淺析高能效儲能系統的多級轉換器拓撲

什么是儲能系統？

能量存儲是收集產生的能量，以供以后存儲和使用。電池儲能系統用于創建獨立于公用事業的太陽能家庭或企業（稱為住宅或商業ESS），被稱為“電表背后”。相反，公用事業規模的ESS被稱為“電表之前”，用于在需求量大的時期補充發電量。兩種情況都利用采用不同架構，拓撲和功率半導體技術的雙向功率轉換器。

住宅太陽能裝置中的ESS

住宅太陽能系統通過逆變器與公用電網相連，逆變器可在日照時間將太陽能電池板的功率轉換為交流電。多余的電力可以賣給公用事業公司，但是在黑暗的時刻，最終用戶仍必須依靠公用事業來提供電力。公用事業公司已經能夠通過調整其定價模型來利用這些限制，從而將住宅用戶轉移到“使用時間”費率，從而在沒有太陽能可用時收取更多的費用。將ESS添加到系統中，使用戶可以通過所謂的“峰值剃須”來解決此問題并保護自己免受高昂的能源成本，將太陽能電池板收集的電量存儲在電池中，以隨時滿足其電力需求。

電池技術的發展導致了鋰離子（Li-ion）電池組的生產，其單位質量和單位體積的電荷存儲量比舊技術的鉛酸電池要高得多。結合有效的雙向電源轉換系統，它們可以用于創建3至12千瓦范圍內的緊湊型壁掛式ESS裝置，能夠為房屋提供24小時或更長時間的供電。但是，盡管鋰離子電池具有能量密度方面的優勢，但它們仍具有一些缺點，特別是在安全性方面，包括過熱或在高壓下損壞的趨勢。需要使用安全機制來限制電壓和內部壓力。由于老化，存儲容量也會下降，從而導致在運行數年后最終出現故障。因此，

與太陽能逆變器不同，ESS必須在兩種需要雙向轉換的不同模式下運行：

充電模式，當電池正在充電時

備用模式，當電池為連接的負載供電時。

結合太陽能電池板的住宅ESS分為DC或AC耦合系統。在直流耦合系統中，單個混合逆變器在公共直流總線上結合了雙向電池轉換器和DC-DC太陽能MPPT級的輸出，然后為并網逆變器級供電。但是，交流耦合系統（有時稱為“交流電池”）變得越來越流行，因為這種類型的ESS可以很容易地改裝到原來沒有配備儲能裝置的現有太陽能設備中，因為交流耦合ESS直接與太陽能電池相連。網格。另一個優勢是能夠輕松并行提供更大的電源能力和存儲容量。

住宅ESS電源轉換器架構

圖1：住宅儲能系統的基本框圖

上圖概述了基于48V鋰離子電池組的交流耦合系統。整個系統通常安裝在壁掛式機箱中。電池組包括一個集成的電子電池管理系統（BMS），用于管理單個電池的充電狀態（SOC），這些電池的額定狀態通常為標稱的3.2V。通過防止在過度充電或充電不足的狀態下運行，電池劣化得以最小化。BMS包含專門的控制IC和基于溝槽技術的低壓MOSFET開關，例如英飛凌的OptiMOSTM或StrongIRFET?系列，通常在80至100V的范圍內。

在此示例中，功率轉換系統分為三個階段，每個階段都基于有源功率開關而不是二極管來支持雙向功率轉換。有幾種可能的拓撲，其中許多是基本H橋的變體。下圖顯示了結合兩個并行功率轉換級以共享功率傳輸的拓撲：

圖2：住宅ESS的可能的轉換器拓撲

階段1：第一階段將電池電壓（通常為48 V）轉換為高頻AC，以通過變壓器升壓。在此示例中，選擇了一個諧振拓撲以在備用模式下以零電壓開關工作，以通過盡可能避免開關損耗來最大程度地提高效率。在充電模式下，該級用作同步整流器。

該級在低電壓和高電流下切換，非常適合具有非常低RDS（ON）的60 V溝槽MOSFET器件，例如Infineon的OptiMOSTM系列。這樣的設備可以并聯連接。具有出色散熱能力和極低寄生封裝電感的封裝（例如DirectFETTM）是理想的選擇。

階段2：第二階段在高電壓和相對低的電流下運行，當ESS在備用模式下供電時執行同步整流功能，并在充電模式下將高壓DC轉換為高頻AC以通過變壓器降壓。

由于總線電壓通常在400至500 V之間，因此此階段將需要600-650 V的開關，這些開關能夠以盡可能低的開關和傳導損耗在高頻下開關。寬帶隙碳化硅（SiC）溝槽MOSFET具有比硅超結（SJ）器件更高的優勢，這使得在幾千瓦及以上的功率水平下實現更高的轉換效率成為可能。較高的臨界擊穿場允許維持給定的電壓額定值，同時減小了器件的厚度，從而降低了導通電阻。

英飛凌CoolSiC?MOSFET 650 V產品系列提供的RDS（on）低至27mΩ。較高的熱導率對應較高的電流密度，而較寬的帶隙導致高溫下的泄漏電流較低。從25°C到100°C的RDS（on）乘積系數對于CoolMOS?為1.67，對于CoolSiC?為1.13。這意味著，為了具有相同的導通損耗（