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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，本質上是可再生能源裝機容量的上升。與能夠主動控制發(fā)電的機組不同，可再生能源的發(fā)電受自然環(huán)境的影響，不確定性強，甚至不能與電網兼容。因此，需要支持儲能系統(tǒng)來解決消耗、峰值調整、頻率調整、穩(wěn)定電網等問題。

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根據國家能源局的數(shù)據，2016-2021年，中國的平均棄風率和棄光率分別從17.0%和10.3%降至3.1%和2.0%。除了電網運營優(yōu)化和技術進步，儲能的發(fā)展也是不可或缺的。此外，中國科學院電氣研究所儲能技術研究小組組長陳永沖近日表示，雖然中國儲能裝機規(guī)模居世界第一，但儲能與風電光伏新能源裝機規(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。

在儲能技術方面，雖然抽水儲能占據了絕對主導的市場，但這項有數(shù)百年歷史的技術正在允許使用電池作為緩沖存儲介質的電化學儲能（以下簡稱BESS），后者不受自然條件的限制，具有響應快、部署靈活的特點，完全符合可再生能源容量小、布局分散、數(shù)量多的特點，可在家庭、工商、網絡側實現(xiàn)靈活部署。根據中國化工物理電力行業(yè)協(xié)會儲能應用分會發(fā)布的《2022儲能行業(yè)應用研究報告》統(tǒng)計，2021年中國新增儲能項目146個，電化學儲能項目131個，其中鋰離子電池儲能項目120個。與此同時，除了大型項目，更多以工商、戶用為代表的小微儲能站正在多點開花。

雖然從長遠來看，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)，技術發(fā)展成為一個非常重要的因素。BESS簡而言之，直流和交流之間的電力轉換、電池充放電和整個工業(yè)系統(tǒng)的控制過程自然與電力和電子技術不可分割，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，負責電池直流鏈路與逆變器交流母線(即電池與電網)之間的功率轉換，BMS(電池管理系統(tǒng))負責監(jiān)控電池的關鍵信息和EMS(能源管理系統(tǒng))負責整個系統(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代理通過具體的產品和方案，讓大家了解BESS系統(tǒng)的關鍵組成，以及如何克服挑戰(zhàn)。德州儀器是電力電子的主要供應商之一（TI）對電池管理和工業(yè)控制有幾十年的相關技術積累，TI也有豐富的產品和系統(tǒng)經驗，可以為整個產品提供服務ESS本文選取了系統(tǒng)構建完整的信號和能量傳輸鏈路TI幾款有代表性的產品和方案。

雙向功率轉換系統(tǒng)

在過去沒有配套儲能的時代，可再生能源的電流往往是單向直接傳輸?shù)诫娋W側的。在此架構下添加儲能系統(tǒng)，顯然雙向系統(tǒng)優(yōu)于兩個單向系統(tǒng)。因此，儲能側需要增加雙向DC/DC同時充放電管理AC/DC側面也需要改為雙向架構，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構有助于在電價便宜或發(fā)電量大的情況下實現(xiàn)更好的削峰填谷，并在需要時及時釋放電能。

一般來說，這種雙向架構意味著兩個獨立的轉換系統(tǒng)，包括功率、控制、保護等，帶來了更高的系統(tǒng)成本、更復雜的布局布線和更大的體積。

雙向PFC與逆變級

由于拓撲結構中的功率器件基本相同，可以將兩者結合起來，實現(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計的，雙向DC/DC 常見的功率級拓撲是CLLLC和DAB。對于離網/并網雙向逆變器/PFC 就功率級而言，不需要特殊的拓撲來實現(xiàn)，因為常用的逆變器功率級，如兩級H 橋、HERIC、三電平TNPC、三電平NPC 和三電平ANPC 可實現(xiàn)雙向轉換。

