【導讀】隨著世界轉向更多地使用可再生能源，日常家庭使用的這種能源的存儲和轉換正在發生轉變。在本文中，我們將重點介紹桑迪亞國家實驗室儲能技術和系統部門的高級技術人員Jacob Mueller，就這一轉型中涉及的主要趨勢和挑戰所做的演講，重點介紹電力電子和儲能的作用。
隨著世界轉向更多地使用可再生能源，日常家庭使用的這種能源的存儲和轉換正在發生轉變。在本文中，我們將重點介紹桑迪亞國家實驗室儲能技術和系統部門的高級技術人員Jacob Mueller，就這一轉型中涉及的主要趨勢和挑戰所做的演講，重點介紹電力電子和儲能的作用。
電網儲能
雙向電能存儲系統能夠吸收能量并將其存儲一段時間，然后再以電能的形式發送。它可以有多種形式，如圖1所示。多變的可再生能源像風能和太陽能一樣正在推動電池存儲系統的發展。在發電源頭使用較小電池的分布式方法(稱為DER，即分布式能源)可以使電網更靈活可靠。目前的電池技術主要適用于短時儲能，在幾秒到幾小時的范圍內。泵送水力、壓縮空氣和熱能方法可提供數小時到一天的存儲，但通常會受到自然資源和地形的限制。如圖1所示，沒有針對季節性長期儲能的現成解決方案。
圖1：儲能技術與功率和放電時間的關系(來源：美國能源部，“Potential Benefits of High-Power, High-Capacity Batteries,”，2020年1月)
鋰離子電池儲能系統(BESS)在電池儲能技術中占據主導地位。大規模安裝的例子包括加利福尼亞州埃斯孔迪多(Escondido, California)的AES 120MWh BESS和澳大利亞的Tesla 129MWh系統。圖2顯示了2003年至2020年以及2021年至2023年期間美國大規模電池容量的增加。這顯示了獨立存儲系統和共同運行存儲系統的加速增長。
圖2：美國大規模增加電池儲能(來源：美國能源信息署，“Battery Storage in the United States: An Update on Market Trends,”，2020年12月)
如圖3所示，雖然電池的價格正在顯著下降，但BESS的總成本還包括其他幾個組件，例如電源轉換系統，其中包括一個雙向逆變器、一個提供安全和數據記錄控制的能源管理系統以及容器、配電和HVAC/熱管理等其他組件。
圖3：BESS價格走勢(來源：彭博新能源財經)
電力電子系統
電力電子系統(PES)在電網中提供兩個關鍵功能：
在不同類型之間有效轉換能量，例如，DC到AC
控制電能的流動
圖4：電力電子系統在儲能和配電中的作用
如圖4所示，從能源生產、傳輸到分配都需要PES。
在美國電力辦公室的變壓器彈性和先進部件(TRAC)計劃突出了能源生產和分配各個方面的未來路線圖。其中一個方面涉及固態變電站(SSPS)。變電站內的SSPS電源轉換器可以構建為電力電子構件的模塊化集合。可擴展性是一個關鍵的最終目標。SSPS路線圖(如圖5所示)突出了從SSPS 1.0到SSPS 3.0的功率密度增加趨勢。
圖5：2020 DOE/OE TRAC計劃固態變電站路線圖(來源：美國能源部2020 TRAC報告)
提高工作電壓是提高功率密度的最佳途徑之一。電池單元電壓由的化學成分決定。因此，將幾個電池串聯堆疊形成模塊，然后可以將這些模塊串聯連接來形成一個電池組。然后可以將電池組并聯以增加容量從而創建一個單獨的系統。儲能變流器(PCS)控制該系統并向直流鏈路提供電壓。
傳統的PCS解決方案通常由單級逆變器組成，如圖6所示。
圖6：傳統的單級PCS
在這種情況下，直流鏈路電壓設定了約束條件，因為它需要大于峰值交流電壓并留有一定余量。雖然這種單級PCS很便宜，但它存在缺乏可擴展性的缺點。在串聯的電池單元中，電池電壓和電流會發生變化，并且會隨著老化而變化。最弱的單元可能是一個系統的故障路徑，并且可能成為可靠性瓶頸。因此，這種簡單的單級PCS僅用于600V或更低的電壓。
如圖7所示，多級PCS具有打破直流鏈路電壓約束的優勢。多級PCS的一些優點是：
第一級電壓更高，可以利用更高電壓的SiC器件和多級逆變器拓撲的優勢
提高了的直流電壓穩定性，允許減少直流鏈路電容器并延長使用壽命
圖7：多級PCS
多級方法的一些缺點包括更高的成本，以及增加的功率轉換損耗。
通常在每一段內使用多級逆變器。與傳統的兩級逆變器相比，它們具有多項優勢，包括：
降低諧波失真
更低的開關損耗
較低PWM開關頻率
提高額定功率
能夠將額定電壓較低的設備用于較高電壓的應用
用于提高可靠性的模塊化可以通過多種方式實現。圖8顯示了一個并行PCS。每個并聯支路中的模塊可以是熱插拔的存儲/轉換器模塊，并且每個支路中的電池參數不必完全匹配。這里的可擴展性仍然受到每個DC/DC轉換器級內的電壓增益的限制。
圖8：并行PCS
圖9描繪了一個串聯連接的PCS。這具有產生更高直流鏈路電壓的優勢，能夠減少電纜的傳導損耗。這種架構對于DC/DC轉換器中即使是微小的增益也更寬容。
圖9：級聯的串聯PCS
結論
基于SiC的電力電子技術正在幫助徹底的改變存儲和電網分配系統，使分布式可再生能源發電的使用更加實用。關鍵的瓶頸仍然存在，特別是在長期儲能、大容量鋰離子電池的制造以及進入PCS階段的磁性元件等無源元件方面。
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