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儲能系統(tǒng)

太陽能技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，其發(fā)電量年年都有增長。然而，如何才能讓電能從源頭轉(zhuǎn)移到儲能系統(tǒng)（ESS）中，然后再輸送至負(fù)載？這個過程就是電力輸送。就概念而言，這一過程十分簡單，然而實(shí)施起來卻非常復(fù)雜，畢竟電能的多少和能源的一致性隨時會發(fā)生難以預(yù)測的變化，系統(tǒng)功率水平也并非一成不變。

可利用的太陽能是十分珍貴的。僅僅將能量儲存到電池中，再通過逆變器輸送至負(fù)載，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。首先，收集電能的效率一定要足夠高；然后，還要通過高品質(zhì)的控制器，將電能輸送至儲能子系統(tǒng)。本文將對電力輸送進(jìn)行概述，并提出一些流行的ESS方法。

01

儲能系統(tǒng)

ESS包含三大主要組成部分（圖1）：

能源和儲能裝置之間的路徑；儲能裝置通常為電池儲能系統(tǒng) (BESS)，但也可能采用其他形式

儲能裝置及其管理

儲能裝置與負(fù)載（即終端用戶或電網(wǎng)）之間的DC/AC逆變器

圖1：電池可接收并蓄存來自各種來源的電能，并通過DC/AC逆變器將其作為電源輸送給負(fù)載使用（圖源：貿(mào)澤電子）

ESS可蓄存能源，并根據(jù)需要將其作為電源輸送給負(fù)載使用。而太陽能是一種只能間歇供應(yīng)的能源。這樣的特性使得住宅和企業(yè)等應(yīng)用的關(guān)鍵——電力彈性成為一項重大挑戰(zhàn)。作為緩解可再生能源間歇性問題的重要媒介，儲能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

由于電動汽車（EV）對先進(jìn)化學(xué)電池需求的急速增長，電池正成為儲能領(lǐng)域的出色解決方案。能源與負(fù)載之間的儲能電池及其管理系統(tǒng)必須對收集到的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足供電需求。

02

容量驅(qū)動的架構(gòu)

能源與應(yīng)用負(fù)載之間存在各種各樣的組合，因而并不存在一種可提供優(yōu)秀性能的架構(gòu)。此外，基于太陽能的光伏（PV）設(shè)備根據(jù)功率大小，適用于各種細(xì)分市場。

就太陽能而言，一種常用的市場細(xì)分方式共包含三大塊：

家用：功率不超過10kW的私人空間

商用：需要高達(dá)5MW功率的辦公樓和工廠

公用事業(yè)：安裝在野外，功率超過5MW

03

擴(kuò)大太陽能發(fā)電規(guī)模要考慮的因素

太陽能電池板由多個單獨(dú)的光伏電池組成，每個光伏電池都可以產(chǎn)生一位數(shù)的電壓輸出。系統(tǒng)設(shè)計人員將這些電池板串聯(lián)起來后，就可以盡可能提高架構(gòu)的效率，并實(shí)現(xiàn)所需的功率。因此，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模能夠更準(zhǔn)確地對應(yīng)到針對具體應(yīng)用的功率。

下文將重點(diǎn)介紹用于住宅或小型商用裝置的光伏BESS，因為這是消費(fèi)者熟知的常見應(yīng)用。

04

太陽能如何為電池充電

電池儲能的一大便利優(yōu)勢在于它既可以單獨(dú)使用，也可以并入電網(wǎng)，作為備用電源或用電高峰期的支持電源（圖2）。

圖2：根據(jù)需要為本地負(fù)載和電網(wǎng)供電的一套完整太陽能儲能系統(tǒng)所需關(guān)鍵功能的框圖（圖源：英飛凌）

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光伏電池板與蓄電池之間的電氣接口是具有降壓、升壓或降壓/升壓特性的DC/DC轉(zhuǎn)換器。設(shè)計人員選擇的轉(zhuǎn)換器類型取決于對光伏輸出的相對最大電壓與電池陣列的最大電壓之間進(jìn)行比較的結(jié)果。

然而，從太陽能電池板中輸送電源的理想方式是利用充電控制器，如Phoenix Contact AXC F 2152 PLCnext控制器。這款充電控制器可將光伏電池輸出中的最大功率首先傳輸給DC/DC轉(zhuǎn)換器，然后在最大功率點(diǎn)（MPP）時再傳輸給儲能電池，此時電源功率與負(fù)載相匹配。AXC F 2152控制器非常適合用于太陽能應(yīng)用，因為它能在惡劣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)出色的性能。

太陽能電池產(chǎn)生的電流與它所接受到的陽光量成正比，而其開路電壓保持相對恒定。每條曲線拐點(diǎn)處的功率輸出達(dá)到極值，此時電池從恒定電壓器件轉(zhuǎn)換為恒定電流器件，如圖3的功率曲線所示。

圖3：當(dāng)電池從恒定電壓器件轉(zhuǎn)換為恒定電流器件時，太陽能電池板的功率輸出最大（圖源：Analog Devices）

MPP是光伏電池板/太陽能特性和環(huán)境溫度的函數(shù)。當(dāng)陽光強(qiáng)度無法支持充電器的全功率要求時，采用高效設(shè)計的充電器可以將太陽能電池板的輸出電壓調(diào)整至最大功率點(diǎn)。這一功能可在轉(zhuǎn)換過程獲取更多的功率輸出，從而提升能源效率。

