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2022年，在政策支持和市場需求的雙重刺激下，儲能突然成為最熱門的行業(yè)之一，本質(zhì)上是可再生能源裝機(jī)容量的上升。與能夠主動(dòng)控制發(fā)電的機(jī)組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境的影響，不確定性強(qiáng)，甚至不能與電網(wǎng)兼容。因此，需要支持儲能系統(tǒng)來解決消耗、峰值調(diào)整、頻率調(diào)整、穩(wěn)定電網(wǎng)等問題。

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根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)，2016-2021年，中國的平均棄風(fēng)率和棄光率分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%。除了電網(wǎng)運(yùn)營優(yōu)化和技術(shù)進(jìn)步，儲能的發(fā)展也是不可或缺的。此外，中國科學(xué)院電氣研究所儲能技術(shù)研究小組組長陳永沖近日表示，雖然中國儲能裝機(jī)規(guī)模居世界第一，但儲能與風(fēng)電光伏新能源裝機(jī)規(guī)模的比例（以下簡稱"儲新比"）不到7%；相對而言，其他國家和地區(qū)的平均儲新比已達(dá)15.8%。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的快速增長，我國儲新比仍有很大的增長空間。

在儲能技術(shù)方面，雖然抽水儲能占據(jù)了絕對主導(dǎo)的市場，但這項(xiàng)有數(shù)百年歷史的技術(shù)正在允許使用電池作為緩沖存儲介質(zhì)的電化學(xué)儲能（以下簡稱BESS），后者不受自然條件的限制，具有響應(yīng)快、部署靈活的特點(diǎn)，完全符合可再生能源容量小、布局分散、數(shù)量多的特點(diǎn)，可在家庭、工商、網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)現(xiàn)靈活部署。根據(jù)中國化工物理電力行業(yè)協(xié)會(huì)儲能應(yīng)用分會(huì)發(fā)布的《2022儲能行業(yè)應(yīng)用研究報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，2021年中國新增儲能項(xiàng)目146個(gè)，電化學(xué)儲能項(xiàng)目131個(gè)，其中鋰離子電池儲能項(xiàng)目120個(gè)。與此同時(shí)，除了大型項(xiàng)目，更多以工商、戶用為代表的小微儲能站正在多點(diǎn)開花。

雖然從長遠(yuǎn)來看，BESS發(fā)展是大勢所趨，但現(xiàn)階段成本、安全、使用壽命、環(huán)保等問題仍在一定程度上阻礙了行業(yè)，技術(shù)發(fā)展成為一個(gè)非常重要的因素。BESS簡而言之，直流和交流之間的電力轉(zhuǎn)換、電池充放電和整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的控制過程自然與電力和電子技術(shù)不可分割，以確保儲能系統(tǒng)的安全和效率。所以，一般來說，典型的BESS包括以下部分：PCS（power conversionsystem，負(fù)責(zé)電池直流鏈路與逆變器交流母線(即電池與電網(wǎng))之間的功率轉(zhuǎn)換，BMS(電池管理系統(tǒng))負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的關(guān)鍵信息和EMS(能源管理系統(tǒng))負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的操作和控制。

儲能系統(tǒng)的任何部分都離不開芯片的支持。Taitien代理通過具體的產(chǎn)品和方案，讓大家了解BESS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，以及如何克服挑戰(zhàn)。德州儀器是電力電子的主要供應(yīng)商之一（TI）對電池管理和工業(yè)控制有幾十年的相關(guān)技術(shù)積累，TI也有豐富的產(chǎn)品和系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，可以為整個(gè)產(chǎn)品提供服務(wù)ESS本文選取了系統(tǒng)構(gòu)建完整的信號和能量傳輸鏈路TI幾款有代表性的產(chǎn)品和方案。

雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

在過去沒有配套儲能的時(shí)代，可再生能源的電流往往是單向直接傳輸?shù)诫娋W(wǎng)側(cè)的。在此架構(gòu)下添加儲能系統(tǒng)，顯然雙向系統(tǒng)優(yōu)于兩個(gè)單向系統(tǒng)。因此，儲能側(cè)需要增加雙向DC/DC同時(shí)充放電管理AC/DC側(cè)面也需要改為雙向架構(gòu)，集成PFC（power factor correction，校正功率因數(shù))和逆變器。這種更靈活的雙向結(jié)構(gòu)有助于在電價(jià)便宜或發(fā)電量大的情況下實(shí)現(xiàn)更好的削峰填谷，并在需要時(shí)及時(shí)釋放電能。

一般來說，這種雙向架構(gòu)意味著兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括功率、控制、保護(hù)等，帶來了更高的系統(tǒng)成本、更復(fù)雜的布局布線和更大的體積。

雙向PFC與逆變級

由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的功率器件基本相同，可以將兩者結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效和小尺寸。其中雙向DC/DC功率級是專門為儲能逆變器設(shè)計(jì)的，雙向DC/DC 常見的功率級拓?fù)涫荂LLLC和DAB。對于離網(wǎng)/并網(wǎng)雙向逆變器/PFC 就功率級而言，不需要特殊的拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)，因?yàn)槌Ｓ玫哪孀兤鞴β始墸�如兩級H 橋、HERIC、三電平TNPC、三電平NPC 和三電平ANPC 可實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換。

這些復(fù)雜的拓?fù)浣o電源的轉(zhuǎn)換和控制帶來了許多挑戰(zhàn)。同時(shí)，對于大功率逆變器，可能會(huì)有幾個(gè)并聯(lián)，因此需要與電網(wǎng)同步。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和儲能密度，儲能系統(tǒng)越來越引入寬帶半導(dǎo)體作為其功率設(shè)備，與傳統(tǒng)硅設(shè)備相比，寬帶半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而提高轉(zhuǎn)換效率，降低尺寸，但從驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)到布局布線，EMI、熱管理帶來了挑戰(zhàn)。

效率、體積和成本很重要，但可靠性和安全性總是第一位的。例如，對于并網(wǎng)的雙向逆變器，需要具有檢測和隔離功能。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障（如停電、斷電、過壓等）時(shí)，應(yīng)及時(shí)斷開。

就像上述挑戰(zhàn)一樣，無論什么樣的電源拓?fù)洌�設(shè)計(jì)都不容易。因此，最好的方案是選擇一套優(yōu)化的參考設(shè)計(jì)方案和一站式供應(yīng)商。TI為滿足各種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需要，提供了多種拓?fù)鋮⒖挤桨浮?/p>

TIDA-010210參考設(shè)計(jì)

以TI的基于GaN 的11kW 雙向三相ANPC 參考設(shè)計(jì)TIDA-以010210為例，提供了基于氮化鎵的參考設(shè)計(jì)(GaN) 三電平三相ANPC 逆變器功率級設(shè)計(jì)模板。使用快速開關(guān)功率器件可實(shí)現(xiàn)1000kHz 更高的開關(guān)頻率不僅降低了濾波器磁性元件的尺寸，而且提高了功率級的功率密度。多級拓?fù)湓试S高達(dá)1000V 額定電壓為600V 在其他拓?fù)渲袩o法實(shí)現(xiàn)的功率器件。同時(shí)，較低的開關(guān)電壓應(yīng)力可以降低開關(guān)損耗，使峰值效率達(dá)到98.5%，提高系統(tǒng)的可靠性。

該方案集成TI包括明星產(chǎn)品，包括C2000 32位MCU、集成驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和溫度報(bào)告GaN FET、電源產(chǎn)品，如柵極驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)轉(zhuǎn)換器等，以及數(shù)字隔離器、放大器等信號鏈產(chǎn)品。

低壓開關(guān)設(shè)備可以通過多級拓?fù)涫褂茫�但也意味著需要�?qū)動(dòng)更多的開關(guān)，即使在異常運(yùn)行過程中也需要避免過壓。本參考設(shè)計(jì)TI僅用一顆C2000就在有限的PWM通過集成控制18個(gè)功率元件CLB實(shí)現(xiàn)基于硬件的連鎖保護(hù)，無需外部使用FPGA或CPLD。而且只有軟件控制才能實(shí)現(xiàn)換向功能。

