太阳能电网增加储能的注意事项:WBG材料如何在高压功率转换中起关键作用

   幽梦化蝶        

虽然光伏太阳能装置不断增加,但太阳能电网供需双方的不平衡已成为一大限制。太阳能在需求不高的中午时分供应充足,这意味着消费者在早晚使用高峰期要支付更高的每瓦成本。用于住宅、商业和公用事业太阳能装置的储能系统(ESS)使逆变器能够存储白天收集的能量,或在需求最低时从电网提取电力,在需求高时提供这些存储的能量。通过在太阳能并网系统中加入ESS,用户可以通过一种被称为 "削峰 "的做法来降低成本。


太阳能电网增加储能的注意事项:WBG材料如何在高压功率转换中起关键作用


在本文中,小编将探讨并网、储能一体化太阳能安装系统的设计考虑因素。


双向功率转换


传统的太阳能装置由单向的直流-交流和直流-直流功率级组成,但单向的方法是集成ESS的主要障碍。它需要更多的组件、模块和子系统,所有这些都大大增加了在现有太阳能装置中集成ESS的成本。


将储能系统添加到现有的太阳能装置中,需要将蓄电池的两个充电和放电路径组合成一个单一的路径,包括功率因数校正(PFC)和逆变器功率级。但如何构建双向功率转换器来取代两个单向功率转换器呢?


图1所示的先进双向功率拓扑结构可以实现电网、光伏阵列和电池管理系统之间安全、高效的功率传输。微控制器(MCU),如C2000实时MCU,在这种电源拓扑结构中很受欢迎。这些控制器可以分别控制一个或多个功率级,从而为支持ESS的太阳能逆变器实现数字控制、双向功率转换架构。支持MCU的控制有利于为处理直流-交流和直流-直流转换的功率开关提供更复杂的脉宽调制(PWM)方案。


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1. 所示为双向PFC和逆变级的框图。


混合型逆变器有助于转换级实现更高的效率,这在ESS集成的微电网中变得更加重要,因为有多个功率转换发生。功率转换器系统可以处理直流操作,对电池进行充电和放电,也可以处理直流-交流和交流-直流操作,将储存在电池中的直流电转换为交流电,再送入电网。


高电压电池


在储能一体化的微电网系统中,电池的主要功能是存储光伏能量,并在得到提示时向电网注入电力。锂离子电池组比铅酸电池具有更高的单位充电存储能力。


随着400V电池组在电动汽车(EV)领域的普及,太阳能并网装置中的电池电压也在不断提高,超过48V电池组。但如何管理400V电池组的功率转换?


除了提供系统控制和通信的MCU帮助ESS集成到更大的系统中,低损耗和高效率的电源开关也使储能系统安全可靠。基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料的紧凑型电源开关,以及实时控制MCU,有助于确保双向转换器的适应性,使其能够与各种直流储能单元一起工作(图2)。


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2. 双有源桥式直流转换器的设计有利于双向操作,以支持电池的充电和放电应用。


鉴于转换器具有更高的功率密度和更低的开关损耗,SiC和GaN等宽带隙(WBG)半导体将在解决功率转换系统中发挥重要作用,这些系统可以处理更高的电池电压范围。功率转换系统还能帮助电池组更好地管理分布式发电系统中的功率波动,并使电网运行在更高、更宽的电压范围内具有智能和弹性。


最终,太阳能装置可能会模仿电动汽车中使用的电池组。越来越多的人认为,目前用于电动车的电池组将被回收利用,作为并网ESS的第二次生命。


用于提高效率和自然对流的WBG材料


为了创建一个时尚的壁挂式存储系统,你必须确保逆变器设计是热优化的,自然对流冷却最小。分布式电源架构可以将热量的集中分散到整个系统中。这样的架构还可以使储能逆变器需要支持不同电压下的高电流水平,并对快速变化的负载提供可靠的瞬态响应。


这样的系统将需要能够支持快速开关的栅极驱动器,并在100至400 kHz的开关频率下提供保护。如果开关速度不够快,功率转换级就会遭受巨大的效率损失。


这就是SiC和GaN等WBG材料发挥作用的地方,它们能提供更快的开关和更高的功率密度。这些半导体器件有利于设计不需要基于风扇冷却的系统。LMG3425R030是一款集成了驱动器和保护功能的GaN器件,具有紧凑的外形尺寸、更高的功率密度和更快的开关能力。


栅极驱动器将来自控制器的数字PWM信号转换为SiC或GaN场效应晶体管所需的电流。基于PWM的控制器可确保在多个功率对话阶段对电压和电流进行精确采样。


使用C2000 MCU的双向高密度GaN CCM图腾柱PFC参考设计包括一个双向图腾柱无桥PFC功率级,该功率级采用了C2000实时MCU和集成了驱动器和保护功能的LMG3410R070 GaN FET(图3)。3-kW的双向设计支持相位脱落和自适应死区时间以提高效率,并支持非线性电压环路以降低PFC模式下瞬态期间的电压尖峰。


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3. 氮化镓CCM图腾极参考设计采用数字控制,使用C2000实时MCU和具有集成门驱动器和保护功能的快速开关GaN器件。


电流和电压感应


高频的电源设计开关包括精确的电流和电压感应的挑战。基于分流的电流测量不仅更精确,而且还提供了更快的响应时间,可以对电网的任何变化做出快速反应,在发生短路或电网连接损失时关闭系统。


电流测量是以逆变器为中心的设计的固有部分,因为控制算法需要电流传感来达到控制目的。使用外部分流器和隔离式放大器或调制器和电源进行隔离式电流测量的设计方案是可用的。例如,三电平、三相SiC AC-DC转换器参考设计采用AMC1306隔离调制器进行负载电流监测。AMC3306是新一代的隔离式调制器,集成了直流-直流转换器,可实现单电源操作。


对于任何需要在使用较高电压的逆变器驱动应用中跨各种电压域传输数据的数字信号,可以使用隔离器件来克服电压限制。数字隔离器,如ISO7741,可以使高频信号跨越功率边界,同时保护低压数字电路免受高压域的影响。


电源转换器必须测量电网电流,以确保电流与电压同相。电流和电压测量还可以控制电池充电电流以及逆变器的运行和过载保护。


结论


混合型逆变器提供双向交流和直流电能转换,很可能在几年内取代传统的太阳能逆变器。混合型逆变器使太阳能逆变器设计者能够实现多种输出功率和电压的功率转换。对于具有存储能力的太阳能逆变器来说,更高和更宽的电池电压范围很重要。除了对高效率和自然对流的需求外,基于MCU的控制和WBG半导体等基本构件与集成的栅极驱动器和保护功能可以适应这些更高更宽的电池电压范围。C2000实时MCU和LMG3425R030 GaN器件能够处理储能型太阳能电网中的双向能量传输。同样,基于分流的电流和电压传感可以确保高电压电池和快速开关电源转换器安全、可靠地工作。

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