儲能系統(tǒng)提升能源利用效率

儲能系統(tǒng)提升能源利用效率

— 市場潛力驚人

儲能系統(tǒng)（Energy Storage System, ESS）主要用于將一段時(shí)期內(nèi)暫時(shí)不用的多余能量通過某種方式收集并儲存起來，在使用高峰時(shí)再提取使用，或者運(yùn)往能量緊缺的地方再使用，以便提升能源的利用效率，避免能源的浪費(fèi)，這在能源短缺的現(xiàn)代社會來說，顯得更為重要。本文將為您介紹儲能系統(tǒng)的概念與發(fā)展現(xiàn)況，以及由艾睿電子提供的參考設(shè)計(jì)與各種解決方案。

儲能系統(tǒng)解決能源短缺問題

由于能源的產(chǎn)生（如可再生能源中的水力發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等）經(jīng)常受到時(shí)間性和空間性的限制，例如水力發(fā)電通常在夏季的發(fā)電量較大，在枯水期時(shí)則發(fā)電量較小，太陽能則只能在白天發(fā)電，到了晚上則無法發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電亦會受到季節(jié)、天候因素的影響，較難持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)電，而人類對能源的利用量，也會受到季節(jié)、天候的影響，會出現(xiàn)高峰與低峰用電時(shí)間，且與上述的各種發(fā)電方式往往無法進(jìn)行配合。

因此，如何將一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的多余能源存儲起來，然后再于用電高峰時(shí)間提供給電網(wǎng)，這種用于儲能的儲能系統(tǒng)裝置，便成為當(dāng)前熱門的應(yīng)用之一。能源儲存系統(tǒng)可以儲存多余的熱能、動能、電能、位能、化學(xué)能等，改變能量的輸出容量、輸出地點(diǎn)、輸出時(shí)間等，常見的儲能技術(shù)包括顯熱儲能技術(shù)、潛熱儲能技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)熱儲能技術(shù)三種。

顯熱儲能技術(shù)是通過加熱儲能介質(zhì)提高其溫度，而將熱能儲存其中。常用的顯熱儲能材料有水、土壤和巖石等。就目前來說，這是一種技術(shù)比較成熟、效率比較高、成本又比較低的儲能方法。

潛熱儲能技術(shù)是利用儲能介質(zhì)液相與固相之間的相變時(shí)產(chǎn)生的熔解熱將熱能儲存起來的，但是儲能媒介物價(jià)格昂貴，容易腐蝕，有的介質(zhì)還可能產(chǎn)生分解反應(yīng)，儲存裝置也較顯熱型復(fù)雜，技術(shù)難度較大。

化學(xué)能存儲技術(shù)則是利用能量將化學(xué)物質(zhì)分解后分別儲存能量，分解后的物質(zhì)再化合時(shí)，即可放出儲存的能量?？梢岳每赡娣纸夥磻?yīng)、有機(jī)可逆反應(yīng)和氫化物化學(xué)反應(yīng)三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，將為解決能源短缺的問題提供良好的途徑。

全球儲能市場正在高速增長

儲能是提高電力系統(tǒng)可靠性、促進(jìn)新能源消納的關(guān)鍵技術(shù)。儲能系統(tǒng)可以動態(tài)吸收并儲存來自發(fā)電側(cè)或電網(wǎng)的電能，在需要時(shí)釋放，從而改變電能生產(chǎn)、輸送和使用同步完成的模式，使得實(shí)時(shí)平衡的“剛性”電力系統(tǒng)變得更加“柔性”，有效提高電能質(zhì)量和用電效率。

除了大型電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能應(yīng)用之外，應(yīng)用在家庭用戶側(cè)的儲能系統(tǒng)（戶用儲能），將成為新型電力系統(tǒng)的重要部分，通常與戶用光伏系統(tǒng)組合安裝，為家庭用戶提供電能。在白天時(shí)，光伏所發(fā)的電能優(yōu)先供本地負(fù)載使用，多余的能量存儲到蓄電池，在電能仍有富余的情況下可選擇性并入電網(wǎng)；當(dāng)在夜間光伏系統(tǒng)無法發(fā)電時(shí)，蓄電池放電提供電能供本地負(fù)載使用。戶用儲能系統(tǒng)可以提高戶用光伏自發(fā)自用程度，減少用戶的電費(fèi)支出，并在極端天氣等情況下保障用戶用電的穩(wěn)定性。

戶用電化學(xué)儲能系統(tǒng)通常是由電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲能變流器（PCS）和能量管理系統(tǒng)（EMS）構(gòu)成，其中儲能電池和變流器是價(jià)值量較高的核心環(huán)節(jié)。

目前的全球儲能市場正在高速增長，用戶側(cè)儲能則是重要的驅(qū)動力之一。根據(jù)弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）的數(shù)據(jù)，2021年全球儲能系統(tǒng)新增裝機(jī)容量達(dá)25.2GWh，同比增長133.3%，其中發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)裝機(jī)分別為14.4、2.7、8.1GWh。其中尤以歐洲、美國引領(lǐng)發(fā)展，戶用儲能市場迎來高速增長。

