儲能系統 (Energy storage system) 在建設低碳世界的過程中發揮著關鍵作用，也是目前最蓬勃發展的工業應用之一。究其原因，主要包括各國以脫碳目標為主導的積極政策、新能源應用快速發展過程中對光伏發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汽車充電站密切相關，它們在硬件設計和元器件選擇方面有著相似之處。本指南將全面介紹儲能系統及其市場，以及安森美(onsemi)提供的先進產品和解決方案，本文為第一部分，將重點介紹儲能市場概況以及系統設計框架。
系統目標
儲能系統 (ESS) 是一個被廣泛研究的應用領域，它能將源自煤電、核電、風電和光伏發電等多種發電方式所產生的電力，以多種方式進行有效存儲。例如電化學儲能（電池）、機械儲能（壓縮空氣）、熱儲能（熔鹽）等。在本指南中，我們將重點關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) 在住宅和商業場景中均有廣泛應用。在住宅應用中，BESS作為一種備用電源，可以防止意外停電，并通過將電能從低價時段轉移至高價時段來節省電費開支。在更大規模的商業應用中，BESS能夠高效地存儲并管理由光伏逆變器產生的免費清潔能源，從而實現低碳排放。BESS另一個主要應用是能夠減輕電動汽車充電需求增長對電網帶來的壓力。
鋰離子電池作為電化學儲能系統的主要組成部分，具有功率/能量密度高、循環效率高、體積小、易于擴展等特點。鋰離子電池技術經過三十多年商業化發展的積淀，相對成熟，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有力地推動了儲能行業的發展。
市場信息與展望
1 不斷增長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 (TWh) 增長至2030年的552太瓦時，復合年增長率 (CAGR) 達37%。
另一方面，據彭博新能源財經 (Bloomberg NEF) 的數據顯示，鋰離子電池單體的價格已經降至歷史最低點，每千瓦時為107美元，相比2013年的535美元/千瓦時降低了約80%，這在很大程度上推動了電池儲能系統市場的發展。同時，可再生能源帶來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場合，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的光伏逆變器已進入批量生產并投入使用。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汽車直流充電樁，高壓是一個明顯的趨勢，因為高壓可以在相同輸出功率下帶來更低的電流，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。當多個電池組并聯時，容易造成電池組之間的不平衡，導致某些電池組長期過度使用，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次數。同樣的，光伏逆變器系統也具有這些特點和趨勢。
能源管理系統 (EMS) ，是負責控制和決策的指揮中心，并同時監控運行過程中的系統故障，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，需要進行實時數據采集和控制。它根據電網調度中心的不同策略和指令控制每個節點，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系統集成
直流充電站的發展給當地電網帶來了挑戰。潛在的問題包括大量充電設備同時運行對電網的影響、低功率因數設備或空載設備對電網造成的諧波影響，以及當地變壓器容量的限制。在商業案例中，連接光伏逆變器系統和電池儲能系統變得至關重要。光伏逆變器可以與電網分擔部分電力負荷，電池儲能系統更為關鍵，它可以減少對電網的影響，實現能源套利，降低用戶成本。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。另一個特點是，住宅電池儲能系統可作為備用電源，在電網發生故障時提供應急電力。
系統實現
系統描述
1 構建電池儲能系統的四個要素
電池儲能系統由四部分組成，不僅適用于商業類型，也適用于住宅類型。電池組由電池單元組成，用于構建商業級系統，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，計算和報告實時數據等，以實現更長的工作壽命。功率轉換系統 是另一個重要的子系統，用于實現電池組與電網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，電網運營商用于監測、控制和優化發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，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獨立的系統，可以添加到現有的光伏/發電系統/電網中，因此易于升級。然而，它需要額外的功率轉換級來實現完全充/放電，因此損耗較高。另一方面，直流耦合系統可通過連接到直流母線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DC-DC轉換步驟，因為直流母線電壓通常較高，可能會帶來安全或改裝方面的挑戰，需要在產品設計時提前做出考慮。
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 的無功模式或電機驅動的制動模式下，可作為 AC-DC 轉換器。這里有一個重點需要強調，一般來說，功率轉換器以及特定的拓撲結構，是通過選擇和調整開關和二極管的大小，針對一種使用情況和一種功率流方向進行優化的。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，在一個方向上的性能也會優于另一個方向。因此，必須牢記最常見的使用情況。此外，正如我們看到的那樣，并非所有拓撲結構都能實現雙向性，因此事先選擇正確的拓撲結構是一個重要因素。請閱讀《揭秘三相功率因數校正拓撲結構》，了解三電平技術和三電平PFC電路的特性。
在功率轉換系統中應用碳化硅產品
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勢，例如可實現高頻開關。盡管 IGBT 仍是電池儲能系統設計中的首選，但考慮到不同的開關策略，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，由于內部開關需要特定開關策略下較高的開關頻率，因此可在內部支路中選擇碳化硅器件以降低開關損耗，而其余開關可使用低 VCE(SAT) IGBT，以保持成本可控。 |