高可靠電池管理系統(tǒng)

類似于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)首先要保證足夠的安全性和可靠性，其次要優(yōu)化效率、體積和成本BMS是保證電池安全最重要的系統(tǒng)。

典型的儲能BMS系統(tǒng)大致可為系統(tǒng)BMU、BDU以及BCU，其中BMU單獨(dú)收集電池信息，BDU管理電池簇，BCU負(fù)責(zé)整體控制和通信。

由于電池管理系統(tǒng)更注重電池充放電管理，需要詳細(xì)收集各種信息，包括電池信息存儲、采集、平衡控制、充放電管理等。因此，它具有高性能AFE實(shí)現(xiàn)高水平BMS關(guān)鍵是要解決客戶在準(zhǔn)確性、魯棒性、安全性和系統(tǒng)成本方面的痛點(diǎn)。

BQ7961x簡化系統(tǒng)框圖

TI的BQ7961x一系列精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成硬件保護(hù)器是滿足儲能客戶需求的產(chǎn)品AFE。首先，在精度方面，可以實(shí)現(xiàn)2mV電壓采樣精度和電流采樣精度小于0.3%，16位ADC16串電池的掃描時(shí)間僅為128μS，并集成數(shù)字濾波，幫助客戶實(shí)現(xiàn)更高精度的電池SoC和SoH從而更好地管理電池。在可靠性方面，TI增強(qiáng)引腳的耐壓性，能承受80度V電壓。由于儲能系統(tǒng)內(nèi)部EMC干擾強(qiáng)，可能進(jìn)入異常狀態(tài)，需要上電重啟。BQ79616內(nèi)部提供硬件復(fù)位，更穩(wěn)定耐用。更重要的是，更重要的是，TI的BQ7961x該系列采用隔離菊花鏈通信，可實(shí)現(xiàn)雙向通信和雙向喚醒。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)通信。在電池簇管理中，還采用菊花鏈連接霍爾傳感器、保險(xiǎn)絲、風(fēng)扇、繼電器等監(jiān)控。

安全方面，BQ7961x-Q1符合ASIL-D車輛規(guī)級安全，能完全滿足儲能系統(tǒng)的安全要求。提供雙重ADC冗余采樣可以監(jiān)測和保護(hù)電壓、電流、溫度和通信狀態(tài)，并具有自我診斷功能，比軟件檢測更準(zhǔn)確、更高效。

TI通過高級集成，降低系統(tǒng)的開發(fā)門檻和成本。BQ7961x系列集成了內(nèi)部平衡MOSFET，最高支持250mA另外，電流可以自動(dòng)平衡電池。BQ7961x該系列提供了豐富的產(chǎn)品類型，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串?dāng)?shù)，從而根據(jù)實(shí)際需要優(yōu)化成本。

迎接儲能市場的新機(jī)遇

在我國新能源和電力系統(tǒng)改革堅(jiān)定不移發(fā)展的背景下，儲能是電力電子產(chǎn)業(yè)崛起的新星。無論是產(chǎn)品、商業(yè)形式還是自身的科技內(nèi)容，都在快速變化和發(fā)展。在未來，甚至每輛車都可以成為一個(gè)移動(dòng)儲能站。在不斷變化的過程中，選擇經(jīng)過大量市場驗(yàn)證、靈活可靠、一站式交付的供應(yīng)商是確保產(chǎn)品開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)的重要保證。

促進(jìn)可再生能源發(fā)展，建設(shè)更環(huán)保的電網(wǎng)TI包括儲能產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的幫助中國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初衷。TI通過廣泛的模擬和嵌入式處理產(chǎn)品、豐富的參考設(shè)計(jì)、強(qiáng)大而全面的本地支持，包括本地研發(fā)、本地銷售和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)以及完全本地化TI.com.cn，為了滿足未來能源創(chuàng)新的需要，幫助儲能行業(yè)實(shí)現(xiàn)高可靠性、高效率、小尺寸、高性價(jià)比。