一文搞懂住宅和商业电池储能系统架构实现

目前有四种类型的储能系统—— 电化学储能 、 化学储能 、 热储能 和 机械储能 。抽水蓄能水电 (PSH) 仍然是发展最成熟的机械储能系统，覆盖了全球 90% 以上的电网规模储能容量。但是，此类巨型设施的安装对地理方面的要求非常高。

根据 MarketsandMarkets 的市场研究，全球电池储能系统市场规模预计将从2022年的44亿美元增长到2027的151亿美元，复合年增长率为 27.9%。锂离子电池占据了该市场约 86% 的份额。

全球可再生能源装机容量

锂离子电池作为电化学储能系统中最为人所知的一种类型，具有高功率/高能量密度、高往返效率，而且占地面积小、扩展灵活。锂离子电池是一项相对成熟的技术，经过三十多年的商业发展，已成为一种可靠且低成本的解决方案。可以说，锂离子电池成本的持续下降正在有力加速储能的发展。

带有蓄电池的并网/离网太阳能逆变器系统为住宅和商业用途带来了诸多好处。

能源套利

构建 BESS 的四个要素：

PCS 是储能系统的重要组成部分，控制双向功率转换。与其他大功率能源基础设施应用有着相似的趋势，为了匹配电力需求的高增长率，无论是住宅还是商业类型，总是期望更高的功率。同时，更小的尺寸可以显著降低运输和安装过程中的成本。此外，像碳化硅这样的宽禁带半导体元件的大规模生产可以将系统效率和热性能提升到一个新的水平。 储能系统目 前分为两种方式 ， 交流耦合或直流耦合和功率级。

交流耦合和直流耦合

交流耦合储能系统是一个独立的系统，可以添加到现有的太阳能/能源发电系统中。这是一个简单的升级，但是，它将涉及额外的电源转换步骤以对电池进行充电/放电，这意味着更多的功率损耗。直流耦合系统，或者我们可以称之为混合(太阳能)逆变器，只需要一步功率转换，但必须在一开始就进行设计。

住宅交流耦合ESS（灰块）

住宅直流耦合ESS（灰块）

住宅电池储能系统

住宅变流器要么添加到现有的太阳能逆变器系统中，要么与太阳能逆变器一起设计为混合逆变器。储存的能量可用于为备用电池充电或为电动汽车和家电充电以节省成本。

双向 DC-DC 转换器连接在电池组和直流链路之间。在安全和用例方面，单相系统的母线电压通常小于 600V，而充放电功率不会超过 10kW。降压-升压是最常见的双向 DC-DC配置，具有组件少和易于控制等优点。使用两个具有良好IF值的并联二极管的650VIGBT/MOSFET 足以满足此双向系统的需求。

双向DC-DC的降压-升压配置

FGH4L75T65MQDC50是新发布的 650V FS4 IGBT，集成了 SC 二极管，可为高效应用提供出色性能，且导通损耗和开关损耗低。

在考虑电池安全时，隔离也是另一个需要考虑的方面。双有源桥转换器(DAB)或 CLLC 已成为 EV 和 ESS 领域隔离双向 DC-DC 转换器的通用解决方案。采用级联前端降压-升压电路，可在电池电压变化的情况下实现宽范用的电乐输入/输出，同时降低无功功率环流，扩大软开关区。

双有源桥式DC-DC转换器

三相电源通常被视为商业用例中常用的供电方式，但如今，这种技术已变得更加可靠可以用于对电力需求较高的家庭。为了应对高达 15kW 的功率，以及可能接近 1000V 的直流链路电压，开关应该能够承受更高的工作电压和电流。

将650V开关换成 1200V 的系列很容易解决这个问题，也可以考虑三电平对称降压升压。这种三电平配置提供更小的开关损耗，因为只有一半的输出电压施加到开关和二极管，这种特性有助于减小电感器和实现更好的 EMI 性能。然而，组件数量增加一倍将不可避免地增加物料清单的复杂性、控制难度和总成本。

对称降压-升压转换器

商用电池储能系统

商用储能系统的输入/输出功率范围从 100 kW 到 2MW，这样的巨型系统通常由几十 kW 到 100 多 kW 的三相子系统组成。

其中一项重要规格是最大直流电压，这取决于现有太阳能系统的母线电压或电池电压。商用太阳能逆变器常见的直流母线电压为 1100V 和 1500V，有时用于公用事业规模的系统。这类应用的一个明显趋势是增加直流母线电压,这有助于降低给定功率的互连电缆成本，因为电流较低。

交流耦合系统在储能项目中更为常见，因为它可以添加到已经构建的系统中。此外，集中式储能单元更易于管理和放置。相比之下，直流耦合系统需要更大的空间和更多的成本来处理分布式电池组。

三电平 I-NPC 是大功率工业应用特别是逆变器中常见的拓扑结构之一，它有 4 个开关、4 个反向二极管和 2个钳位二极管，击穿电压低于实际直流母线电压，例如 650 V 开关在 1100 V 系统中就足够了。

三相I-NPC

两电平与三电平开关原理

使用三电平拓扑结构有三个优点。首先，开关损耗更低。通常，开关损耗与施加到开关和二极管的电压的二次方成正比。在三电平拓扑结构中，只有一半的总输出电压被施加到一些开关或一些二 极管。其次，升压电感器中的电流纹波变小。对于相同的电感值，施加到电感器的峰峰值电压也是三电平拓扑结构中总输出电压的一半。这使得电流纹波更小，更容易使用更小的电感器进行滤波，从而实现更紧凑的电感器设计并降低成本。最后，EMI 降低，而传导 EMI 主要与电流纹波有关。正如刚刚提到的，三电平拓扑结构减少了电流纹波，使滤波更容易并产生更低的传导 EMI。同时，在电磁辐射方面也有好处。

作为升级版，A-NPC系统提供了更高的性能，因为两个钳位二极管被两个有源开关所取代，在损耗方面具有明显的优势。但是驱动器配对和延迟匹配很关键，可以看作是一个缺点。

三相A-NPC