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越來越多的國家和企業宣布了實現低碳可持續發展的戰略。2021年全球可再生能源裝機容量達1600GW，展現了驚人的增長率。然而，清潔能源的產生在某種程度上具有局限性，與傳統能源不同，它們是動態的和不穩定的。例如，太陽能逆變器的輸出功率很大程度上取決于陽光，而這是我們無法控制的。在惡劣天氣下，電網壓力增大，能源需求增加，這種不可控的能源可能無法幫助解決電網壓力問題。因此，在實現凈零排放的過程中不應忽視儲能。 電池儲能系統(BESS)

目前有四種類型的儲能系統——電化學儲能、化學儲能、熱儲能和機械儲能。抽水蓄能水電 (PSH) 仍然是發展最成熟的機械儲能系統，覆蓋了全球 90% 以上的電網規模儲能容量。但是，此類巨型設施的安裝對地理方面的要求非常高。

根據 MarketsandMarkets 的市場研究，全球電池儲能系統市場規模預計將從2022年的44億美元增長到2027的151億美元，復合年增長率為 27.9%。鋰離子電池占據了該市場約 86% 的份額。

全球可再生能源裝機容量

鋰離子電池作為電化學儲能系統中最為人所知的一種類型，具有高功率/高能量密度、高往返效率，而且占地面積小、擴展靈活。鋰離子電池是一項相對成熟的技術，經過三十多年的商業發展，已成為一種可靠且低成本的解決方案。可以說，鋰離子電池成本的持續下降正在有力加速儲能的發展。

帶有蓄電池的并網/離網太陽能逆變器系統為住宅和商業用途帶來了諸多好處。

• 能源套利 - 儲存能量以供日后使用，這樣可以在電價變化時降低電力成本。

• 自產自用 - 通過存儲白天產生的多余太陽能，安裝帶有太陽能逆變器的儲能設備，可以減少或消除對電網的依賴。

• 備用電源 - 與 UPS(不間斷電源) 一樣，存儲的電力可用于在輸入電源或主電源出現故障時為負載提供應急電源。

能源套利

構建 BESS 的四個要素：

• 電池模塊/組 - 電池模塊由電池單元組成，為了建立商業級系統，模塊可以集成到機架/組中以獲得更高的容量。因此，充電/放電電壓取決于電池容量，范圍從 50V到超過 1000 V。

• 電池管理系統(BMS) - 電池管理系統是一種管理可充電電池的電子系統，例如保護電池在安全工作范圍內運行、監控狀態、計算輔助數據報告數據、控制電池所在環境、對電池進行驗證和/或平衡。

• 變流器(PCS) - 變流器是電池組與電網和/或負載之間連接的電能雙向轉換的另一個重要子系統，它在很大程度上決定了系統成本、尺寸和性能。

• 能源管理系統(EMS) - 能源管理系統是一種基于軟件的計算機輔助工具系統供電網運營商用來監測、控制和優化發電或輸電系統的性能。

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應用和拓撲結構

PCS 是儲能系統的重要組成部分，控制雙向功率轉換。與其他大功率能源基礎設施應用有著相似的趨勢，為了匹配電力需求的高增長率，無論是住宅還是商業類型，總是期望更高的功率。同時，更小的尺寸可以顯著降低運輸和安裝過程中的成本。此外，像碳化硅這樣的寬禁帶半導體元件的大規模生產可以將系統效率和熱性能提升到一個新的水平。儲能系統目前分為兩種方式，交流耦合或直流耦合和功率級。

交流耦合和直流耦合

交流耦合儲能系統是一個獨立的系統，可以添加到現有的太陽能/能源發電系統中。這是一個簡單的升級，但是，它將涉及額外的電源轉換步驟以對電池進行充電/放電，這意味著更多的功率損耗。直流耦合系統，或者我們可以稱之為混合(太陽能)逆變器，只需要一步功率轉換，但必須在一開始就進行設計。

住宅交流耦合ESS（灰塊）

住宅直流耦合ESS（灰塊）

住宅電池儲能系統

住宅變流器要么添加到現有的太陽能逆變器系統中，要么與太陽能逆變器一起設計為混合逆變器。儲存的能量可用于為備用電池充電或為電動汽車和家電充電以節省成本。

雙向 DC-DC 轉換器連接在電池組和直流鏈路之間。在安全和用例方面，單相系統的母線電壓通常小于 600V，而充放電功率不會超過 10kW。降壓-升壓是最常見的雙向 DC-DC配置，具有組件少和易于控制等優點。使用兩個具有良好IF值的并聯二極管的650VIGBT/MOSFET 足以滿足此雙向系統的需求。

