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高能效儲能系統中多階拓撲之優勢
 

【作者: Peter B. Green】   2020年12月02日 星期三

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電池儲能系統用於建置太陽能供電家庭或企業(即所謂的住宅或商業 ESS),公用電業規模的ESS用於在需求高峰期間補充發電量。兩者採用不同架構、拓撲及功率半導體技術的雙向電源轉換器。多階逆變器設計在中、高功率應用中受到熱烈歡迎,因為開關元件的功耗降低可減少散熱,較低的諧波內容僅需較少的濾波且 EMI 明顯降低。


什麼是儲能系統?

儲能是收集產生的能源作為儲存及日後使用。電池儲能系統用於建置獨立於公用電業之外的太陽能供電家庭或企業(即所謂的住宅或商業 ESS),這些系統稱為「電表後段」。反之,公用電業規模的ESS稱為「電表前段」,用於在需求高峰期間補充發電量。兩者採用不同架構、拓撲及功率半導體技術的雙向電源轉換器。


住宅型太陽能 ESS

住宅型太陽能系統透過逆變器與公用電業的電網相連,逆變器可在日照期間將太陽能板的電力轉換為交流電。多餘的電力可以回售給公用電業公司,但在天黑的期間,終端用戶仍必須依靠公用電業提供電力。


公用電業公司利用上述的限制,透過調整定價模型,將住宅型用戶轉移到「時間計價」(Time-of-use)費率,在沒有太陽能供電的時段收取較多的費用。在系統中加入ESS,用戶可透過「削減尖峰用電」(peak-shaving)來解決此問題,以避免高昂的能源成本:將太陽能板收集的電力儲存在電池中,以隨時滿足其電力需求。


電池技術的發展造就了鋰離子(Li-ion)電池組的生產,其單位質量和單位體積的電荷儲存量比舊技術的鉛酸蓄電池要高得多。結合高效率的雙向電源轉換系統,可用於打造3至12千瓦精簡型壁掛式ESS裝置,為住家提供24小時或更長時間的供電。


然而,儘管鋰離子電池具有能量密度的優勢,但仍有一些缺點,特別是安全性方面,包括容易過熱或在高電壓下損壞,必須使用安全機制來限制電壓和內部壓力。儲存容量也會因為老化而下降,導致運作幾年之後最終發生故障。因此,每個電池組都必須包含一個電池管理系統(BMS),以確保安全且有效率地運作。


不同於太陽能逆變器,ESS必須在雙向轉換的兩種不同模式下運作:


1. 充電模式:當電池正在充電時


2. 備用模式:當電池為連接的負載供電時


結合太陽能板的住宅型ESS分為DC或AC耦合系統。在DC耦合系統中,單一混合式逆變器在共同DC匯流排上結合雙向電池轉換器和DC-DC太陽能MPPT級的輸出,然後為併網逆變器級供電。但是,AC耦合系統(有時稱為「交流電池」)越來越受歡迎,因為此類型ESS很容易改裝至未配備儲能裝置的既有太陽能設備中,而AC耦合ESS可直接連接至電網。另一項優勢是容易並聯以提供更大的功率能力和儲存容量。


住宅型 ESS 電源轉換器架構


圖1 : 住宅型儲能系統的基本架構圖
圖1 : 住宅型儲能系統的基本架構圖

上圖概述以48V鋰離子電池組為基礎的AC耦合系統,整個系統通常安裝在壁掛式機箱中。電池組包含一個整合的電池管理系統(BMS),用於管理個別電池單元的充電狀態(SOC),電池的充電狀態通常額定為標稱3.2V。藉由防止在過充或充電不足的狀態下運作,可大幅降低電池劣化程度。BMS包含專用控制IC並結合以溝槽式技術為基礎的低壓MOSFET開關,例如英飛凌的 OptiMOS或StrongIRFET系列,通常在80至100V的電壓範圍內。


在此範例中,電源轉換系統分為三個階段,每個階段皆以主動式電源開關而非二極體為基礎以支援雙向電源轉換。有幾種可能的拓撲,其中多種是基本H型電橋的變體。圖二顯示結合兩個並行功率轉換級以共享電力傳輸的拓撲:



圖2 : 住宅型 ESS 可能使用的轉換器拓撲
圖2 : 住宅型 ESS 可能使用的轉換器拓撲

階段一


第一階段將電池電壓(通常為48V)轉換為高頻AC以透過變壓器升壓。在此範例中,選擇一個諧振拓撲以在備用模式下以零電壓切換運作,藉此盡可能避免切換損耗以將效率最大化。在充電模式下,此階段做為同步整流器運作。


此階段在低電壓和高電流下進行切換,非常適合具有極低RDS(ON)的60V溝槽式MOSFET裝置,例如英飛凌的OptiMOS系列。這樣的裝置可以並聯連接,非常適合具有優異散熱能力和極低寄生封裝電感的封裝(例如DirectFET)。


階段二


第二階段在高電壓和相對較低電流下運作,當ESS在備用模式下供電時執行同步整流功能,並在充電模式下將高壓DC轉換為高頻AC以透過變壓器降壓。


由於匯流排電壓通常介於400至500V之間,因此這個階段需要600至650V的開關,這些開關能以盡可能低的切換和傳導損耗在高頻下進行切換。寬能隙碳化矽(SiC)溝槽式MOSFET具有優於矽超接面(SJ)裝置的多項優點,可在數千瓦及更高的功率位準下達到更高的轉換效率。較高的臨界崩潰電場可維持給定的電壓額定值,同時縮小裝置的厚度以降低導通電阻。


