储能系统解决方案改善能源的应用效率

 随着世界局势动荡以及电力需求的增加，能源已经成为世界各国都需要面对的重要议题，除了积极提高电力的产能之外，如何善用储能系统（ESS）来保存与调节电力需求，便成为目前科技的重要发展方向之一。本文将为您介绍ESS的技术发展，以及由艾睿电子推出的ESS解决方案的功能特性。
 储能系统可改善能源供应结构
 当前世界各国经常传出电力供应吃紧的问题，除了倡导民众节约能源之外，也需要对于当前的能源结构进行调整，并建设新型的电力系统，以便从发电、电网、载荷与存储等各方面，进行一体化的深度协调互动，建设出灵活的能源电力系统新模式。这个需求将催生大量储能应用场景与装配需求，储能将具有不可替代的关键地位，在电力系统应用中扮演更重要的角色。
 储能技术指的是把能量存储起来，以便在需要时使用的技术。储能技术可在供电宽松的期间，将多余的电力存储起来，以便在电力吃紧时，能够有足够电力供电网使用。常见的储能技术主要分成三种，种是通过机械方式来转换电力，例如在水力发电系统中，可使用多余的电力，采用泵将水坝下游的水通过管线将水往上游抽送，来保留水的位能，以便之后可再利用水力来推动机械涡轮进行发电。第二种则是通过热能转换，例如太阳能热水器能够将光能（辐射）存在热水（热能）里。第三种则是通过化学方式，将电力存储在电池的化学能之中，再于需要时放电为各种设备供电。
 电池储能应用碳化硅技术提升效率
 近年来，随着新能源汽车产业的快速发展，也带动了锂电池产业链的成熟，锂电池价格下降较快，锂电池成本以每年20%-30%的速度在降低。这一趋势促进锂电池在储能的应用场景和商业模式在不断拓展，同样也带来电力电子变换器的需求增长。
 电池储能系统的运作方式，通常是在白天时将太阳能板所产生电能存储在电池中，以便在夜间或紧急情况下，将电能从电池中提取出来以供应家庭或工厂使用。
 在储能系统的电力转换过程中，首先必须将电能对电池进行充电，通常是将来自电网的交流电（AC）通过逆变器转换为直流电（DC）为电池充电，随后当需要电力时，再将来自电池的直流电（DC）放电到逆变器，以转换为交流电返回电网。
 随着碳化硅（SiC）技术的成熟，目前的主流逆变器会通过SiC MOSFET，从交流侧将电力交换到直流侧，不过由于MOSFET的双向转换特性，它们也允许从直流侧以同样的方式切换回交流侧，这个转换过程则是由MCU进行控制。

SiC MOSFET能够以更高的开关频率操作，与传统电源转换器相比，尺寸减小约50%，并具有更高的效率，以更简单的数字控制进行双向输出，通过纯正弦波反转输出电压。

