【導讀】隨著世界局勢動蕩以及電力需求的增加，能源已經(jīng)成為世界各國都需要面對的重要議題，除了積極提高電力的產(chǎn)能之外，如何善用儲能系統(tǒng)（ESS）來保存與調(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的技術發(fā)展，以及由艾睿電子推出的ESS解決方案的功能特性。
儲能系統(tǒng)可改善能源供應結構
當前世界各國經(jīng)常傳出電力供應吃緊的問題，除了倡導民眾節(jié)約能源之外，也需要對于當前的能源結構進行調(diào)整，并建設新型的電力系統(tǒng)，以便從發(fā)電、電網(wǎng)、載荷與存儲等各方面，進行一體化的深度協(xié)調(diào)互動，建設出靈活的能源電力系統(tǒng)新模式。這個需求將催生大量儲能應用場景與裝配需求，儲能將具有不可替代的關鍵地位，在電力系統(tǒng)應用中扮演更重要的角色。
儲能技術指的是把能量存儲起來，以便在需要時使用的技術。儲能技術可在供電寬松的期間，將多余的電力存儲起來，以便在電力吃緊時，能夠有足夠電力供電網(wǎng)使用。常見的儲能技術主要分成三種，第一種是通過機械方式來轉換電力，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管線將水往上游抽送，來保留水的位能，以便之后可再利用水力來推動機械渦輪進行發(fā)電。第二種則是通過熱能轉換，例如太陽能熱水器能夠將光能（輻射）存在熱水（熱能）里。第三種則是通過化學方式，將電力存儲在電池的化學能之中，再于需要時放電為各種設備供電。
電池儲能應用碳化硅技術提升效率
近年來，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動了鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，鋰電池價格下降較快，鋰電池成本以每年20%-30%的速度在降低。這一趨勢促進鋰電池在儲能的應用場景和商業(yè)模式在不斷拓展，同樣也帶來電力電子變換器的需求增長。
電池儲能系統(tǒng)的運作方式，通常是在白天時將太陽能板所產(chǎn)生電能存儲在電池中，以便在夜間或緊急情況下，將電能從電池中提取出來以供應家庭或工廠使用。
在儲能系統(tǒng)的電力轉換過程中，首先必須將電能對電池進行充電，通常是將來自電網(wǎng)的交流電（AC）通過逆變器轉換為直流電（DC）為電池充電，隨后當需要電力時，再將來自電池的直流電（DC）放電到逆變器，以轉換為交流電返回電網(wǎng)。
隨著碳化硅（SiC）技術的成熟，目前的主流逆變器會通過SiC MOSFET，從交流側將電力交換到直流側，不過由于MOSFET的雙向轉換特性，它們也允許從直流側以同樣的方式切換回交流側，這個轉換過程則是由MCU進行控制。
SiC MOSFET能夠以更高的開關頻率操作，與傳統(tǒng)電源轉換器相比，尺寸減小約50%，并具有更高的效率，以更簡單的數(shù)字控制進行雙向輸出，通過純正弦波反轉輸出電壓。
模塊化的雙向儲能逆變器參考設計
針對ESS應用，艾睿電子推出了雙向儲能逆變器參考設計，能夠進行AC/DC雙向電源轉換，最大限度的充電功率可達到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6.6kW，逆變額定輸入為80Vdc，逆變額定輸出則為220Vac 50Hz，轉換效率可>93%。
該參考設計采用模塊化設計，包括圖騰柱（Totem-Pole）PFC雙向電源轉換板、CLLC雙向電源轉換板、AC轉12V隔離輔助電源板、12V轉12V隔離輔助電源板，以及隔離門極驅動板，可以方便客戶依據(jù)產(chǎn)品的實際需求，進行各種調(diào)整與變化。
該參考設計采用的核心組件包括單片機控制采用 ST STM32G474VBT6，CLLLC + PFC SiC MOSFET 則是使用 ST SCTWA60N120G2-4，此外還有隔離式柵極驅動器 ST STGAP2SiCS，隔離輔助電源 ST A6986I、VIPER329HDTR，以及 CAN 收發(fā)器 ST L9616、ESD 保護 ST HDMIULC6-4SC6Y / ST ESDCAN03-2BWY，還有高精度運算放大器 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。
