Know Your Battery Energy Storage Systems

可再生能源（如太阳能和风能）的一大问题在于，它们并不完全可控。因此，在可再生能源充足时使用电池储存多余的能量是有必要的。本文介绍了住宅和商用电池储能系统 (BESS)。之间的区别及其各自的常见电路拓扑。本文还建议使用安森美 (onsemi) 的碳化硅 (SiC) 方案，将 BESS 性能提升到全新水平。

图 1：BESS 实施概览

采用 BESS 的优势

使用带有储能电池的并网/离网太阳能逆变器系统，为住宅和商业用户带来诸多好处，包括：

• 价格：储存能量，可作为公用事业供应商的替代方案来降低电费。
• 自给自足：储存能量，可以减少（或消除）对电网供电的依赖。
• 备用电源：储存电力，可在主电力故障时用作替代电源。

BESS 主要构建模块

BESS通常包括四大构建模块：

• 可充电电池模块：包括机架式电池单元，容量范围从 50 V 到 1000 V 以上不等。
• 电池管理系统 (BMS)：BMS 系统可以保护和管理可充电电池，确保它们安全工作。
• 变流器 (PCS)：PCS 系统将电池组连接到电网和负载
• 能源管理系统 (EMS)：该软件可以监测、控制和优化BESS。

住宅 BESS

与 BESS 搭配使用的变流器按照耦合能量的方式（交流或直流）和功率等级（住宅或商业）分类。直流耦合系统或混合逆变器只需要一个电源转换步骤，而交流耦合的能量存储是现有直流耦合系统的升级版本。

图 2：住宅交流耦合（左）和直流耦合（右）ESS

双向 DC-DC 转换器连接电池组和直流链路。单相系统的母线电压通常小于 600 V，而充放电功率不会超过 10 kW。降压-升压转换器是最常见的双向 DC-DC 拓扑，因为它需要的组件少且易于控制。两个 650 V IGBT 或 MOSFET 搭配并联二极管，例如安森美 FGH4L75T65MQDC50 650 V FS4 IGBT（带集成 SiC 二极管），非常适合此类双向系统。

图 3：双向 DC-DC 的降压-升压

隔离可以确保 BESS 用户的安全，双有源桥转换器 (DAB) 或 CLLC 拓扑结构为 BESS 提供了隔离型双向 DC-DC 转换器方案。在这方面，安森美NTP5D0N15MC 150 V N 沟道屏蔽栅极 PowerTrench MOSFET 是不错的选择。

商业和企业场所以及具有更大功率需求的家庭采用标准的三相电源。在三相应用中，电源开关必须能够承受所需的工作电压和电流，以提供高达 15 kW 的输出功率，而且还要能够承受高于住宅装置所用的直流链路电压（高达 1000 V）。为此，可以使用 1200 V 器件，例如采用三级对称降压-升压拓扑结构。

商用 BESS

商用储能系统的输入和输出功率范围通常在 100 kW 至 2 MW 之间。这些大型装置可能由若干个三相子系统组成，功率范围从几十千瓦到超过 100 kW 不等。标准商用太阳能逆变器的直流母线电压通常为 1100 V，但在公用事业规模系统中可能高达 1500 V。

商用 BESS 中更常用的是交流耦合系统，因为它们可以轻松添加到现有设计中。此外，集中式储能单元更易于安装和维护。相比之下，直流耦合系统采用的分布式电池组则需要更大的空间和更高的维护成本。