儲能系統（Energy Storage System, ESS）主要用于將一段時期內暫時不用的多余能量通過某種方式收集并儲存起來，在使用高峰時再提取使用，或者運往能量緊缺的地方再使用，以便提升能源的利用效率，避免能源的浪費，這在能源短缺的現代社會來說，顯得更為重要。本文將為您介紹儲能系統的概念與發展現況，以及由艾睿電子提供的參考設計與各種解決方案。
儲能系統解決能源短缺問題
由于能源的產生（如可再生能源中的水力發電、太陽能發電、風力發電等）經常受到時間性和空間性的限制，例如水力發電通常在夏季的發電量較大，在枯水期時則發電量較小，太陽能則只能在白天發電，到了晚上則無法發電，風力發電亦會受到季節、天候因素的影響，較難持續、穩定的發電，而人類對能源的利用量，也會受到季節、天候的影響，會出現高峰與低峰用電時間，且與上述的各種發電方式往往無法進行配合。
因此，如何將一段時間內產生的多余能源存儲起來，然后再于用電高峰時間提供給電網，這種用于儲能的儲能系統裝置，便成為當前熱門的應用之一。能源儲存系統可以儲存多余的熱能、動能、電能、位能、化學能等，改變能量的輸出容量、輸出地點、輸出時間等，常見的儲能技術包括顯熱儲能技術、潛熱儲能技術、化學反應熱儲能技術三種。
顯熱儲能技術是通過加熱儲能介質提高其溫度，而將熱能儲存其中。常用的顯熱儲能材料有水、土壤和巖石等。就目前來說，這是一種技術比較成熟、效率比較高、成本又比較低的儲能方法。
潛熱儲能技術是利用儲能介質液相與固相之間的相變時產生的熔解熱將熱能儲存起來的，但是儲能媒介物價格昂貴，容易腐蝕，有的介質還可能產生分解反應，儲存裝置也較顯熱型復雜，技術難度較大。
化學能存儲技術則是利用能量將化學物質分解后分別儲存能量，分解后的物質再化合時，即可放出儲存的能量。可以利用可逆分解反應、有機可逆反應和氫化物化學反應三種技術實現，將為解決能源短缺的問題提供良好的途徑。
全球儲能市場正在高速增長
儲能是提高電力系統可靠性、促進新能源消納的關鍵技術。儲能系統可以動態吸收并儲存來自發電側或電網的電能，在需要時釋放，從而改變電能生產、輸送和使用同步完成的模式，使得實時平衡的“剛性”電力系統變得更加“柔性”，有效提高電能質量和用電效率。
除了大型電網系統的儲能應用之外，應用在家庭用戶側的儲能系統（戶用儲能），將成為新型電力系統的重要部分，通常與戶用光伏系統組合安裝，為家庭用戶提供電能。在白天時，光伏所發的電能優先供本地負載使用，多余的能量存儲到蓄電池，在電能仍有富余的情況下可選擇性并入電網；當在夜間光伏系統無法發電時，蓄電池放電提供電能供本地負載使用。戶用儲能系統可以提高戶用光伏自發自用程度，減少用戶的電費支出，并在極端天氣等情況下保障用戶用電的穩定性。
戶用電化學儲能系統通常是由電池組、電池管理系統（BMS）、儲能變流器（PCS）和能量管理系統（EMS）構成，其中儲能電池和變流器是價值量較高的核心環節。
目前的全球儲能市場正在高速增長，用戶側儲能則是重要的驅動力之一。根據弗若斯特沙利文（Frost & Sullivan）的數據，2021年全球儲能系統新增裝機容量達25.2GWh，同比增長133.3%，其中發電側、電網側和用戶側裝機分別為14.4、2.7、8.1GWh。其中尤以歐洲、美國引領發展，戶用儲能市場迎來高速增長。
此外，在國家政策的推動下，中國的儲能市場也在蓬勃的快速發展。以深圳市為例，深圳計劃力推分布式光伏產業應用落地和產業創新，探路超大城市“碳達峰、碳中和”的“雙碳”發電模式，其大力推廣建筑光伏一體化（BIPV），力爭全市新增光伏裝機容量150萬千瓦，并有望在2025年達500萬千瓦，其發展速度極為快速，若推廣到全中國的其他城市，將帶來極為龐大的市場與發展機遇。
