【導(dǎo)讀】隨著世界轉(zhuǎn)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(chǔ)和轉(zhuǎn)換正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能技術(shù)和系統(tǒng)部門的高級(jí)技術(shù)人員Jacob Mueller，就這一轉(zhuