使用電源模塊更快地響應不斷變化的能源需求

2021-04-12

明天的電源肯定將全部用于更智能，響應速度更快的電網(wǎng)。實(shí)際上，如今，更好的能源管理已成為重中之重。傳統的燃煤和核電廠(chǎng)的電力輸出很難在短時(shí)間內進(jìn)行調整，因此當需求下降時(shí)，它們最終會(huì )傾銷(xiāo)過(guò)多的能源。

更重要的是，過(guò)度設計的輸配電線(xiàn)路比處理短暫的尖峰需求所需的線(xiàn)路更大。而且，如果沒(méi)有存儲風(fēng)能和太陽(yáng)能的手段，浪費了無(wú)法立即使用的能源。

遙遠的能源危機的解毒劑是多種療法的組合，這些療法可以充分利用所有可用的技術(shù)，尤其是：

更高效，更清潔的化石燃料能源

同時(shí)利用可再生燃料和化石燃料的混合動(dòng)力系統

不斷發(fā)展的傳統基礎設施，并為簡(jiǎn)化的傳輸和分配系統讓路

更好的使用時(shí)間管理和技術(shù)可以使能源供需規模保持平衡。

但是，所有這些進(jìn)步的成功取決于一個(gè)關(guān)鍵因素，即能量存儲。電池供電的設備存儲多余能量以備不時(shí)之需的能力將必須擴大到發(fā)電廠(chǎng)和巨大電網(wǎng)的規模。這些儲能系統（ESS）可以減少當今浪費的能源量，完全可以立即提高到峰值功率，并將超大型輸電線(xiàn)路交由歷史垃圾箱處理。

ESS還將縮小可再生能源生產(chǎn)和部署之間的差距。具有諷刺意味的是，風(fēng)能和太陽(yáng)能的顯著(zhù)增長(cháng)是，可再生能源的產(chǎn)生越多，被限制的頻率就越多，這主要是由于輸電阻塞造成的。儲存多余的能量可以緩解交通擁堵，減少功率消耗，并確保所有這些綠色能源得到充分利用。另外，還可以在電網(wǎng)附近，發(fā)電廠(chǎng)附近以及使用能源的公司和小型社區附近的許多地方設置ESS。因此，可以快速而逐步地推出存儲功能，從而大大降低了成本并加快了ROI。兩者都是大力推動(dòng)部署儲能系統的強大動(dòng)力，一旦推出勢頭強勁，就可以輕松實(shí)現智能的分布式電網(wǎng)。

從小型電池到大型抽水系統，儲能解決方案有多種形式。本文將重點(diǎn)縮小到電能存儲，更具體地說(shuō)，將重點(diǎn)放在電力電子子系統上，出于當前目的，該子系統應簡(jiǎn)稱(chēng)為系統。機械，液壓和化學(xué)存儲系統的不同功率范圍和技術(shù)使它們超出了本文的范圍。盡管應用程序級控制單元，計量和云集成單元顯然很重要，但它們也超出了本文的范圍。

按功率級別分解儲能系統

儲能系統分為三大類(lèi)，即公用事業(yè)/電網(wǎng)，工業(yè)和住宅，這取決于它們需要處理的電量。電池正成為存儲能量的首選，未來(lái)屬于鋰離子技術(shù)。從千瓦時(shí)的住宅系統到公用事業(yè)/電網(wǎng)系統的數兆瓦時(shí)，一切皆有可能。

公用事業(yè)/電網(wǎng)（> MWh）

儲能系統非常適合并網(wǎng)和離網(wǎng)的可再生能源發(fā)電廠(chǎng)。例如，具有集成式能量存儲的大型太陽(yáng)能/風(fēng)電場(chǎng)可以從能源套利，位置容量和基礎設施升級延遲中獲得收益。這些術(shù)語(yǔ)聽(tīng)起來(lái)可能很奇怪，但是概念很簡(jiǎn)單：