模块化的双向储能逆变器参考设计
 针对ESS应用，艾睿电子推出了双向储能逆变器参考设计，能够进行AC/DC双向电源转换，限度的充电功率可达到6.6kW，交流输入电压则可支持180Vac至265Vac 50Hz，直流输出电压则为60Vdc至90Vdc，限度的逆变功率可达6.6kW，逆变额定输入为80Vdc，逆变额定输出则为220Vac 50Hz，转换效率可>93%。
 该参考设计采用模块化设计，包括图腾柱（Totem-Pole）PFC双向电源转换板、CLLC双向电源转换板、AC转12V隔离辅助电源板、12V转12V隔离辅助电源板，以及隔离门极驱动板，可以方便客户依据产品的实际需求，进行各种调整与变化。
 该参考设计采用的组件包括单片机控制采用ST STM32G474VBT6，CLLLC + PFC SiC MOSFET则是使用ST SCTWA60N120G2-4，此外还有隔离式栅极驱动器ST STGAP2SiCS，隔离辅助电源ST A6986I、VIPER329HDTR，以及CAN收发器ST L9616、ESD保护ST HDMIULC6-4SC6Y / ST ESDCAN03-2BWY，还有高精度运算放大器ST TSZ181IYLT，以及电流传感器Allegro ACS772LCB-050B-PFF-T、ACS772LCB-100B-PFF-T、ACS37002LMABTR-050B5-M、ACS72981LLRATR-100B5、ACS37610LLUA-020B5，继电器TE T9VV1K15-12S与谐振电容槽muRata GCM43D7U3A472JX01L，以及电解电容Lelon VZH-471M1ETR-1010、400BXW220MEFR18X50、KEMET F861DP155K310ZLH0J、R463W510050M1K、EDH477M025A9PAA、C4AEOBU4500A11J等。
 双向AC/DC转换拓扑的图腾柱PFC
 艾睿电子针对储能应用推出双向AC/DC转换拓扑的图腾柱PFC，是基于ST高性能MCU STM32G474及ST SiC推出的双向图腾柱PFC及CLLLC两级拓扑储能应用的解决方案，其可以帮助客户了解及学习这两级拓扑的特点、性能和控制，并直观评估各主要器件的性能，从而加快客户开发产品的时间。艾睿电子的ESS方案两级拓扑分为两块板，包括图腾柱PFC和CLLLC，且两块板可以单独工作和级联工作，能够适合不同客户需求，以下将针对图腾柱PFC进行重点介绍。
 在设计研发过程中，图腾柱PFC所使用的组件数量是目前已知的PFC拓扑中少的，同时还具有传导损耗、效率等优点，图腾柱PFC引起了人们越来越多的关注，是目前双向AC/DC转换的优先选择。
 图腾柱PFC解决方案的AC-DC整流模式（充电模式）是用来软件来实现，在PWM时序上，图腾柱PFC功率流动分4个阶段，包含两个高速管，开关频率为133kHz，两个低速管，开关频率为市电频率，低速管可以使用普通MOS管。
 市电过零时的尖峰由软件处理，进行PWM软启动／停止，由于图腾柱高频桥的两管子的PWM互补输出，在市电过零时，两个开关功能将在正半周进入负半周或负半周进入正半周时互换，占空比也随之由原先的0%跳变到100%，或者100%跳变到0%，这种跳变造成过零时的电流尖峰。为了减少过零时的电流尖峰，软件在过零时会对PWM进行软启动／停止处理。
 图腾柱PFC控制器的作用有两个目标，一是稳定PFC的DC输出电压，另一个是控制输入的市电电流。为了减少设备对电网的谐波干扰及减少设备的无功功率提高使用效率，功率因数接近1是为理想。这就要求对输入电流波形和相位进行控制，使输入电流与输入电压相位同步，这将由软件锁相环来实现，控制输入电流波形及稳定DC输出电压，则由软件双闭环来实现。
 在DC-AC逆变模式（放电模式）下，图腾柱PFC反向工作时作为H桥全桥逆变拓扑，可以应用在并网逆变以及离网逆变。其脉宽调制方法常用SPWM，SPWM产生分三种类型，包括单极性SPWM、双极性SPWM，以及单极倍频SPWM。本方案采用的是单极性SPWM，相对双极性SPWM THD会更好，但缺点也是与PFC一样，存在过零尖峰问题，减少尖峰的问题也是采用同样的过零软启动／停止方法。
 放电模式的PWM时序在H桥逆变功率流动分4个阶段，同样有两个高速管，开关频率为133kHz，两个低速管，开关频率为市电频率，低速管可以用普通MOS管。
 逆变控制器则是按应用场景可分离网式逆变器及并网式逆变器，两者在软件控制上存在明显差别，侧重点也不同。并网逆变控制更像是PFC整流器的反向控制，与整流一样需要锁相环实现电压电流相位同步，离网逆变控制更侧重适应不同负载的带载能力，控制对象也有差别，并网逆变器控制并网电流，离网控制输出电压。
 这个图腾柱PFC解决方案的设计要点包括市电过零尖峰处理、相位补偿、THD的改善、控制器参数调整、采样信号处理、轻载控制、CBC限流与离网逆变带载能力，可以解决客户在设计上所面对的各种挑战。
 结语
 ESS已经是当前解决能源问题的重要应用之一，未来将会有更多不同等级、规格的ESS应用在家庭、工业、政府等不同的领域，全面性地提升电网的运作效率，并减少能源的浪费。艾睿电子累积了STM32G474在数字开关电源应用及双向图腾柱PFC的应用经验，可提供图腾柱PFC系统方案的硬件和软件支持，解决技术难点，分享PCB设计和调试技巧，可加快客户开发产品的时间，如有任何相关需求，欢迎与艾睿电子联络。