此外，在國家政策的推動下，中國的儲能市場也在蓬勃的快速發(fā)展。以深圳市為例，深圳計(jì)劃力推分布式光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用落地和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，探路超大城市“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”發(fā)電模式，其大力推廣建筑光伏一體化（BIPV），力爭全市新增光伏裝機(jī)容量150萬千瓦，并有望在2025年達(dá)500萬千瓦，其發(fā)展速度極為快速，若推廣到全中國的其他城市，將帶來極為龐大的市場與發(fā)展機(jī)遇。

應(yīng)用于住宅的光伏／太陽能儲能系統(tǒng)

這種應(yīng)用于住宅的光伏／太陽能儲能系統(tǒng)，對于可再生能源和分布式能源發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要，必須提供易于使用的產(chǎn)品來設(shè)計(jì)高效的電源轉(zhuǎn)換和電池管理系統(tǒng)，其中系統(tǒng)成本和性能優(yōu)化是關(guān)鍵驅(qū)動因素，快速上市和可靠的交付性能是關(guān)鍵要求。

以10kw太陽能儲能系統(tǒng)為例，由艾睿電子推出的這款10kW DC/AC三相光伏逆變器將帶電池組和雙向充電系統(tǒng)，主要由4個(gè)模塊組成，包括3相T型DC-AC逆變器塊、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）升壓模塊、雙向電池充電系統(tǒng)與人機(jī)界面（HMI）模塊等組成，可加速客戶的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。

其中的3相T型DC-AC逆變器的拓?fù)洳捎?0kW -15KW的3電平T型逆變器，使用1200 V、75mΩ、TO247-4封裝的SiC MOSFET，以及650V、45A、TO247-4封裝的SiC MOSFET，還搭配安森美的NCV1117ST、CS51414的DC穩(wěn)壓器，安森美的NCV7357D CAN收發(fā)器、安森美的NCS20061SN2T1G放大器。

MPPT升壓塊的主要器件則采用了TI的TMS320C28379 MCU，1200 V、75mΩ、TO247-4封裝的SiC MOSFET，以及1200V、20A、TO247-3封裝的SiC二極管，還有安森美的NCS20061SN2T1G放大器與NCV1117ST33T3G、NCV1117ST50T3G的DC穩(wěn)壓器。

雙向電池充電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是10kW CLLLC雙向DCDC電源轉(zhuǎn)換器，采用了1200 V、32mΩ、TO247-4封裝的主要SiC MOSFET，以及650 V、15mΩ、TO247-4封裝的次要Si MOSFET，另外還搭配了安森美的隔離SiC柵極驅(qū)動器、放大器與DC穩(wěn)壓器，以及TI的MCU。

HMI塊則支持WiFi、以太網(wǎng)、RS485、CAN等接口，并搭配隔離輔助電源子板，支持Vin為900~1000V DC Link Bus輸入，Vout為12V/4A隔離直流輸出，采用的主要器件包括安森美UC2844BD1R2G PWM控制器、1700V高壓SiC MOSFET，以及安森美FDMS86101DC低壓功率MOSFET，以及安森美NCP4306DADZZ同步控制器、安森美NCP431BCSNT1G參考電壓、安森美FOD817A光電耦合器、安森美BCP56T1G功率晶體管，以及許多安森美二極管與Zener二極管。

高效率的雙向電源轉(zhuǎn)換器

艾睿電子另外還推出一款用于儲能PFC的雙向電源轉(zhuǎn)換器，這是一個(gè)用于能量儲存PFC的雙向電源轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，它由圖騰柱PFC拓?fù)渌M成，使用SiC MOSFET在高開關(guān)頻率下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)高效率并減小尺寸和重量。

該雙向電源轉(zhuǎn)換器在充電模式下的最大充電功率為6.6kW，額定輸入電壓為200Vac至265Vac 50Hz，額定輸出電壓則為380Vdc至580Vdc，效率則可超過98%，在反向模式下的最大逆變功率為6.6kW，逆變額定輸入電壓為550Vdc，逆變額定輸出電壓為220Vac 50Hz，效率同樣超過98%。

這款用于儲能PFC的雙向電源轉(zhuǎn)換器可用于大功率充電系統(tǒng)，如UPS、太陽能系統(tǒng)等，該評估板可幫助用戶加快SiC MOSFET系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

結(jié)語

儲能系統(tǒng)能夠提升能源的利用效率，可用于電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，其中尤以用戶側(cè)的市場發(fā)展?jié)摿ψ顬辇嫶?。本文介紹艾睿電子所開發(fā)的儲能解決方案，將可大幅加快儲能系統(tǒng)的開發(fā)速度，若想對這個(gè)儲能系統(tǒng)有更進(jìn)一步的了解，歡迎與艾睿電子聯(lián)系以取得更多詳細(xì)的信息。

審核編輯 ：李倩