電池儲能系統(tǒng)用於建置太陽能供電家庭或企業(yè)（即所謂的住宅或商業(yè) ESS），公用電業(yè)規(guī)模的ESS用於在需求高峰期間補充發(fā)電量。兩者採用不同架構(gòu)、拓撲及功率半導(dǎo)體技術(shù)的雙向電源轉(zhuǎn)換器。多階逆變器設(shè)計在中、高功率應(yīng)用中受到熱烈歡迎，因為開關(guān)元件的功耗降低可減少散熱，較低的諧波內(nèi)容僅需較少的濾波且 EMI 明顯降低。

什麼是儲能系統(tǒng)？

儲能是收集產(chǎn)生的能源作為儲存及日後使用。電池儲能系統(tǒng)用於建置獨立於公用電業(yè)之外的太陽能供電家庭或企業(yè)（即所謂的住宅或商業(yè) ESS），這些系統(tǒng)稱為「電表後段」。反之，公用電業(yè)規(guī)模的ESS稱為「電表前段」，用於在需求高峰期間補充發(fā)電量。兩者採用不同架構(gòu)、拓撲及功率半導(dǎo)體技術(shù)的雙向電源轉(zhuǎn)換器。

住宅型太陽能 ESS

住宅型太陽能系統(tǒng)透過逆變器與公用電業(yè)的電網(wǎng)相連，逆變器可在日照期間將太陽能板的電力轉(zhuǎn)換為交流電。多餘的電力可以回售給公用電業(yè)公司，但在天黑的期間，終端用戶仍必須依靠公用電業(yè)提供電力。

公用電業(yè)公司利用上述的限制，透過調(diào)整定價模型，將住宅型用戶轉(zhuǎn)移到「時間計價」（Time-of-use）費率，在沒有太陽能供電的時段收取較多的費用。在系統(tǒng)中加入ESS，用戶可透過「削減尖峰用電」（peak-shaving）來解決此問題，以避免高昂的能源成本：將太陽能板收集的電力儲存在電池中，以隨時滿足其電力需求。

電池技術(shù)的發(fā)展造就了鋰離子（Li-ion）電池組的生產(chǎn)，其單位質(zhì)量和單位體積的電荷儲存量比舊技術(shù)的鉛酸蓄電池要高得多。結(jié)合高效率的雙向電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可用於打造3至12千瓦精簡型壁掛式ESS裝置，為住家提供24小時或更長時間的供電。

然而，儘管鋰離子電池具有能量密度的優(yōu)勢，但仍有一些缺點，特別是安全性方面，包括容易過熱或在高電壓下?lián)p壞，必須使用安全機制來限制電壓和內(nèi)部壓力。儲存容量也會因為老化而下降，導(dǎo)致運作幾年之後最終發(fā)生故障。因此，每個電池組都必須包含一個電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保安全且有效率地運作。

不同於太陽能逆變器，ESS必須在雙向轉(zhuǎn)換的兩種不同模式下運作：

1. 充電模式：當電池正在充電時

2. 備用模式：當電池為連接的負載供電時

結(jié)合太陽能板的住宅型ESS分為DC或AC耦合系統(tǒng)。在DC耦合系統(tǒng)中，單一混合式逆變器在共同DC匯流排上結(jié)合雙向電池轉(zhuǎn)換器和DC-DC太陽能MPPT級的輸出，然後為併網(wǎng)逆變器級供電。但是，AC耦合系統(tǒng)（有時稱為「交流電池」）越來越受歡迎，因為此類型ESS很容易改裝至未配備儲能裝置的既有太陽能設(shè)備中，而AC耦合ESS可直接連接至電網(wǎng)。另一項優(yōu)勢是容易並聯(lián)以提供更大的功率能力和儲存容量。

住宅型 ESS 電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

圖1 : 住宅型儲能系統(tǒng)的基本架構(gòu)圖

上圖概述以48V鋰離子電池組為基礎(chǔ)的AC耦合系統(tǒng)，整個系統(tǒng)通常安裝在壁掛式機箱中。電池組包含一個整合的電池管理系統(tǒng)（BMS），用於管理個別電池單元的充電狀態(tài)（SOC），電池的充電狀態(tài)通常額定為標稱3.2V。藉由防止在過充或充電不足的狀態(tài)下運作，可大幅降低電池劣化程度。BMS包含專用控制IC並結(jié)合以溝槽式技術(shù)為基礎(chǔ)的低壓MOSFET開關(guān)，例如英飛凌的 OptiMOS或StrongIRFET系列，通常在80至100V的電壓範圍內(nèi)。

