【導(dǎo)讀】隨著世界局勢動(dòng)蕩以及電力需求的增加，能源已經(jīng)成為世界各國都需要面對的重要議題，除了積極提高電力的產(chǎn)能之外，如何善用儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）來保存與調(diào)節(jié)電力需求，便成為目前科技的重要發(fā)展方向之一。本文將為您介紹ESS的技術(shù)發(fā)展，以及由艾睿電子推出的ESS解決方案的功能特性。
儲(chǔ)能系統(tǒng)可改善能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)
當(dāng)前世界各國經(jīng)常傳出電力供應(yīng)吃緊的問題，除了倡導(dǎo)民眾節(jié)約能源之外，也需要對于當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并建設(shè)新型的電力系統(tǒng)，以便從發(fā)電、電網(wǎng)、載荷與存儲(chǔ)等各方面，進(jìn)行一體化的深度協(xié)調(diào)互動(dòng)，建設(shè)出靈活的能源電力系統(tǒng)新模式。這個(gè)需求將催生大量儲(chǔ)能應(yīng)用場景與裝配需求，儲(chǔ)能將具有不可替代的關(guān)鍵地位，在電力系統(tǒng)應(yīng)用中扮演更重要的角色。
儲(chǔ)能技術(shù)指的是把能量存儲(chǔ)起來，以便在需要時(shí)使用的技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)可在供電寬松的期間，將多余的電力存儲(chǔ)起來，以便在電力吃緊時(shí)，能夠有足夠電力供電網(wǎng)使用。常見的儲(chǔ)能技術(shù)主要分成三種，第一種是通過機(jī)械方式來轉(zhuǎn)換電力，例如在水力發(fā)電系統(tǒng)中，可使用多余的電力，采用泵將水壩下游的水通過管線將水往上游抽送，來保留水的位能，以便之后可再利用水力來推動(dòng)機(jī)械渦輪進(jìn)行發(fā)電。第二種則是通過熱能轉(zhuǎn)換，例如太陽能熱水器能夠?qū)⒐饽埽ㄝ椛洌┐嬖跓崴崮埽├?。第三種則是通過化學(xué)方式，將電力存儲(chǔ)在電池的化學(xué)能之中，再于需要時(shí)放電為各種設(shè)備供電。
電池儲(chǔ)能應(yīng)用碳化硅技術(shù)提升效率
近年來，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，鋰電池價(jià)格下降較快，鋰電池成本以每年20%-30%的速度在降低。這一趨勢促進(jìn)鋰電池在儲(chǔ)能的應(yīng)用場景和商業(yè)模式在不斷拓展，同樣也帶來電力電子變換器的需求增長。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)作方式，通常是在白天時(shí)將太陽能板所產(chǎn)生電能存儲(chǔ)在電池中，以便在夜間或緊急情況下，將電能從電池中提取出來以供應(yīng)家庭或工廠使用。
在儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換過程中，首先必須將電能對電池進(jìn)行充電，通常是將來自電網(wǎng)的交流電（AC）通過逆變器轉(zhuǎn)換為直流電（DC）為電池充電，隨后當(dāng)需要電力時(shí)，再將來自電池的直流電（DC）放電到逆變器，以轉(zhuǎn)換為交流電返回電網(wǎng)。
隨著碳化硅（SiC）技術(shù)的成熟，目前的主流逆變器會(huì)通過SiC MOSFET，從交流側(cè)將電力交換到直流側(cè)，不過由于MOSFET的雙向轉(zhuǎn)換特性，它們也允許從直流側(cè)以同樣的方式切換回交流側(cè)，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程則是由MCU進(jìn)行控制。
SiC MOSFET能夠以更高的開關(guān)頻率操作，與傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器相比，尺寸減小約50%，并具有更高的效率，以更簡單的數(shù)字控制進(jìn)行雙向輸出，通過純正弦波反轉(zhuǎn)輸出電壓。
模塊化的雙向儲(chǔ)能逆變器參考設(shè)計(jì)
針對ESS應(yīng)用，艾睿電子推出了雙向儲(chǔ)能逆變器參考設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行AC/DC雙向電源轉(zhuǎn)換，最大限度的充電功率可達(dá)到6.6kW，交流輸入電壓則可支持180Vac至265Vac 50Hz，直流輸出電壓則為60Vdc至90Vdc，最大限度的逆變功率可達(dá)6.6kW，逆變額定輸入為80Vdc，逆變額定輸出則為220Vac 50Hz，轉(zhuǎn)換效率可>93%。
該參考設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括圖騰柱（Totem-Pole）PFC雙向電源轉(zhuǎn)換板、CLLC雙向電源轉(zhuǎn)換板、AC轉(zhuǎn)12V隔離輔助電源板、12V轉(zhuǎn)12V隔離輔助電源板，以及隔離門極驅(qū)動(dòng)板，可以方便客戶依據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求，進(jìn)行各種調(diào)整與變化。
該參考設(shè)計(jì)采用的核心組件包括單片機(jī)控制采用 ST STM32G474VBT6，CLLLC + PFC SiC MOSFET 則是使用 ST SCTWA60N120G2-4，此外還有隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 ST STGAP2SiCS，隔離輔助電源 ST A6986I、VIPER329HDTR，以及 CAN 收發(fā)器 ST L9616、ESD 保護(hù) ST HDMIULC6-4SC6Y / ST ESDCAN03-2BWY，還有高精度運(yùn)算放大器 ST TSZ181IYLT，以及電流傳感器 Allegro ACS772LCB-050B-PFF-T、ACS772LCB-100B-PFF-T、ACS37002LMABTR-050B5-M、ACS72981LLRATR-100B5、ACS37610LLUA-020B5，繼電器TE T9VV1K15-12S 與諧振電容槽 muRata GCM43D7U3A472JX01L，以及電解電容Lelon VZH-471M1ETR-1010、400BXW220MEFR18X50、KEMET F861DP155K310ZLH0J、R463W510050M1K、EDH477M025A9PAA、C4AEOBU4500A11J等。
