【導讀】隨著世界局勢動蕩以及電力需求的增加，能源已經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能之外，如何善用儲能系統（ESS）來保存與調節電力需求，便成為目前科技的重要發展方向之一。本文將為您介紹ESS的技術發展，以及由艾睿電子推出的ESS解決方案的功能特性。
儲能系統可改善能源供應結構
當前世界各國經常傳出電力供應吃緊的問題，除了倡導民眾節約能源之外，也需要對于當前的能源結構進行調整，并建設新型的電力系統，以便從發電、電網、載荷與存儲等各方面，進行一體化的深度協調互動，建設出靈活的能源電力系統新模式。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，例如在水力發電系統中，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，隨著新能源汽車產業的快速發展，也帶動了鋰電池產業鏈的成熟，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。
電池儲能系統的運作方式，通常是在白天時將太陽能板所產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。
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，可以方便客戶依據產品的實際需求，進行各種調整與變化。
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，從而加快客戶開發產品的時間。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。
在設計研發過程中，圖騰柱PFC所使用的組件數量是目前已知的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，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，這將由軟件鎖相環來實現，控制輸入電流波形及穩定DC輸出電壓，則由軟件雙閉環來實現。
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，可以應用在并網逆變以及離網逆變。其脈寬調制方法常用SPWM，SPWM產生分三種類型，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式逆變器及并網式逆變器，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實現電壓電流相位同步，離網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，并網逆變器控制并網電流，離網控制輸出電壓。
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、控制器參數調整、采樣信號處理、輕載控制、CBC限流與離網逆變帶載能力，可以解決客戶在設計上所面對的各種挑戰。
結語
ESS已經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、規格的ESS應用在家庭、工業、政府等不同的領域，全面性地提升電網的運作效率，并減少能源的浪費。艾睿電子累積了STM32G474在數字開關電源應用及雙向圖騰柱PFC的應用經驗，可提供圖騰柱PFC系統方案的硬件和軟件支持，解決技術難點，分享PCB設計和調試技巧，可加快客戶開發產品的時間，如有任何相關需求，歡迎與艾睿電子聯絡。
來源：艾睿電子
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