在此範例中，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分為三個階段，每個階段皆以主動式電源開關(guān)而非二極體為基礎(chǔ)以支援雙向電源轉(zhuǎn)換。有幾種可能的拓撲，其中多種是基本H型電橋的變體。圖二顯示結(jié)合兩個並行功率轉(zhuǎn)換級以共享電力傳輸?shù)耐負洌?/span>

圖2 : 住宅型 ESS 可能使用的轉(zhuǎn)換器拓撲

階段一

第一階段將電池電壓（通常為48V）轉(zhuǎn)換為高頻AC以透過變壓器升壓。在此範例中，選擇一個諧振拓撲以在備用模式下以零電壓切換運作，藉此盡可能避免切換損耗以將效率最大化。在充電模式下，此階段做為同步整流器運作。

此階段在低電壓和高電流下進行切換，非常適合具有極低RDS（ON）的60V溝槽式MOSFET裝置，例如英飛凌的OptiMOS系列。這樣的裝置可以並聯(lián)連接，非常適合具有優(yōu)異散熱能力和極低寄生封裝電感的封裝（例如DirectFET）。

階段二

第二階段在高電壓和相對較低電流下運作，當ESS在備用模式下供電時執(zhí)行同步整流功能，並在充電模式下將高壓DC轉(zhuǎn)換為高頻AC以透過變壓器降壓。

由於匯流排電壓通常介於400至500V之間，因此這個階段需要600至650V的開關(guān)，這些開關(guān)能以盡可能低的切換和傳導(dǎo)損耗在高頻下進行切換。寬能隙碳化矽（SiC）溝槽式MOSFET具有優(yōu)於矽超接面（SJ）裝置的多項優(yōu)點，可在數(shù)千瓦及更高的功率位準下達到更高的轉(zhuǎn)換效率。較高的臨界崩潰電場可維持給定的電壓額定值，同時縮小裝置的厚度以降低導(dǎo)通電阻。

英飛凌 CoolSiC MOSFET 650V產(chǎn)品系列提供RDS（on）低至27mΩ的裝置。較高的導(dǎo)熱性對應(yīng)於較高的電流密度，而較寬的能隙可在高溫下帶來較低的漏電流。以CoolMOS而言，從25°C到 100°C的RDS（on）倍增因子為1.67，CoolSiC則為 1.13。這意味著，為了使CoolMOS和 CoolSiC具有相同的傳導(dǎo)損耗（?????????? = ??2 ? ??（????）（????）），可為CoolSiC設(shè)計更高的 RDS（on）。

此外，輸出電荷（QOSS）和反向恢復(fù)電荷（Qrr）明顯較低。CoolMOS的發(fā)展已使得本體二極體 Qrr降低，目前可提供快速二極體裝置系列CFD和CFD7。然而，此電荷仍然太高，無法達到 CoolSiC可能達成的高效率結(jié)果，該裝置的電荷比市場上最佳的快速二極體SJ MOSFET低10倍。

階段三

範例中的第三階段以高效率可靠逆變器概念（HERIC）為基礎(chǔ)。在備用模式下，高DC匯流排電壓被轉(zhuǎn)換為PWM調(diào)變的高頻AC波形，然後透過低通輸出濾波器產(chǎn)生正弦波輸出。HERIC逆變器採用額外的背對背開關(guān)，這些開關(guān)以低頻運作，以便在四個H型電橋開關(guān)均關(guān)斷的週期內(nèi)，使輸入端的輸出電感器電流解耦，如此可降低共模雜訊漏電流和EMI。

在充電模式中，此階段做為同步推拉式電路PFC升壓轉(zhuǎn)換器運作，可在正極和負極線路半週期中運作以產(chǎn)生高壓DC匯流排，然後將其轉(zhuǎn)換回第二和第一階段為電池充電。

H型電橋需要600至650V電源開關(guān)，以避免在任何線路突波事件期間發(fā)生突崩。由於此階段在兩種運作模式下都很難切換，因此快速的本體二極體復(fù)原至關(guān)重要。最小化切換損耗，同時由於低導(dǎo)通電阻而降低傳導(dǎo)損耗，並改善溫度穩(wěn)定性，因此可提高整體效率。在備用模式運作期間，背對背開關(guān)也需要類似的額定電壓和快速的本體二極體復(fù)原。