雙向AC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)涞膱D騰柱PFC
艾睿電子針對儲(chǔ)能應(yīng)用推出雙向AC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)涞膱D騰柱PFC，是基于ST高性能MCU STM32G474及ST SiC推出的雙向圖騰柱PFC及CLLLC兩級拓?fù)鋬?chǔ)能應(yīng)用的解決方案，其可以幫助客戶了解及學(xué)習(xí)這兩級拓?fù)涞奶攸c(diǎn)、性能和控制，并直觀評估各主要器件的性能，從而加快客戶開發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間。艾睿電子的ESS方案兩級拓?fù)浞譃閮蓧K板，包括圖騰柱PFC和CLLLC，且兩塊板可以單獨(dú)工作和級聯(lián)工作，能夠適合不同客戶需求，以下將針對圖騰柱PFC進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，圖騰柱PFC所使用的組件數(shù)量是目前已知的PFC拓?fù)渲凶钌俚?，同時(shí)還具有最低傳導(dǎo)損耗、最高效率等優(yōu)點(diǎn)，圖騰柱PFC引起了人們越來越多的關(guān)注，是目前雙向AC/DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)先選擇。
圖騰柱PFC解決方案的AC-DC整流模式（充電模式）是用來軟件來實(shí)現(xiàn)，在PWM時(shí)序上，圖騰柱PFC功率流動(dòng)分4個(gè)階段，包含兩個(gè)高速管，開關(guān)頻率為133kHz，兩個(gè)低速管，開關(guān)頻率為市電頻率，低速管可以使用普通MOS管。
市電過零時(shí)的尖峰由軟件處理，進(jìn)行PWM軟啟動(dòng)／停止，由于圖騰柱高頻橋的兩管子的PWM互補(bǔ)輸出，在市電過零時(shí)，兩個(gè)開關(guān)功能將在正半周進(jìn)入負(fù)半周或負(fù)半周進(jìn)入正半周時(shí)互換，占空比也隨之由原先的0%跳變到100%，或者100%跳變到0%，這種跳變造成過零時(shí)的電流尖峰。為了減少過零時(shí)的電流尖峰，軟件在過零時(shí)會(huì)對PWM進(jìn)行軟啟動(dòng)／停止處理。
圖騰柱PFC控制器的作用有兩個(gè)目標(biāo)，一是穩(wěn)定PFC的DC輸出電壓，另一個(gè)是控制輸入的市電電流。為了減少設(shè)備對電網(wǎng)的諧波干擾及減少設(shè)備的無功功率提高使用效率，功率因數(shù)接近1是最為理想。這就要求對輸入電流波形和相位進(jìn)行控制，使輸入電流與輸入電壓相位同步，這將由軟件鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)，控制輸入電流波形及穩(wěn)定DC輸出電壓，則由軟件雙閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)。
在DC-AC逆變模式（放電模式）下，圖騰柱PFC反向工作時(shí)作為H橋全橋逆變拓?fù)?，可以?yīng)用在并網(wǎng)逆變以及離網(wǎng)逆變。其脈寬調(diào)制方法常用SPWM，SPWM產(chǎn)生分三種類型，包括單極性SPWM、雙極性SPWM，以及單極倍頻SPWM。本方案采用的是單極性SPWM，相對雙極性SPWM THD會(huì)更好，但缺點(diǎn)也是與PFC一樣，存在過零尖峰問題，減少尖峰的問題也是采用同樣的過零軟啟動(dòng)／停止方法。
放電模式的PWM時(shí)序在H橋逆變功率流動(dòng)分4個(gè)階段，同樣有兩個(gè)高速管，開關(guān)頻率為133kHz，兩個(gè)低速管，開關(guān)頻率為市電頻率，低速管可以用普通MOS管。
逆變控制器則是按應(yīng)用場景可分離網(wǎng)式逆變器及并網(wǎng)式逆變器，兩者在軟件控制上存在明顯差別，側(cè)重點(diǎn)也不同。并網(wǎng)逆變控制更像是PFC整流器的反向控制，與整流一樣需要鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)電壓電流相位同步，離網(wǎng)逆變控制更側(cè)重適應(yīng)不同負(fù)載的帶載能力，控制對象也有差別，并網(wǎng)逆變器控制并網(wǎng)電流，離網(wǎng)控制輸出電壓。
這個(gè)圖騰柱PFC解決方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括市電過零尖峰處理、相位補(bǔ)償、THD的改善、控制器參數(shù)調(diào)整、采樣信號(hào)處理、輕載控制、CBC限流與離網(wǎng)逆變帶載能力，可以解決客戶在設(shè)計(jì)上所面對的各種挑戰(zhàn)。
結(jié)語
ESS已經(jīng)是當(dāng)前解決能源問題的重要應(yīng)用之一，未來將會(huì)有更多不同等級、規(guī)格的ESS應(yīng)用在家庭、工業(yè)、政府等不同的領(lǐng)域，全面性地提升電網(wǎng)的運(yùn)作效率，并減少能源的浪費(fèi)。艾睿電子累積了STM32G474在數(shù)字開關(guān)電源應(yīng)用及雙向圖騰柱PFC的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可提供圖騰柱PFC系統(tǒng)方案的硬件和軟件支持，解決技術(shù)難點(diǎn)，分享PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試技巧，可加快客戶開發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間，如有任何相關(guān)需求，歡迎與艾睿電子聯(lián)絡(luò)。
來源：艾睿電子
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