這些復雜的拓撲給電源的轉換和控制帶來了許多挑戰(zhàn)。同時，對于大功率逆變器，可能會有幾個并聯(lián)，因此需要與電網同步。

同時，為了實現(xiàn)更高的轉換效率和儲能密度，儲能系統(tǒng)越來越引入寬帶半導體作為其功率設備，與傳統(tǒng)硅設備相比，寬帶半導體可以實現(xiàn)更高的開關頻率，從而提高轉換效率，降低尺寸，但從驅動設計到布局布線，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，對于并網的雙向逆變器，需要具有檢測和隔離功能。當電網出現(xiàn)故障（如停電、斷電、過壓等）時，應及時斷開。

就像上述挑戰(zhàn)一樣，無論什么樣的電源拓撲，設計都不容易。因此，最好的方案是選擇一套優(yōu)化的參考設計方案和一站式供應商。TI為滿足各種功率轉換系統(tǒng)的需要，提供了多種拓撲參考方案。

TIDA-010210參考設計

以TI的基于GaN 的11kW 雙向三相ANPC 參考設計TIDA-以010210為例，提供了基于氮化鎵的參考設計(GaN) 三電平三相ANPC 逆變器功率級設計模板。使用快速開關功率器件可實現(xiàn)1000kHz 更高的開關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。多級拓撲允許高達1000V 額定電壓為600V 在其他拓撲中無法實現(xiàn)的功率器件。同時，較低的開關電壓應力可以降低開關損耗，使峰值效率達到98.5%，提高系統(tǒng)的可靠性。

該方案集成TI包括明星產品，包括C2000 32位MCU、集成驅動、保護和溫度報告GaN FET、電源產品，如柵極驅動器、開關轉換器等，以及數(shù)字隔離器、放大器等信號鏈產品。

低壓開關設備可以通過多級拓撲使用，但也意味著需要驅動更多的開關，即使在異常運行過程中也需要避免過壓。本參考設計TI僅用一顆C2000就在有限的PWM通過集成控制18個功率元件CLB實現(xiàn)基于硬件的連鎖保護，無需外部使用FPGA或CPLD。而且只有軟件控制才能實現(xiàn)換向功能。

高可靠電池管理系統(tǒng)

類似于功率轉換系統(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單獨收集電池信息，BDU管理電池簇，BCU負責整體控制和通信。

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實現(xiàn)高水平BMS關鍵是要解決客戶在準確性、魯棒性、安全性和系統(tǒng)成本方面的痛點。

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器是滿足儲能客戶需求的產品AFE。首先，在精度方面，可以實現(xiàn)2mV電壓采樣精度和電流采樣精度小于0.3%，16位ADC16串電池的掃描時間僅為128μS，并集成數(shù)字濾波，幫助客戶實現(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增強引腳的耐壓性，能承受80度V電壓。由于儲能系統(tǒng)內部EMC干擾強，可能進入異常狀態(tài)，需要上電重啟。BQ79616內部提供硬件復位，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，可實現(xiàn)雙向通信和雙向喚醒。當某個節(jié)點損壞時，仍可實現(xiàn)通信。在電池簇管理中，還采用菊花鏈連接霍爾傳感器、保險絲、風扇、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系列集成了內部平衡MOSFET，最高支持250mA另外，電流可以自動平衡電池。BQ7961x該系列提供了豐富的產品類型，在引腳兼容的情況下支持不同的電池串數(shù)，從而根據實際需要優(yōu)化成本。

迎接儲能市場的新機遇

在我國新能源和電力系統(tǒng)改革堅定不移發(fā)展的背景下，儲能是電力電子產業(yè)崛起的新星。無論是產品、商業(yè)形式還是自身的科技內容，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移動儲能站。在不斷變化的過程中，選擇經過大量市場驗證、靈活可靠、一站式交付的供應商是確保產品開發(fā)和大規(guī)模生產的重要保證。

促進可再生能源發(fā)展，建設更環(huán)保的電網TI包括儲能產業(yè)在內的幫助中國能源產業(yè)發(fā)展的初衷。TI通過廣泛的模擬和嵌入式處理產品、豐富的參考設計、強大而全面的本地支持，包括本地研發(fā)、本地銷售和應用團隊以及完全本地化TI.com.cn，為了滿足未來能源創(chuàng)新的需要，幫助儲能行業(yè)實現(xiàn)高可靠性、高效率、小尺寸、高性價比。