多階轉(zhuǎn)換器拓撲

第三階段可利用雙向的多階（ML）逆變器代替。取代僅有兩個階段，可在切換階段的輸出節(jié)點上產(chǎn)生多個可能的電壓位準，包括0V中點以及介於+VDC/2和–VDC/2之間的中間電壓位準，以饋入輸出濾波器。依據(jù)DC匯流排和輸出電壓要求而定，可提供5、7或9級拓撲。MOSFET可以用串聯(lián)-並聯(lián)的組合方式連接。

圖3 : 5 級飛馳電容器主動式中性點箝位逆變器基本示意圖

多階逆變器利用具有極低RDS（on）和本體二極體復(fù)原電荷Qrr的低電壓溝槽式MOSFET裝置，取代高電壓開關(guān)。這些因素大幅降低傳導(dǎo)和切換損耗，因此有可能達到比傳統(tǒng)逆變器更高水準的效率。多階逆變器設(shè)計在中、高功率應(yīng)用中受到熱烈歡迎，因為開關(guān)元件的功耗降低可減少散熱，較低的諧波內(nèi)容僅需較少的濾波且 EMI 明顯降低。

公用事業(yè)級 ESS

公用事業(yè)級ESS在高於100 kW的功率下運作，通常以480 VRMS的功率提供三相交流電。其系統(tǒng)概念類似住宅型ESS，但有許多鋰離子電池組與各個電池組（包含自有的整合式BMS）串聯(lián)連接，以產(chǎn)生高於740V的總電池電壓。

圖4 : 公用事業(yè)級 ESS 的典型轉(zhuǎn)換器拓撲

額定電壓1200V的IGBT模組通常用於連接至800至900V DC匯流排的功率轉(zhuǎn)換級。其系統(tǒng)架構(gòu)受限於電池利用率方面，因為對於具有不同充電狀態(tài)的串聯(lián)連接的電池組而言，系統(tǒng)只能在一個電池組達到最低允許的充電量之前運作。此時，即使其他電池組可能仍保持大量電量，整個系統(tǒng)仍必須關(guān)閉，使得電池利用率限制在最弱的電池組。

公用事業(yè)級 ESS 的多階概念

為克服上述限制，已開發(fā)模組化串接多階架構(gòu)。現(xiàn)在每個電池組皆連接至雙向電源轉(zhuǎn)換器模組，其輸出串聯(lián)連接以建構(gòu)高電壓DC匯流排。多階運作發(fā)生在系統(tǒng)層級，因為模組能以不同的串聯(lián)和並聯(lián)方式連接，在不同時間產(chǎn)生不同的電壓位準，並由中央控制器管理。藉由逐步調(diào)整電壓位準，可組成近似全波整流正弦電壓匯流排，然後進行濾波以去除諧波內(nèi)容，並通過低頻展開級，以產(chǎn)生正弦波電壓輸出，並連接至電網(wǎng)。

由於具備可配置或旁路模組的額外靈活性，進階控制方案可從存有更多電荷的電池組中獲取更多電力，以補償不同電池的不同SOC。

圖5 : 串接模組化多階 ESS 中的電池充電靈活性

模組拓撲有多種變化，通常需要80或100V溝槽式MOSFET裝置（例如英飛凌 StrongIRFET和OptiMOS系列），並採用具有低 RDS（on）和寬安全運作區(qū)（SOA）的無鉛封裝，例如TOLL或 DirectFET，它們具有針對最低可能電阻及電感進行最佳化以支援高電流的封裝。可並聯(lián)使用兩個或更多個MOSFET，以共用數(shù)百安培的電流。切換頻率可低於10 kHz，因為多階系統(tǒng)的有效輸出頻率可將模組切換頻率乘上級數(shù)（模組）減一。

目前尚未有任何一種架構(gòu)成為具有主導(dǎo)性的架構(gòu)。預(yù)計在未來十年中，在住宅、工業(yè)及公用事業(yè)等領(lǐng)域中採用ESS將有所增長。

（本文作者Peter B. Green為英飛凌科技美國分公司首席工程師）

參考資料

[1] Infineon Technologies (www.infineon.com), DirectFET, CoolSiC, OptiMOS

[2] Infineon Technologies, CoolSiC 650 V M1 SiC trench power device (AN_1907_PL52_1911_144109)

[3] Essam Hendawi, “A comparative study between H5 and HERIC transformer-less inverters for PV standalone system”, Power Electronics and Energy Conversion Dept. Electronics Research Institute, Egypt.

[4] Robert Keim, “Exploring the Pros and Cons of Silicon Carbide (SiC) FETs”, All About Circuits (www.allaboutcircuits.com)