【導讀】2022年，在政策扶持和市場需求的雙重刺激下，儲能一下子成為了最為炙手可熱的產業(yè)之一，這背后實質是可再生能源裝機量的不斷攀升。和火電等可以主動控制發(fā)電量的機組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境影響，具有很強的不確定性，甚至無法與電網兼容，因此需要配套儲能系統(tǒng)以解決消納、調峰、調頻、穩(wěn)定電網等各類問題。
2022年，在政策扶持和市場需求的雙重刺激下，儲能一下子成為了最為炙手可熱的產業(yè)之一，這背后實質是可再生能源裝機量的不斷攀升。和火電等可以主動控制發(fā)電量的機組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境影響，具有很強的不確定性，甚至無法與電網兼容，因此需要配套儲能系統(tǒng)以解決消納、調峰、調頻、穩(wěn)定電網等各類問題。
根據國家能源局的數(shù)據顯示，2016-2021年間，我國平均棄風率和棄光率已經分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%，這里面除了電網運營優(yōu)化，技術進步的原因之外，也離不開儲能的發(fā)展。而且中科院電工研究所儲能技術研究組組長陳永翀日前表示，盡管我國的儲能裝機規(guī)模世界第一，但儲能與風電光伏新能源裝機規(guī)模的比例（簡稱“儲新比”）不到7%；相對而言，其他國家和地區(qū)的平均儲新比已達15.8%。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的快速增加，我國儲新比還有很大的增長空間。
在儲能技術上，雖然目前抽水蓄能占據了絕對主導的市場，但這項已有上百年歷史的技術正讓位于利用電池作為緩沖存儲介質的電化學儲能（簡稱BESS），后者因為不受自然條件限制，并且具有快速響應、靈活部署等特性，與可再生能源容量小、布局分散、數(shù)量多的特點完全吻合，可在戶用側、工商業(yè)側及網側實現(xiàn)靈活部署。據中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會發(fā)布的《2022儲能產業(yè)應用研究報告》統(tǒng)計數(shù)據顯示，2021年中國新增儲能項目個數(shù)146個，電化學儲能項目就達131個，其中鋰離子電池儲能項目120個。與此同時，大型項目之外，更多以工商業(yè)和戶用為代表的小微型儲能站正在多點開花。
雖然從長遠來看，BESS的發(fā)展是大勢所趨，但在現(xiàn)階段，成本、安全性、使用壽命、環(huán)保等問題還在一定程度上對產業(yè)有所阻礙，技術方面的發(fā)展成為很重要的因素。BESS簡而言之就是直流與交流間的電力轉換、電池充放電以及整個工業(yè)系統(tǒng)的控制過程，自然離不開電力電子技術來確保儲能系統(tǒng)的安全和高效率。因此，一般而言，典型的BESS包含以下幾部分：PCS（power conversion system，功率轉換系統(tǒng)）負責電池直流鏈路和逆變器交流母線（即電池和電網）之間的功率變換，BMS（電池管理系統(tǒng)）負責監(jiān)控電池的各項關鍵信息，以及EMS（能源管理系統(tǒng)）負責操作和控制整個系統(tǒng)。
無論是儲能系統(tǒng)的任何部分，都離不開芯片的支持。本文將通過具體的產品和方案，讓大家了解BESS系統(tǒng)的關鍵組成，以及如何克服所面臨的挑戰(zhàn)。在該領域，電力電子的主要供應商之一德州儀器（TI）有著數(shù)十年相關技術積累，同時對于電池管理以及工業(yè)控制，TI也有著豐富的產品及系統(tǒng)經驗，可以為整個ESS系統(tǒng)構建完整的信號及能量傳遞鏈路，因此本文選取了TI幾款具有代表性的產品和方案。
雙向功率轉換系統(tǒng)
在以往沒有配套儲能的時代，可再生能源的電力流向往往都是單向直接傳至電網側。在這種架構下添加儲能系統(tǒng)，顯然一個雙向系統(tǒng)優(yōu)于兩個單向系統(tǒng)。因此需要為儲能側增加雙向DC/DC充放電管理，同時在AC/DC側也需要更改為雙向架構，集成PFC（power factor correction，功率因數(shù)校正）和逆變器。這種更靈活的雙向結構，有助于實現(xiàn)更好的削峰填谷，在電價便宜或者發(fā)電量多的時候存入電能，而在有需求時候及時釋放。
一般而言，這種雙向架構就意味著兩套彼此獨立的轉換系統(tǒng)，包括功率、控制、保護等等，這帶來了更高的系統(tǒng)成本，更復雜的布局布線以及更大的體積。
雙向PFC與逆變級
由于拓撲結構中的功率器件基本相同，因此可將二者結合，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高效和小尺寸。其中雙向DC/DC功率級是專為儲能逆變器所打造的，雙向 DC/DC 功率級的常見拓撲是 CLLLC和DAB。而對于離網/并網雙向逆變器/PFC 功率級而言，并不需要特殊的拓撲來實現(xiàn)，因為標準組串式逆變器中常用的逆變器功率級，如兩級 H 橋、HERIC、三電平 TNPC、三電平 NPC 和三電平 ANPC 等都能夠實現(xiàn)雙向轉換。
這些復雜的拓撲，給電源的轉換和控制帶來了諸多挑戰(zhàn)。同時，對于大功率逆變器而言，可能存在數(shù)個并聯(lián)情況，因此也需要彼此間和與電網間的同步需求。