能源套利涉及將晚上廉價(jià)生產(chǎn)的多余電力存儲起來(lái)，以備日后需求高峰時(shí)使用。使工廠(chǎng)恢復到最高產(chǎn)能運行是骯臟的，低效的業(yè)務(wù)，因此套利可降低成本和排放。

簡(jiǎn)而言之，位置容量意味著(zhù)利用長(cháng)期存儲功能在最需要現場(chǎng)負載中心的本地供電。這樣可以保持所供應能量的頻率恒定，并且使發(fā)電更清潔，更具成本效益并且更易于部署。

基礎設施升級延遲是一種奇特的說(shuō)法，即能源存儲可減少高峰負荷并緩解交通擁堵，節省公用事業(yè)，并為消費者帶來(lái)昂貴的輸配電網(wǎng)絡(luò )升級費用。 

能量存儲需要電力電子系統，其中包括大功率AC / DC和DC / DC轉換器?？傮w而言，電源模塊拓撲包括三電平逆變器，基于大電流半橋的逆變器和大功率電池充電器。給定的電池配置確定需要哪種類(lèi)型的升壓和逆變器拓撲。 

工業(yè)/商業(yè)和中型社區（10kWh-1MWh）：

商業(yè)和高科技工業(yè)設施運行著(zhù)需要高質(zhì)量動(dòng)力的復雜機械。ESS最擅長(cháng)以穩定的頻率可靠地供電，即使在峰值負載下也是如此。他們可以提供足夠的備用電源來(lái)解決臨時(shí)停機的問(wèn)題。而且它們提供了一個(gè)中心積累點(diǎn)，以便可再生能源的生產(chǎn)可以與高質(zhì)量的發(fā)電相協(xié)調。甚至可以連續供電數周的自給自足的微電網(wǎng)也是可行的選擇。并網(wǎng)和離網(wǎng)系統中最具成本效益的解決方案的大小將根據需求低時(shí)存儲的能量量以及一天中的高峰時(shí)段消耗的能量量來(lái)確定。

此功率范圍內的能量存儲需要電力電子系統，該系統包括中高功率AC / DC和DC / DC轉換器?？傮w而言，電源模塊拓撲包括單相和多相PFC，基于大電流半橋的逆變器以及大功率充電器。 

住宅（1-10kWh）：

住宅ESS是真正的節能器，可用于將光伏系統主要連接到電網(wǎng)。在家中儲存太陽(yáng)能可以大幅度降低消費者的電費，因此住宅ESS肯定會(huì )受到青睞。它們還是停電期間的可靠應急電源。

住宅存儲需要以下電力電子系統：

緊湊型中功率DC / DC和DC / AC太陽(yáng)能轉換器（例如三相升壓器和三電平，三相逆變器）

低功率單相太陽(yáng)能逆變器（單相H橋）

雙向DC / DC和AC / DC電池充電器可為PV系統和電網(wǎng)中的電池充電，并將能量回饋至房屋和電網(wǎng)（半橋和H橋為基本構件，再加上用于電池管理的升壓器）

緊湊，高效的雙向DC / AC轉換器，可將家庭儲能系統連接到電網(wǎng)

盡管正在針對具有不同目的拓撲的轉換器進(jìn)行各種設計，但它們都旨在達到相同的目標：最大的效率，可靠性，成本和魯棒性。

在這三個(gè)類(lèi)別相交的應用中，可以使用相同的構建基塊和模塊化設計方法輕松覆蓋這一共同點(diǎn)。通過(guò)擴大和擴大這些基本組成部分，可以實(shí)現巨大的收益。甚至可以在每個(gè)模塊的設計中重新使用這種模塊化方法，而同類(lèi)最佳的解決方案無(wú)疑是一種以電源模塊為中心的電子設計?？芍赜玫膬群丝梢约涌焖衅渌^(guò)程的速度，并提高整個(gè)系統的效率和可靠性。

Vincotech的作案手法大致相同。該公司開(kāi)發(fā)標準產(chǎn)品并快速定制解決方案，以覆蓋所有ESS類(lèi)別的拓撲，額定功率，外殼技術(shù)和性能要求。

