向光伏电网添加储能电池设备时，需要注意的四个设计注意事项

1.前言

在光伏（PV）设施数量持续增长的同时，太阳能电网供需双方之间的不平衡已成为主要制约因素。白天可以获得充足的太阳能，但需求量不高。这意味着用户将在使用高峰时段的早晚每瓦支付更高的价格。

住宅、商业和公共事业中太阳能设备的储能系统 (ESS) 在白天需求最低时使用逆变器存储电力或电网，并在需求高时进行存储，释放已产生的能量。将 ESS 添加到太阳能并网系统允许用户节省使用称为“调峰”技术的费用。 

2.双向电源转换

传统光伏设备由单向 DC/AC 和 DC/DC 功率级组成，但单向转换方法是纳入 ESS 的主要障碍。需要更多的组件、模块和子系统，所有这些都显着增加了向现有太阳能装置添加 ESS 的成本。

要将蓄电池添加到现有光伏设备中，必须将电池充电和放电的两条路径合并为一条由功率因数校正 (PFC) 和逆变器功率级组成的路径。... 但是如何构建一个双向电源转换器来代替两个单向电源转换器呢？

图1.双向PFC和逆变器级框图

混合逆变器可有效提高转换级的效率，但这种效率提高对于执行多次功率转换的配备 ESS 的微电网更为重要。电源转换器系统管理 DC/DC 转换以对电池进行充电和放电。它还管理 DC/AC 和 AC/DC 转换，将存储在电池中的直流电转换为交流电，以便流入和流出电网。

3.高压电池

在带有蓄电池的微电网系统中，蓄电池的主要功能是存储光伏能量并按需为电网供电。锂离子电池组的单位存储容量明显高于铅酸电池。

在 400V 电池组在电动汽车 (EV) 领域越来越受欢迎的同时，太阳能电网设备也正在将电池组电压从 48V 提高。但是如何管理 400V 电池组的电源转换？

除了具有系统控制和通信功能的微型计算机将ESS纳入更大的系统之外，低损耗和高效的电源开关也提高了储能系统的安全性和可靠性。基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 材料的紧凑型电源开关和实时微型计算机允许修改双向转换器以适应各种直流储能单元。见图 2。

图2.电池充电和放电应用的平滑双向操作

4.双有源桥式DC/DC转换器设计

SiC 和 GaN 等宽带隙半导体在解决电源转换系统方面发挥着重要作用，这些系统可以处理随着转换器增加功率密度和降低开关损耗而不断上升的电池电压范围。... 电源转换系统还允许电池组更好地管理分布式发电系统的功率波动，从而在更高和更宽的电压下实现智能和弹性的电网运行。

最终，太阳能设备可能会模仿电动汽车中使用的电池组。回收目前用于电动汽车的电池组作为并网 ESS 的想法正在变得普遍。

5.效率和自然对流所需的宽带隙材料

为了构建智能壁挂式存储系统，有必要设计一种使用最小自然对流冷却优化散热的逆变器。分布式电源架构 允许热量集中分布在整个系统中。这种架构确保所需的储能逆变器可以处理不同电压下的高电流水平，并可靠地响应快速变化的负载瞬变。

此类系统需要支持 100kHz 至 400kHz 开关频率下的高速开关并提供保护的栅极驱动器。如果切换速度不够快，您会发现电源转换阶段的效率明显低下。

这就是具有快速开关和高功率密度的宽带隙材料（例如 SiC 和 GaN）发挥作用的地方。这些半导体器件促进了不需要风扇冷却的系统设计。具有内置驱动器和保护功能的 LMG3425R030 GaN 器件具有紧凑的外形、高功率密度和快速开关功能。

该栅极驱动器将控制器的数字 PWM 信号转换为 SiC 或 GaN 场效应晶体管 (FET) 所需的电流。基于 PWM 的控制器允许在多个电源转换级中对电压和电流进行精确采样。

图3.具有数字控制的GaN CCM图腾柱参考设计，使用C2000实时微控制器和具有内置栅极驱动器和保护功能的快速开关GaN器件。

6.电流和电压检测

高频开关的电源设计面临着精确电流和电压感测的挑战。带有分流器的电流测量不仅提高了精度，而且加快了反应时间，让您在电网发生任何变化时迅速做出反应，因此您可以在电网发生短路或断开连接时关闭系统连接。增加。

电流测量对于以逆变器为中心的设计至关重要，因为控制算法需要电流感测来进行控制。有些设计解决方案可用于使用与外部分流器隔离的放大器/调制器和电源进行隔离电流测量。

电源转换器需要测量电网中的电流，以查看电流是否与电压同相。通过测量电流和电压，除了控制电池的充电电流外，还控制逆变器的运行和过载保护功能。

7.总结

在AC/DC和DC/DC之间进行双向功率转换的混合逆变器有望在未来几年取代传统的太阳能逆变器。太阳能逆变器设计人员将能够通过使用混合逆变器实现具有广泛输出功率和电压范围的功率转换。

提高电池电压和扩大电压范围是兼容储能的太阳能逆变器的重要问题。有了内置栅极驱动器和保护的微电脑控制和宽带隙半导体等基本组件，除了需要高效率和自然对流外，这些更高和更宽的电池电压可以得到支持。