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儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案改善能源的應(yīng)用效率

發(fā)布時(shí)間:2022-12-29 來(lái)源:艾睿電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著世界局勢(shì)動(dòng)蕩以及電力需求的增加,能源已經(jīng)成為世界各國(guó)都需要面對(duì)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(lái)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。


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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(guó)經(jīng)常傳出電力供應(yīng)吃緊的問(wèn)題,除了倡導(dǎo)民眾節(jié)約能源之外,也需要對(duì)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?jī)?chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)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(lái),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(lái),以便在電力吃緊時(shí),能夠有足夠電力供電網(wǎng)使用。常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)主要分成三種,第一種是通過(guò)機(jī)械方式來(lái)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(guò)管線(xiàn)將水往上游抽送,來(lái)保留水的位能,以便之后可再利用水力來(lái)推動(dòng)機(jī)械渦輪進(jìn)行發(fā)電。第二種則是通過(guò)熱能轉(zhuǎn)換,例如太陽(yáng)能熱水器能夠?qū)⒐饽埽ㄝ椛洌┐嬖跓崴崮埽├铩5谌N則是通過(guò)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。


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電池儲(chǔ)能應(yīng)用碳化硅技術(shù)提升效率


近年來(lái),隨著新能源汽車(chē)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(shì)促進(jìn)鋰電池在儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式在不斷拓展,同樣也帶來(lái)電力電子變換器的需求增長(zhǎng)。


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(yáng)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(lái)以供應(yīng)家庭或工廠(chǎng)使用。


在儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換過(guò)程中,首先必須將電能對(duì)電池進(jìn)行充電,通常是將來(lái)自電網(wǎng)的交流電(AC)通過(guò)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(lái)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(guò)SiC MOSFET,從交流側(cè)將電力交換到直流側(cè),不過(guò)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(guò)程則是由MCU進(jìn)行控制。


SiC MOSFET能夠以更高的開(kāi)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(jiǎn)單的數(shù)字控制進(jìn)行雙向輸出,通過(guò)純正弦波反轉(zhuǎn)輸出電壓。


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模塊化的雙向儲(chǔ)能逆變器參考設(shè)計(jì)


針對(duì)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(mén)極驅(qū)動(dòng)板,可以方便客戶(hù)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。


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雙向AC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)涞膱D騰柱PFC


艾睿電子針對(duì)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(jí)拓?fù)鋬?chǔ)能應(yīng)用的解決方案,其可以幫助客戶(hù)了解及學(xué)習(xí)這兩級(jí)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)、性能和控制,并直觀評(píng)估各主要器件的性能,從而加快客戶(hù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間。艾睿電子的ESS方案兩級(jí)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(jí)聯(lián)工作,能夠適合不同客戶(hù)需求,以下將針對(duì)圖騰柱PFC進(jìn)行重點(diǎn)介紹。


在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)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?cè)絹?lái)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(lái)軟件來(lái)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(kāi)關(guān)頻率為133kHz,兩個(gè)低速管,開(kāi)關(guān)頻率為市電頻率,低速管可以使用普通MOS管。


市電過(guò)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(guò)零時(shí),兩個(gè)開(kāi)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?cè)斐蛇^(guò)零時(shí)的電流尖峰。為了減少過(guò)零時(shí)的電流尖峰,軟件在過(guò)零時(shí)會(huì)對(duì)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(duì)電網(wǎng)的諧波干擾及減少設(shè)備的無(wú)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(duì)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(lái)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(lái)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)洌梢詰?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(lèi)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(duì)雙極性SPWM THD會(huì)更好,但缺點(diǎn)也是與PFC一樣,存在過(guò)零尖峰問(wèn)題,減少尖峰的問(wèn)題也是采用同樣的過(guò)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(kāi)關(guān)頻率為133kHz,兩個(gè)低速管,開(kāi)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(chǎng)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(duì)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(guò)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(hù)在設(shè)計(jì)上所面對(duì)的各種挑戰(zhàn)。


結(jié)語(yǔ)


ESS已經(jīng)是當(dāng)前解決能源問(wèn)題的重要應(yīng)用之一,未來(lái)將會(huì)有更多不同等級(jí)、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(kāi)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(hù)開(kāi)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(lái)源:艾睿電子



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