應用于住宅的光伏／太陽能儲能系統
這種應用于住宅的光伏／太陽能儲能系統，對于可再生能源和分布式能源發電的進一步發展至關重要，必須提供易于使用的產品來設計高效的電源轉換和電池管理系統，其中系統成本和性能優化是關鍵驅動因素，快速上市和可靠的交付性能是關鍵要求。
以10kw太陽能儲能系統為例，由艾睿電子推出的這款10kW DC/AC三相光伏逆變器將帶電池組和雙向充電系統，主要由4個模塊組成，包括3相T型DC-AC逆變器塊、最大功率點跟蹤（MPPT）升壓模塊、雙向電池充電系統與人機界面（HMI）模塊等組成，可加速客戶的產品開發設計。
其中的3相T型DC-AC逆變器的拓撲采用10kW -15KW的3電平T型逆變器，使用1200 V、75mΩ、TO247-4封裝的SiC MOSFET，以及650V、45A、TO247-4封裝的SiC MOSFET，還搭配安森美的NCV1117ST、CS51414的DC穩壓器，安森美的NCV7357D CAN收發器、安森美的NCS20061SN2T1G放大器。
MPPT升壓塊的主要器件則采用了TI的TMS320C28379 MCU，1200 V、75mΩ、TO247-4封裝的SiC MOSFET，以及1200V、20A、TO247-3封裝的SiC二極管，還有安森美的NCS20061SN2T1G放大器與NCV1117ST33T3G、NCV1117ST50T3G的DC穩壓器。
雙向電池充電系統的拓撲結構則是10kW CLLLC雙向DCDC電源轉換器，采用了1200 V、32mΩ、TO247-4封裝的主要SiC MOSFET，以及650 V、15mΩ、TO247-4封裝的次要Si MOSFET，另外還搭配了安森美的隔離SiC柵極驅動器、放大器與DC穩壓器，以及TI的MCU。
HMI塊則支持WiFi、以太網、RS485、CAN等接口，并搭配隔離輔助電源子板，支持Vin為900~1000V DC Link Bus輸入，Vout為12V/4A隔離直流輸出，采用的主要器件包括安森美UC2844BD1R2G PWM控制器、1700V高壓SiC MOSFET，以及安森美FDMS86101DC低壓功率MOSFET，以及安森美NCP4306DADZZ同步控制器、安森美NCP431BCSNT1G參考電壓、安森美FOD817A光電耦合器、安森美BCP56T1G功率晶體管，以及許多安森美二極管與Zener二極管。
高效率的雙向電源轉換器
艾睿電子另外還推出一款用于儲能PFC的雙向電源轉換器，這是一個用于能量儲存PFC的雙向電源轉換器的參考設計，它由圖騰柱PFC拓撲所組成，使用SiC MOSFET在高開關頻率下運行，以實現高效率并減小尺寸和重量。
該雙向電源轉換器在充電模式下的最大充電功率為6.6kW，額定輸入電壓為200Vac至265Vac 50Hz，額定輸出電壓則為380Vdc至580Vdc，效率則可超過98%，在反向模式下的最大逆變功率為6.6kW，逆變額定輸入電壓為550Vdc，逆變額定輸出電壓為220Vac 50Hz，效率同樣超過98%。
這款用于儲能PFC的雙向電源轉換器可用于大功率充電系統，如UPS、太陽能系統等，該評估板可幫助用戶加快SiC MOSFET系統設計，并顯著縮短產品開發周期。
結語
儲能系統能夠提升能源的利用效率，可用于電力系統的各個環節，包括發電側、電網側和用戶側，其中尤以用戶側的市場發展潛力最為龐大。 |