因此，如要在使用過程中從光伏電池板獲取盡可能大的功率輸出，工程師應(yīng)監(jiān)測MPP和電池板負(fù)載，從而控制轉(zhuǎn)換器并動態(tài)優(yōu)化功率輸出（圖4）。這種行為稱為最大功率點(diǎn)追蹤或MPPT。

圖4：基本的MPP管理（此處用于鉛酸電池）需要根據(jù)情況調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器，因為電池板看到的負(fù)載取決于電池板的輸出（圖源：ResearchGate）

MPPT需要在充電控制器中設(shè)置策略或算法來確定MPP，再對其進(jìn)行追蹤。工程師可采用兩種方法來追蹤最大功率：恒定電池板電壓法和擾動觀測法。

恒定電池板電壓法

最直接的追蹤方法，就是將電池板電壓設(shè)置為電池數(shù)據(jù)手冊提供的電池開路電壓（VOC）所確定的恒定電壓水平。設(shè)計工程師在剛好低于VOC的某個固定電壓下，估算電池板在最大功率時的電壓（VMP）。為簡化這種方法，設(shè)計團(tuán)隊視VMP時的溫度系數(shù)等于VOC時的溫度系數(shù)，并視其在預(yù)期溫度范圍內(nèi)呈線性。通過這些近似值，可實(shí)現(xiàn)用一個簡單的溫度補(bǔ)償電阻將電池板電壓設(shè)定為VMP。

擾動觀測法（P&O）

恒定電池板電壓法有其不足之處：當(dāng)條件發(fā)生變化時，例如云量不斷變化和光伏元件正常磨損時，該方法就無法繼續(xù)提供很大效率。

另一種能夠適應(yīng)MPPT追蹤條件的更高級方法稱為“擾動觀測法”（P&O）。P&O MPPT評估功率變化與電壓變化的斜率（ΔP/ΔV），該斜率在MPP左邊為正，MPP右邊為負(fù)，局部極大值時為零，該點(diǎn)即表示理想電壓。動態(tài)MPPT算法通過有意在正常值上下輕微“擾動”電池板負(fù)載，然后再觀察輸出中的變化（無論是好的變化還是壞的變化），從而映射MPP中的任何變化。

控制器中嵌入的MPPT算法可在從電池中收集電能并傳輸至輸出的過程中實(shí)現(xiàn)盡可能高的效率，不受輻射、塵污和溫度等環(huán)境條件變化的影響。控制器一旦完成啟動模式，就會開始執(zhí)行MPPT模式，以搜索最大功率點(diǎn)。圖5表示了脈寬調(diào)制（PWM）信號占空比如何變化以找到曲線中的零斜率點(diǎn)。

圖5：MPPT法評估光伏電池板正常工作點(diǎn)周圍的功率變化斜率與電壓變化特性（圖源：SN Applied Sciences）

05

取出電能

將能量輸入到電池僅僅是BESS挑戰(zhàn)的一部分。該系統(tǒng)旨在將蓄入電池的電能傳輸?shù)截?fù)載，通常情況下需要采用120/240VAC線路為設(shè)備和系統(tǒng)供電。

輸出功能需要DC/AC逆變器，該逆變器將電池的直流輸出轉(zhuǎn)換成與線路兼容的交流電。就像電源和電池之間的電子器件一樣，該逆變器并不是“統(tǒng)一規(guī)格”的裝置。工程師必須要考慮逆變器的拓?fù)浜驮O(shè)計，以及諸多設(shè)計挑戰(zhàn)和取舍點(diǎn)。盡管沒有正式的定義，但專家經(jīng)常將逆變器分成三個功率與特性類別：低功率、中功率和高功率。

微型逆變器（低功率）

低功率微型逆變器的額定功率介于50W至400W之間，在每個太陽能電池板中集成有單獨(dú)的逆變器和MPP追蹤器，比串聯(lián)逆變器更高效。需要的直流布線非常少，但需要大量交流布線。因此，這種逆變器僅適合小型系統(tǒng)。

串聯(lián)逆變器（中功率）

串聯(lián)逆變器是一種中功率配置，功率范圍介于1kW至20kW之間。此方法中，太陽能電池板與多個逆變器串聯(lián)，通常每串對應(yīng)一個電池板。該方法具有高效率，因為每組串聯(lián)逆變器都能以極大功率點(diǎn)獨(dú)立工作。

中央逆變器（高功率）

中央逆變器屬于高功率配置，功率達(dá)20kW及以上。這種方法將多組串聯(lián)逆變器并聯(lián)，一組太陽能電池板僅使用一個逆變器。由于各組串聯(lián)逆變器的電壓不同，工程師會添加特殊二極管，將電池板驅(qū)動至極大功率。然而，二極管存在固有損耗，致使效率降低。因此，中央逆變器可能無法讓所有太陽能電池板都達(dá)到極大功率點(diǎn)。

06

結(jié) 語

可再生能源在諸如間歇性電源和電力輸送架構(gòu)等領(lǐng)域為電源控制帶來了新的機(jī)會。通過簡單的控制器將太陽能電池板連接到電池，并將電池用于供電，這樣的做法可能偶爾會奏效，但也會存在性能缺陷、安全問題和效率問題。

相反，在能源-儲能-電池管理路徑上選用適當(dāng)?shù)目刂破骱虳C/DC拓?fù)?，會得到更好的效果。工程師?yīng)優(yōu)化所選的DC/DC逆變器，確保性能效率、一致性、長壽命以及彈性。

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