雙向AC/DC轉換拓撲的圖騰柱PFC
艾睿電子針對儲能應用推出雙向AC/DC轉換拓撲的圖騰柱PFC，是基于ST高性能MCU STM32G474及ST SiC推出的雙向圖騰柱PFC及CLLLC兩級拓撲儲能應用的解決方案，其可以幫助客戶了解及學習這兩級拓撲的特點、性能和控制，并直觀評估各主要器件的性能，從而加快客戶開發(fā)產(chǎn)品的時間。艾睿電子的ESS方案兩級拓撲分為兩塊板，包括圖騰柱PFC和CLLLC，且兩塊板可以單獨工作和級聯(lián)工作，能夠適合不同客戶需求，以下將針對圖騰柱PFC進行重點介紹。
在設計研發(fā)過程中，圖騰柱PFC所使用的組件數(shù)量是目前已知的PFC拓撲中最少的，同時還具有最低傳導損耗、最高效率等優(yōu)點，圖騰柱PFC引起了人們越來越多的關注，是目前雙向AC/DC轉換的優(yōu)先選擇。
圖騰柱PFC解決方案的AC-DC整流模式（充電模式）是用來軟件來實現(xiàn)，在PWM時序上，圖騰柱PFC功率流動分4個階段，包含兩個高速管，開關頻率為133kHz，兩個低速管，開關頻率為市電頻率，低速管可以使用普通MOS管。
市電過零時的尖峰由軟件處理，進行PWM軟啟動／停止，由于圖騰柱高頻橋的兩管子的PWM互補輸出，在市電過零時，兩個開關功能將在正半周進入負半周或負半周進入正半周時互換，占空比也隨之由原先的0%跳變到100%，或者100%跳變到0%，這種跳變造成過零時的電流尖峰。為了減少過零時的電流尖峰，軟件在過零時會對PWM進行軟啟動／停止處理。
圖騰柱PFC控制器的作用有兩個目標，一是穩(wěn)定PFC的DC輸出電壓，另一個是控制輸入的市電電流。為了減少設備對電網(wǎng)的諧波干擾及減少設備的無功功率提高使用效率，功率因數(shù)接近1是最為理想。這就要求對輸入電流波形和相位進行控制，使輸入電流與輸入電壓相位同步，這將由軟件鎖相環(huán)來實現(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)來實現(xiàn)。
在DC-AC逆變模式（放電模式）下，圖騰柱PFC反向工作時作為H橋全橋逆變拓撲，可以應用在并網(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，相對雙極性SPWM THD會更好，但缺點也是與PFC一樣，存在過零尖峰問題，減少尖峰的問題也是采用同樣的過零軟啟動／停止方法。
放電模式的PWM時序在H橋逆變功率流動分4個階段，同樣有兩個高速管，開關頻率為133kHz，兩個低速管，開關頻率為市電頻率，低速管可以用普通MOS管。
逆變控制器則是按應用場景可分離網(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，側重點也不同。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)實現(xiàn)電壓電流相位同步，離網(wǎng)逆變控制更側重適應不同負載的帶載能力，控制對象也有差別，并網(wǎng)逆變器控制并網(wǎng)電流，離網(wǎng)控制輸出電壓。
這個圖騰柱PFC解決方案的設計要點包括市電過零尖峰處理、相位補償、THD的改善、控制器參數(shù)調(diào)整、采樣信號處理、輕載控制、CBC限流與離網(wǎng)逆變帶載能力，可以解決客戶在設計上所面對的各種挑戰(zhàn)。
結語
ESS已經(jīng)是當前解決能源問題的重要應用之一，未來將會有更多不同等級、規(guī)格的ESS應用在家庭、工業(yè)、政府等不同的領域，全面性地提升電網(wǎng)的運作效率，并減少能源的浪費。艾睿電子累積了STM32G474在數(shù)字開關電源應用及雙向圖騰柱PFC的應用經(jīng)驗，可提供圖騰柱PFC系統(tǒng)方案的硬件和軟件支持，解決技術難點，分享PCB設計和調(diào)試技巧，可加快客戶開發(fā)產(chǎn)品的時間，如有任何相關需求，歡迎與艾睿電子聯(lián)絡。
來源：艾睿電子
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