市場(chǎng)潛力

儲能解決方案的需求強勁，并且在世界范圍內興起。光伏逆變器市場(chǎng)可能會(huì )起伏不定，但是許多參與者都在爭先恐后地將儲能系統與他們的光伏系統集成在一起。ESS的最大市場(chǎng)是北美，中國，日本和歐洲，預計存儲技術(shù)的年銷(xiāo)售額將從2015年的60億歐元快速增長(cháng)到2030年的260億歐元。

ESS電源模塊

所有標準和特定于客戶(hù)的拓撲都可以集成到任何Vincotech機殼中，低功率解決方案通常采用小巧緊湊的flow 0和flow 1機殼，而大功率系統隨附于flowSCREW機殼中，旨在實(shí)現高功率密度。

SMPS和充電器應用中使用了半橋和H橋等標準拓撲。它們構成了經(jīng)典逆變器的基本構建塊。典型應用需要額定電流> 100 A的1200 V模塊?，F成的flowPHASE和flowPACK模塊已滿(mǎn)足這些應用要求，并且還在準備中。

就集成度和性能而言，具有NPC和MNPC拓撲（flowNPC，flowMNPC）的四象限，三電平逆變器是最新技術(shù)?，F已提供一系列具有各種額定電流的650 V，1200 V和2400 V模塊。

功率因數校正電源模塊（flowPFC）可以集成到多級轉換器中，并與電池管理模塊一起使用，甚至在存儲系統（通常是電池）向電網(wǎng)供電時(shí)也可以雙向使用。

電池管理應用中使用的升壓模塊（flowBOOST）將高轉換效率，快速切換以及緊湊的模塊化設計納入了性能方程式。

新的flowRPI 1系列是設計緊湊，快速，高效的能量存儲系統（低于10 kW）的首選解決方案。新的flowRPI 1系列專(zhuān)為焊接，充電器和SMPS應用而設計，結合了整流器，高效，低壓降二極管，具有超快650V IGBT和二極管的兩腳PFC，集成濾波電容器和用于通過(guò)外部電流感測的二極管變壓器，以及具有H橋開(kāi)路發(fā)射極拓撲結構和可選電容器的逆變器。所有這些都在一個(gè)模塊中，使工程師能夠節省設計時(shí)間和成本。特殊版本帶有PFC，該PFC具有額定電流更高的IGBT，適用于更寬的輸入電壓范圍。額定用于Vin = 110 – 220 VAC的應用。

新的flowRPI 1系列的增強版面使EMC更加友好。借助板上最新的IGBT芯片技術(shù)，該模塊以超低的導通和開(kāi)關(guān)損耗提供了超快的開(kāi)關(guān)速度。鑒于在單個(gè)模塊中可以選擇三個(gè)功率級，工程師將發(fā)現設計高度緊湊的PCB非常容易。在相同的流1外殼中具有相同的引腳輸出，可以提供各種額定功率，因此可以在不影響PCB設計的情況下擴大應用范圍。該最新一代模塊以各種步驟覆蓋了從1.5 kW到7 kW的應用功率范圍。

使用電源模塊的好處

市場(chǎng)發(fā)展迅速，參與者敏捷，因此必須迅速加大新開(kāi)發(fā)工作，以在巨大的上市時(shí)間壓力下提供最先進(jìn)的技術(shù)。

在可靠性和使用壽命方面，電源模塊優(yōu)于分立組件。最重要的是，它們簡(jiǎn)化并加快了設計工作，縮短了上市時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本，并提高了電源集成，性能和可靠性。

客戶(hù)可以設計以電源塊為中心的非常緊湊的應用，并享受高效率，降低EMI和一流的開(kāi)關(guān)性能的附帶好處?；陔娫茨K的應用程序更易于升級，并且可以擴展以實(shí)現更高的功率水平。ESS精確地要求電源模塊具有的特性以及分立組件所缺乏的特性-模塊化和靈活性。