等領域為電源控制帶來了新的機會。通過簡單的控制器將太陽能電池板連接到電池，并將電池用于供電，這樣的做法可能偶爾會奏效，但也會存在性能缺陷、安全問題和效率問題。

相反，在能源-儲能-電池管理路徑上選用適當的控制器和DC/DC拓撲，會得到更好的效果。工程師應優化所選的DC/DC逆變器，確保性能效率、一致性、長壽命以及彈性。

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