同時，為了實現(xiàn)更高的轉換效率和儲能密度，儲能系統(tǒng)正在越來越多地引入寬禁帶半導體作為其功率器件，相比傳統(tǒng)硅器件，寬禁帶半導體可以實現(xiàn)更高的開關頻率，從而提高轉換效率并降低尺寸，但這種更高的開關頻率也給從驅動設計到布局布線、EMI、熱管理等方面帶來了挑戰(zhàn)。
效率、體積和成本固然重要，但可靠性和安全性永遠是第一位的。比如對于并網的雙向逆變器而言，需要具備檢測和隔離功能，在電網出現(xiàn)故障（如停電、掉電、過壓等）時，應及時斷開。
正如以上種種挑戰(zhàn)，無論對哪類電源拓撲，設計都絕非易事。因此最佳方案是盡可能的選擇一套優(yōu)化的參考設計方案，以及一站式供應商。TI提供了多種拓撲參考方案，從而滿足各類功率轉換系統(tǒng)的需求。
TIDA-010210參考設計
以TI的基于 GaN 的 11kW 雙向三相 ANPC 參考設計TIDA-010210為例，此參考設計提供了用于實現(xiàn)基于氮化鎵 (GaN) 的三電平三相 ANPC 逆變器功率級設計模板。使用快速開關型功率器件可實現(xiàn) 100kHz 的更高開關頻率，不僅減小了濾波器磁性元件的尺寸，還提高了功率級的功率密度。多級拓撲允許在高達 1000V 的較高直流總線電壓下使用額定電壓為 600V 的功率器件，這是在其他拓撲中無法實現(xiàn)的。同時，較低的開關電壓應力可降低開關損耗，從而使峰值效率達到 98.5%，并且也可提升系統(tǒng)的可靠性。
該方案集成了TI的多款明星產品，包括C2000 32位MCU、集成驅動、保護和溫度報告的GaN FET、柵極驅動器、開關轉換器等電源類產品以及數(shù)字隔離器、放大器等信號鏈產品。
通過多級拓撲可以使用低電壓開關器件，但也意味著需要驅動更多開關，并且即使在異常操作期間也需要避免過壓。在此參考設計中TI僅用一顆C2000就在有限的PWM下控制18個功率元件，并通過集成的CLB實現(xiàn)基于硬件的連鎖保護，從而無需使用外置的FPGA或CPLD。并且只需軟件控制，就可實現(xiàn)換向功能。
高可靠電池管理系統(tǒng)
與功率轉換系統(tǒng)相類似，電池管理系統(tǒng)首先要保證足夠的安全可靠，其次則是在效率、體積和成本方面進行優(yōu)化，而BMS是確保電池安全的最重要的系統(tǒng)。
典型的儲能BMS系統(tǒng)大致可分為BMU、BDU以及BCU，其中BMU實現(xiàn)單獨電池信息采集，BDU進行電池簇的管理，BCU則負責整體的控制和通信。
由于電池管理系統(tǒng)更關注電池充放電管理，所以需要詳細收集各類信息，包括電池信息存儲、采集、均衡控制、充放電管理等。因此一個高性能AFE是實現(xiàn)高水平BMS的關鍵，應在精確性、魯棒性、安全性以及系統(tǒng)成本等方面解決客戶的痛點。
BQ7961x簡化系統(tǒng)框圖
TI的BQ7961x系列精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成硬件保護器，就是一款迎合儲能客戶需求的AFE。首先在精度上，可以實現(xiàn)2mV以內的電壓采樣精度以及小于0.3%的電流采樣精度，16位ADC對16串電池的掃描時間僅為128μS，并且集成數(shù)字濾波，幫助客戶實現(xiàn)更高精度的電池SoC和SoH計算，從而對電池進行更好管理。在可靠性上，TI增強了引腳耐壓，可以承受高達80V電壓。由于儲能系統(tǒng)內部的EMC干擾強，很可能進入異常狀態(tài)，有上電重啟需求。BQ79616內部提供硬件復位，更加穩(wěn)定耐用。更重要的是，TI的BQ7961x系列采用隔離式差分菊花鏈通信，可以實現(xiàn)雙向通信及雙向喚醒，在某個節(jié)點損壞的情況下，仍然可以實現(xiàn)通信，并且在電池簇管理上，也采用菊花鏈方式，連接包括霍爾傳感器、保險絲、風扇、繼電器等監(jiān)控。
在安全性方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車規(guī)級安全，完全可以滿足儲能系統(tǒng)的安全性需求。提供雙ADC冗余采樣，可對電壓、電流、溫度、通信狀態(tài)等進行監(jiān)測與保護，并且具有自我診斷功能，相比軟件檢測更加準確高效。
TI通過高級集成，降低系統(tǒng)的開發(fā)門檻和成本。比如BQ7961x系列集成了內部均衡MOSFET，最高支持250mA電流，并且可以自動對電池進行均衡。此外，BQ7961x系列提供了豐富的產品種類，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串數(shù)，從而根據實際需求進行成本優(yōu)化。
迎接儲能市場新機遇
在中國堅定不移地發(fā)展新能源和電力體制改革的大背景下，儲能是電力電子產業(yè)一顆冉冉升起的新星，無論從產品及商業(yè)形態(tài)還是其本身的科技含量，都在快速變化發(fā)展中，未來甚至每輛車都可以成為一個移動的儲能站。在不斷地變化中，選擇經過大量市場驗證、靈活可靠、且一站式交付的供應商，是確保產品開發(fā)及量產的重要保障。
推進可再生能源發(fā)展，打造更環(huán)保的電網是TI助力中國能源行業(yè)發(fā)展的初心，這其中也包括了儲能產業(yè)。TI正在通過廣泛的模擬和嵌入式處理產品、豐富的參考設計、強大且全方位的本地支持，包括本地研發(fā)、本地銷售和應用團隊以及完全本地化的 TI.com.cn，幫助儲能行業(yè)實現(xiàn)高可靠、高效率、小尺寸及更高性價比，以滿足未來能源創(chuàng)新需求。
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