雙向DC-DC的降壓-升壓配置

650V FS4 IGBT 與 co-pack SiC 二極管

特性

• 采用新穎的場截止第4代IGBT和第1.5代SiC肖特基二極管技術

• 低 Vce(sat)

• 低Eon 和Eoff

• 開爾文源

應用

• 太陽能逆變器

• UPS

• 儲能系統

FGH4L75T65MQDC50是新發布的 650V FS4 IGBT，集成了 SC 二極管，可為高效應用提供出色性能，且導通損耗和開關損耗低。

在考慮電池安全時，隔離也是另一個需要考慮的方面。雙有源橋轉換器(DAB)或 CLLC 已成為 EV 和 ESS 領域隔離雙向 DC-DC 轉換器的通用解決方案。采用級聯前端降壓-升壓電路，可在電池電壓變化的情況下實現寬范用的電樂輸入/輸出，同時降低無功功率環流，擴大軟開關區。

雙有源橋式DC-DC轉換器

功率 MOSFET，N溝道屏蔽柵極 PowerTrench

特性

• 屏蔽柵極MOSFET技術

• 最大RDS(on)=5.0 mΩ(V_GS=10 V，I_D=97A時)

• Qrr 比其他MOSFET供應商低 50%

• 降低開關噪聲/EM

應用

• ATX/服務器/電信電源

• 電機驅動和不間斷電源

• 微型太陽能逆變器

三相電源通常被視為商業用例中常用的供電方式，但如今，這種技術已變得更加可靠可以用于對電力需求較高的家庭。為了應對高達 15kW 的功率，以及可能接近 1000V 的直流鏈路電壓，開關應該能夠承受更高的工作電壓和電流。

將650V開關換成 1200V 的系列很容易解決這個問題，也可以考慮三電平對稱降壓升壓。這種三電平配置提供更小的開關損耗，因為只有一半的輸出電壓施加到開關和二極管，這種特性有助于減小電感器和實現更好的 EMI 性能。然而，組件數量增加一倍將不可避免地增加物料清單的復雜性、控制難度和總成本。

對稱降壓-升壓轉換器

商用電池儲能系統

商用儲能系統的輸入/輸出功率范圍從 100 kW 到 2MW，這樣的巨型系統通常由幾十 kW 到 100 多 kW 的三相子系統組成。

其中一項重要規格是最大直流電壓，這取決于現有太陽能系統的母線電壓或電池電壓。商用太陽能逆變器常見的直流母線電壓為 1100V 和 1500V，有時用于公用事業規模的系統。這類應用的一個明顯趨勢是增加直流母線電壓,這有助于降低給定功率的互連電纜成本，因為電流較低。

交流耦合系統在儲能項目中更為常見，因為它可以添加到已經構建的系統中。此外，集中式儲能單元更易于管理和放置。相比之下，直流耦合系統需要更大的空間和更多的成本來處理分布式電池組。

三電平 I-NPC 是大功率工業應用特別是逆變器中常見的拓撲結構之一，它有 4 個開關、4 個反向二極管和 2個鉗位二極管，擊穿電壓低于實際直流母線電壓，例如 650 V 開關在 1100 V 系統中就足夠了。

三相I-NPC

兩電平與三電平開關原理

使用三電平拓撲結構有三個優點。首先，開關損耗更低。通常，開關損耗與施加到開關和二極管的電壓的二次方成正比。在三電平拓撲結構中，只有一半的總輸出電壓被施加到一些開關或一些二極管。其次，升壓電感器中的電流紋波變小。對于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓撲結構中總輸出電壓的一半。這使得電流紋波更小，更容易使用更小的電感器進行濾波，從而實現更緊湊的電感器設計并降低成本。最后，EMI 降低，而傳導 EMI 主要與電流紋波有關。正如剛剛提到的，三電平拓撲結構減少了電流紋波，使濾波更容易并產生更低的傳導 EMI。同時，在電磁輻射方面也有好處。

作為升級版，A-NPC系統提供了更高的性能，因為兩個鉗位二極管被兩個有源開關所取代，在損耗方面具有明顯的優勢。但是驅動器配對和延遲匹配很關鍵，可以看作是一個缺點。

三相A-NPC

IGBT 模塊，A型 NPC 1000 V, 800 A

特性

• 采用場截止技術的超高效溝槽

• 低開關損耗降低了系統功耗

• 高功率密度

• 低電感布局

• 內部NTC

應用

• 1500V太陽能逆變器

• 1500V儲能

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