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高能效储能系统中多阶拓扑之优势
[作者 Peter B. Green]   2020年12月02日 星期三 浏览人次: [5917]

电池储能系统用於建置太阳能供电家庭或企业(即所谓的住宅或商业 ESS),公用电业规模的ESS用於在需求高峰期间补充发电量。两者采用不同架构、拓扑及功率半导体技术的双向电源转换器。多阶逆变器设计在中、高功率应用中受到热烈欢迎,因为开关元件的功耗降低可减少散热,较低的谐波内容仅需较少的滤波且 EMI 明显降低。


什麽是储能系统?

储能是收集产生的能源作为储存及日後使用。电池储能系统用於建置独立於公用电业之外的太阳能供电家庭或企业(即所谓的住宅或商业 ESS),这些系统称为「电表後段」。反之,公用电业规模的ESS称为「电表前段」,用於在需求高峰期间补充发电量。两者采用不同架构、拓扑及功率半导体技术的双向电源转换器。


住宅型太阳能 ESS

住宅型太阳能系统透过逆变器与公用电业的电网相连,逆变器可在日照期间将太阳能板的电力转换为交流电。多馀的电力可以回售给公用电业公司,但在天黑的期间,终端用户仍必须依靠公用电业提供电力。


公用电业公司利用上述的限制,透过调整定价模型,将住宅型用户转移到「时间计价」(Time-of-use)费率,在没有太阳能供电的时段收取较多的费用。在系统中加入ESS,用户可透过「削减尖峰用电」(peak-shaving)来解决此问题,以避免高昂的能源成本:将太阳能板收集的电力储存在电池中,以随时满足其电力需求。


电池技术的发展造就了锂离子(Li-ion)电池组的生产,其单位质量和单位体积的电荷储存量比旧技术的铅酸蓄电池要高得多。结合高效率的双向电源转换系统,可用於打造3至12千瓦精简型壁挂式ESS装置,为住家提供24小时或更长时间的供电。


然而,尽管锂离子电池具有能量密度的优势,但仍有一些缺点,特别是安全性方面,包括容易过热或在高电压下损坏,必须使用安全机制来限制电压和内部压力。储存容量也会因为老化而下降,导致运作几年之後最终发生故障。因此,每个电池组都必须包含一个电池管理系统(BMS),以确保安全且有效率地运作。


不同於太阳能逆变器,ESS必须在双向转换的两种不同模式下运作:


1. 充电模式:当电池正在充电时


2. 备用模式:当电池为连接的负载供电时


结合太阳能板的住宅型ESS分为DC或AC耦合系统。在DC耦合系统中,单一混合式逆变器在共同DC汇流排上结合双向电池转换器和DC-DC太阳能MPPT级的输出,然後为并网逆变器级供电。但是,AC耦合系统(有时称为「交流电池」)越来越受欢迎,因为此类型ESS很容易改装至未配备储能装置的既有太阳能设备中,而AC耦合ESS可直接连接至电网。另一项优势是容易并联以提供更大的功率能力和储存容量。


住宅型 ESS 电源转换器架构


图1 : 住宅型储能系统的基本架构图
图1 : 住宅型储能系统的基本架构图

上图概述以48V锂离子电池组为基础的AC耦合系统,整个系统通常安装在壁挂式机箱中。电池组包含一个整合的电池管理系统(BMS),用於管理个别电池单元的充电状态(SOC),电池的充电状态通常额定为标称3.2V。藉由防止在过充或充电不足的状态下运作,可大幅降低电池劣化程度。BMS包含专用控制IC并结合以沟槽式技术为基础的低压MOSFET开关,例如英飞凌的 OptiMOS或StrongIRFET系列,通常在80至100V的电压范围内。


在此范例中,电源转换系统分为三个阶段,每个阶段皆以主动式电源开关而非二极体为基础以支援双向电源转换。有几种可能的拓扑,其中多种是基本H型电桥的变体。图二显示结合两个并行功率转换级以共享电力传输的拓扑:



图2 : 住宅型 ESS 可能使用的转换器拓扑
图2 : 住宅型 ESS 可能使用的转换器拓扑

阶段一


第一阶段将电池电压(通常为48V)转换为高频AC以透过变压器升压。在此范例中,选择一个谐振拓扑以在备用模式下以零电压切换运作,藉此尽可能避免切换损耗以将效率最大化。在充电模式下,此阶段做为同步整流器运作。


此阶段在低电压和高电流下进行切换,非常适合具有极低RDS(ON)的60V沟槽式MOSFET装置,例如英飞凌的OptiMOS系列。这样的装置可以并联连接,非常适合具有优异散热能力和极低寄生封装电感的封装(例如DirectFET)。


阶段二


第二阶段在高电压和相对较低电流下运作,当ESS在备用模式下供电时执行同步整流功能,并在充电模式下将高压DC转换为高频AC以透过变压器降压。


由於汇流排电压通常介於400至500V之间,因此这个阶段需要600至650V的开关,这些开关能以尽可能低的切换和传导损耗在高频下进行切换。宽能隙碳化矽(SiC)沟槽式MOSFET具有优於矽超接面(SJ)装置的多项优点,可在数千瓦及更高的功率位准下达到更高的转换效率。较高的临界崩溃电场可维持给定的电压额定值,同时缩小装置的厚度以降低导通电阻。


