1.前言

在光伏(PV)設施數量持續增長的同時，太陽能電網供需雙方之間的不平衡已成為主要制約因素。白天可以獲得充足的太陽能，但需求量不高。這意味著用戶將在使用高峰時段的早晚每瓦支付更高的價格。

住宅、商業和公共事業中太陽能設備的儲能系統 (ESS) 在白天需求最低時使用逆變器存儲電力或電網，並在需求高時進行存儲，釋放已產生的能量。將 ESS 添加到太陽能併網系統允許用戶節省使用稱為“調峰”技術的費用。

2.雙向電源轉換

傳統光伏設備由單向 DC/AC 和 DC/DC 功率級組成，但單向轉換方法是納入 ESS 的主要障礙。需要更多的組件、模組和子系統，所有這些都顯著增加了向現有太陽能裝置添加 ESS 的成本。

要將蓄電池添加到現有光伏設備中，必須將電池充電和放電的兩條路徑合併為一條由功率因數校正 (PFC) 和逆變器功率級組成的路徑。... 但是如何構建一個雙向電源轉換器來代替兩個單向電源轉換器呢?

圖1.雙向PFC和逆變器級框圖

混合逆變器可有效提高轉換級的效率，但這種效率提高對於執行多次功率轉換的配備 ESS 的微電網更為重要。電源轉換器系統管理 DC/DC 轉換以對電池進行充電和放電。它還管理 DC/AC 和 AC/DC 轉換，將存儲在電池中的直流電轉換為交流電，以便流入和流出電網。

3.高壓電池

在帶有蓄電池的微電網系統中，蓄電池的主要功能是存儲光伏能量並按需為電網供電。鋰離子電池組的單位存儲容量明顯高於鉛酸電池。

在 400V 電池組在電動汽車 (EV) 領域越來越受歡迎的同時，太陽能電網設備也正在將電池組電壓從 48V 提高。但是如何管理 400V 電池組的電源轉換?

除了具有系統控制和通信功能的微型電腦將ESS納入更大的系統之外，低損耗和高效的電源開關也提高了儲能系統的安全性和可靠性。基於碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料的緊湊型電源開關和即時微型電腦允許修改雙向轉換器以適應各種直流儲能單元。見圖 2。

圖2.電池充電和放電應用的平滑雙向操作

4.雙有源橋式DC/DC轉換器設計

SiC 和 GaN 等寬頻隙半導體在解決電源轉換系統方面發揮著重要作用，這些系統可以處理隨著轉換器增加功率密度和降低開關損耗而不斷上升的電池電壓範圍。... 電源轉換系統還允許電池組更好地管理分佈式發電系統的功率波動，從而在更高和更寬的電壓下實現智能和彈性的電網運行。

最終，太陽能設備可能會模仿電動汽車中使用的電池組。回收目前用於電動汽車的電池組作為併網 ESS 的想法正在變得普遍。

5.效率和自然對流所需的寬頻隙材料

為了構建智能壁掛式存儲系統，有必要設計一種使用最小自然對流冷卻優化散熱的逆變器。分佈式電源架構 允許熱量集中分佈在整個系統中。這種架構確保所需的儲能逆變器可以處理不同電壓下的高電流水準，並可靠地回應快速變化的負載瞬變。

此類系統需要支持 100kHz 至 400kHz 開關頻率下的高速開關並提供保護的柵極驅動器。如果切換速度不夠快，您會發現電源轉換階段的效率明顯低下。

這就是具有快速開關和高功率密度的寬頻隙材料(例如 SiC 和 GaN)發揮作用的地方。這些半導體器件促進了不需要風扇冷卻的系統設計。具有內置驅動器和保護功能的 LMG3425R030 GaN 器件具有緊湊的外形、高功率密度和快速開關功能。

該柵極驅動器將控制器的數字 PWM 信號轉換為 SiC 或 GaN 場效應電晶體 (FET) 所需的電流。基於 PWM 的控制器允許在多個電源轉換級中對電壓和電流進行精確採樣。

圖3.具有數字控制的GaN CCM圖騰柱參考設計，使用C2000即時微控制器和具有內置柵極驅動器和保護功能的快速開關GaN器件。

6.電流和電壓檢測

高頻開關的電源設計面臨著精確電流和電壓感測的挑戰。帶有分流器的電流測量不僅提高了精度，而且加快了反應時間，讓您在電網發生任何變化時迅速做出反應，因此您可以在電網發生短路或斷開連接時關閉系統連接。增加。

電流測量對於以逆變器為中心的設計至關重要，因為控制演算法需要電流感測來進行控制。有些設計解決方案可用於使用與外部分流器隔離的放大器/調製器和電源進行隔離電流測量。

電源轉換器需要測量電網中的電流，以查看電流是否與電壓同相。通過測量電流和電壓，除了控制電池的充電電流外，還控制逆變器的運行和超載保護功能。

7.總結

在AC/DC和DC/DC之間進行雙向功率轉換的混合逆變器有望在未來幾年取代傳統的太陽能逆變器。太陽能逆變器設計人員將能夠通過使用混合逆變器實現具有廣泛輸出功率和電壓範圍的功率轉換。

提高電池電壓和擴大電壓範圍是相容儲能的太陽能逆變器的重要問題。有了內置柵極驅動器和保護的微電腦控制和寬頻隙半導體等基本組件，除了需要高效率和自然對流外，這些更高和更寬的電池電壓可以得到支持。