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儲(chǔ)能系統(tǒng)

太陽(yáng)能技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，其發(fā)電量年年都有增長(zhǎng)。然而，如何才能讓電能從源頭轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）中，然后再輸送至負(fù)載？這個(gè)過程就是電力輸送。就概念而言，這一過程十分簡(jiǎn)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(shí)會(huì)發(fā)生難以預(yù)測(cè)的變化，系統(tǒng)功率水平也并非一成不變。

可利用的太陽(yáng)能是十分珍貴的。僅僅將能量?jī)?chǔ)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(chǔ)能子系統(tǒng)。本文將對(duì)電力輸送進(jìn)行概述，并提出一些流行的ESS方法。

01

儲(chǔ)能系統(tǒng)

ESS包含三大主要組成部分（圖1）：

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

儲(chǔ)能裝置及其管理

儲(chǔ)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(yáng)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(xiàng)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(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

由于電動(dòng)汽車（EV）對(duì)先進(jìn)化學(xué)電池需求的急速增長(zhǎng)，電池正成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的出色解決方案。能源與負(fù)載之間的儲(chǔ)能電池及其管理系統(tǒng)必須對(duì)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(dòng)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(yáng)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(chǎng)。

就太陽(yáng)能而言，一種常用的市場(chǎng)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(yáng)能發(fā)電規(guī)模要考慮的因素

太陽(yáng)能電池板由多個(gè)單獨(dú)的光伏電池組成，每個(gè)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(jì)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模能夠更準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)到針對(duì)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?yàn)檫@是消費(fèi)者熟知的常見應(yīng)用。

04

太陽(yáng)能如何為電池充電

電池儲(chǔ)能的一大便利優(yōu)勢(shì)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(yáng)能儲(chǔ)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(jì)人員選擇的轉(zhuǎn)換器類型取決于對(duì)光伏輸出的相對(duì)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(yáng)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(shí)再傳輸給儲(chǔ)能電池，此時(shí)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(yáng)能應(yīng)用，因?yàn)樗茉趷毫拥沫h(huán)境中實(shí)現(xiàn)出色的性能。

太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流與它所接受到的陽(yáng)光量成正比，而其開路電壓保持相對(duì)恒定。每條曲線拐點(diǎn)處的功率輸出達(dá)到極值，此時(shí)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(shí)，太陽(yáng)能電池板的功率輸出最大（圖源：Analog Devices）

MPP是光伏電池板/太陽(yáng)能特性和環(huán)境溫度的函數(shù)。當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)度無(wú)法支持充電器的全功率要求時(shí)，采用高效設(shè)計(jì)的充電器可以將太陽(yáng)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(cè)MPP和電池板負(fù)載，從而控制轉(zhuǎn)換器并動(dòng)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?yàn)殡姵匕蹇吹降呢?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(duì)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(dòng)觀測(cè)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?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)提供的電池開路電壓（VOC）所確定的恒定電壓水平。設(shè)計(jì)工程師在剛好低于VOC的某個(gè)固定電壓下，估算電池板在最大功率時(shí)的電壓（VMP）。為簡(jiǎn)化這種方法，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)視VMP時(shí)的溫度系數(shù)等于VOC時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的溫度補(bǔ)償電阻將電池板電壓設(shè)定為VMP。

擾動(dòng)觀測(cè)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(shí)，例如云量不斷變化和光伏元件正常磨損時(shí)，該方法就無(wú)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(jí)方法稱為“擾動(dòng)觀測(cè)法”（P&O）。P&O MPPT評(píng)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(shí)為零，該點(diǎn)即表示理想電壓。動(dòng)態(tài)MPPT算法通過有意在正常值上下輕微“擾動(dòng)”電池板負(fù)載，然后再觀察輸出中的變化（無(wú)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(dòng)模式，就會(huì)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(hào)占空比如何變化以找到曲線中的零斜率點(diǎn)。

圖5：MPPT法評(píng)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(jì)，以及諸多設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)太陽(yáng)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(yáng)能電池板與多個(gè)逆變器串聯(lián)，通常每串對(duì)應(yīng)一個(gè)電池板。該方法具有高效率，因?yàn)槊拷M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(yáng)能電池板僅使用一個(gè)逆變器。由于各組串聯(lián)逆變器的電壓不同，工程師會(huì)添加特殊二極管，將電池板驅(qū)動(dòng)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(wú)法讓所有太陽(yáng)能電池板都達(dá)到極大功率點(diǎn)。

06

結(jié) 語(yǔ)

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?yàn)殡娫纯刂茙砹诵碌臋C(jī)會(huì)。通過簡(jiǎn)單的控制器將太陽(yáng)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(huì)奏效，但也會(huì)存在性能缺陷、安全問題和效率問題。

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

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