英飞凌 CoolSiC MOSFET 650V产品系列提供RDS(on)低至27mΩ的装置。较高的导热性对应於较高的电流密度,而较宽的能隙可在高温下带来较低的漏电流。以CoolMOS而言,从25。C到 100。C的RDS(on)倍增因子为1.67,CoolSiC则为 1.13。这意味着,为了使CoolMOS和 CoolSiC具有相同的传导损耗(?????????? = ??2 ? ??(????)(????)),可为CoolSiC设计更高的 RDS(on)。


此外,输出电荷(QOSS)和反向恢复电荷(Qrr)明显较低。CoolMOS的发展已使得本体二极体 Qrr降低,目前可提供快速二极体装置系列CFD和CFD7。然而,此电荷仍然太高,无法达到 CoolSiC可能达成的高效率结果,该装置的电荷比市场上最隹的快速二极体SJ MOSFET低10倍。


阶段三


范例中的第三阶段以高效率可靠逆变器概念(HERIC)为基础。在备用模式下,高DC汇流排电压被转换为PWM调变的高频AC波形,然後透过低通输出滤波器产生正弦波输出。HERIC逆变器采用额外的背对背开关,这些开关以低频运作,以便在四个H型电桥开关均关断的周期内,使输入端的输出电感器电流解耦,如此可降低共模杂讯漏电流和EMI。


在充电模式中,此阶段做为同步推拉式电路PFC升压转换器运作,可在正极和负极线路半周期中运作以产生高压DC汇流排,然後将其转换回第二和第一阶段为电池充电。


H型电桥需要600至650V电源开关,以避免在任何线路突波事件期间发生突崩。由於此阶段在两种运作模式下都很难切换,因此快速的本体二极体复原至关重要。最小化切换损耗,同时由於低导通电阻而降低传导损耗,并改善温度稳定性,因此可提高整体效率。在备用模式运作期间,背对背开关也需要类似的额定电压和快速的本体二极体复原。


多阶转换器拓扑

第三阶段可利用双向的多阶(ML)逆变器代替。取代仅有两个阶段,可在切换阶段的输出节点上产生多个可能的电压位准,包括0V中点以及介於+VDC/2和-VDC/2之间的中间电压位准,以??入输出滤波器。依据DC汇流排和输出电压要求而定,可提供5、7或9级拓扑。MOSFET可以用串联-并联的组合方式连接。



图3 : 5 级飞驰电容器主动式中性点箝位逆变器基本示意图
图3 : 5 级飞驰电容器主动式中性点箝位逆变器基本示意图

多阶逆变器利用具有极低RDS(on)和本体二极体复原电荷Qrr的低电压沟槽式MOSFET装置,取代高电压开关。这些因素大幅降低传导和切换损耗,因此有可能达到比传统逆变器更高水准的效率。多阶逆变器设计在中、高功率应用中受到热烈欢迎,因为开关元件的功耗降低可减少散热,较低的谐波内容仅需较少的滤波且 EMI 明显降低。


公用事业级 ESS

公用事业级ESS在高於100 kW的功率下运作,通常以480 VRMS的功率提供三相交流电。其系统概念类似住宅型ESS,但有许多锂离子电池组与各个电池组(包含自有的整合式BMS)串联连接,以产生高於740V的总电池电压。



图4 : 公用事业级 ESS 的典型转换器拓扑
图4 : 公用事业级 ESS 的典型转换器拓扑

额定电压1200V的IGBT模组通常用於连接至800至900V DC汇流排的功率转换级。其系统架构受限於电池利用率方面,因为对於具有不同充电状态的串联连接的电池组而言,系统只能在一个电池组达到最低允许的充电量之前运作。此时,即使其他电池组可能仍保持大量电量,整个系统仍必须关闭,使得电池利用率限制在最弱的电池组。


公用事业级 ESS 的多阶概念

为克服上述限制,已开发模组化串接多阶架构。现在每个电池组皆连接至双向电源转换器模组,其输出串联连接以建构高电压DC汇流排。多阶运作发生在系统层级,因为模组能以不同的串联和并联方式连接,在不同时间产生不同的电压位准,并由中央控制器管理。藉由逐步调整电压位准,可组成近似全波整流正弦电压汇流排,然後进行滤波以去除谐波内容,并通过低频展开级,以产生正弦波电压输出,并连接至电网。


由於具备可配置或旁路模组的额外灵活性,进阶控制方案可从存有更多电荷的电池组中获取更多电力,以补偿不同电池的不同SOC。



图5 : 串接模组化多阶 ESS 中的电池充电灵活性
图5 : 串接模组化多阶 ESS 中的电池充电灵活性

模组拓扑有多种变化,通常需要80或100V沟槽式MOSFET装置(例如英飞凌 StrongIRFET和OptiMOS系列),并采用具有低 RDS(on)和宽安全运作区(SOA)的无铅封装,例如TOLL或 DirectFET,它们具有针对最低可能电阻及电感进行最隹化以支援高电流的封装。可并联使用两个或更多个MOSFET,以共用数百安培的电流。切换频率可低於10 kHz,因为多阶系统的有效输出频率可将模组切换频率乘上级数(模组)减一。


目前尚未有任何一种架构成为具有主导性的架构。预计在未来十年中,在住宅、工业及公用事业等领域中采用ESS将有所增长。


(本文作者Peter B. Green为英飞凌科技美国分公司首席工程师)


叁考资料


[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)


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