英飛凌 CoolSiC MOSFET 650V產品系列提供RDS(on)低至27mΩ的裝置。較高的導熱性對應於較高的電流密度,而較寬的能隙可在高溫下帶來較低的漏電流。以CoolMOS而言,從25°C到 100°C的RDS(on)倍增因子為1.67,CoolSiC則為 1.13。這意味著,為了使CoolMOS和 CoolSiC具有相同的傳導損耗(?????????? = ??2 ? ??(????)(????)),可為CoolSiC設計更高的 RDS(on)。


此外,輸出電荷(QOSS)和反向恢復電荷(Qrr)明顯較低。CoolMOS的發展已使得本體二極體 Qrr降低,目前可提供快速二極體裝置系列CFD和CFD7。然而,此電荷仍然太高,無法達到 CoolSiC可能達成的高效率結果,該裝置的電荷比市場上最佳的快速二極體SJ MOSFET低10倍。


階段三


範例中的第三階段以高效率可靠逆變器概念(HERIC)為基礎。在備用模式下,高DC匯流排電壓被轉換為PWM調變的高頻AC波形,然後透過低通輸出濾波器產生正弦波輸出。HERIC逆變器採用額外的背對背開關,這些開關以低頻運作,以便在四個H型電橋開關均關斷的週期內,使輸入端的輸出電感器電流解耦,如此可降低共模雜訊漏電流和EMI。


在充電模式中,此階段做為同步推拉式電路PFC升壓轉換器運作,可在正極和負極線路半週期中運作以產生高壓DC匯流排,然後將其轉換回第二和第一階段為電池充電。


H型電橋需要600至650V電源開關,以避免在任何線路突波事件期間發生突崩。由於此階段在兩種運作模式下都很難切換,因此快速的本體二極體復原至關重要。最小化切換損耗,同時由於低導通電阻而降低傳導損耗,並改善溫度穩定性,因此可提高整體效率。在備用模式運作期間,背對背開關也需要類似的額定電壓和快速的本體二極體復原。


多階轉換器拓撲

第三階段可利用雙向的多階(ML)逆變器代替。取代僅有兩個階段,可在切換階段的輸出節點上產生多個可能的電壓位準,包括0V中點以及介於+VDC/2和–VDC/2之間的中間電壓位準,以饋入輸出濾波器。依據DC匯流排和輸出電壓要求而定,可提供5、7或9級拓撲。MOSFET可以用串聯-並聯的組合方式連接。



圖3 : 5 級飛馳電容器主動式中性點箝位逆變器基本示意圖
圖3 : 5 級飛馳電容器主動式中性點箝位逆變器基本示意圖

多階逆變器利用具有極低RDS(on)和本體二極體復原電荷Qrr的低電壓溝槽式MOSFET裝置,取代高電壓開關。這些因素大幅降低傳導和切換損耗,因此有可能達到比傳統逆變器更高水準的效率。多階逆變器設計在中、高功率應用中受到熱烈歡迎,因為開關元件的功耗降低可減少散熱,較低的諧波內容僅需較少的濾波且 EMI 明顯降低。


公用事業級 ESS

公用事業級ESS在高於100 kW的功率下運作,通常以480 VRMS的功率提供三相交流電。其系統概念類似住宅型ESS,但有許多鋰離子電池組與各個電池組(包含自有的整合式BMS)串聯連接,以產生高於740V的總電池電壓。



圖4 : 公用事業級 ESS 的典型轉換器拓撲
圖4 : 公用事業級 ESS 的典型轉換器拓撲

額定電壓1200V的IGBT模組通常用於連接至800至900V DC匯流排的功率轉換級。其系統架構受限於電池利用率方面,因為對於具有不同充電狀態的串聯連接的電池組而言,系統只能在一個電池組達到最低允許的充電量之前運作。此時,即使其他電池組可能仍保持大量電量,整個系統仍必須關閉,使得電池利用率限制在最弱的電池組。


公用事業級 ESS 的多階概念

為克服上述限制,已開發模組化串接多階架構。現在每個電池組皆連接至雙向電源轉換器模組,其輸出串聯連接以建構高電壓DC匯流排。多階運作發生在系統層級,因為模組能以不同的串聯和並聯方式連接,在不同時間產生不同的電壓位準,並由中央控制器管理。藉由逐步調整電壓位準,可組成近似全波整流正弦電壓匯流排,然後進行濾波以去除諧波內容,並通過低頻展開級,以產生正弦波電壓輸出,並連接至電網。


由於具備可配置或旁路模組的額外靈活性,進階控制方案可從存有更多電荷的電池組中獲取更多電力,以補償不同電池的不同SOC。



圖5 : 串接模組化多階 ESS 中的電池充電靈活性
圖5 : 串接模組化多階 ESS 中的電池充電靈活性

模組拓撲有多種變化,通常需要80或100V溝槽式MOSFET裝置(例如英飛凌 StrongIRFET和OptiMOS系列),並採用具有低 RDS(on)和寬安全運作區(SOA)的無鉛封裝,例如TOLL或 DirectFET,它們具有針對最低可能電阻及電感進行最佳化以支援高電流的封裝。可並聯使用兩個或更多個MOSFET,以共用數百安培的電流。切換頻率可低於10 kHz,因為多階系統的有效輸出頻率可將模組切換頻率乘上級數(模組)減一。


目前尚未有任何一種架構成為具有主導性的架構。預計在未來十年中,在住宅、工業及公用事業等領域中採用ESS將有所增長。


(本文作者Peter B. Green為英飛凌科技美國分公司首席工程師)


參考資料


[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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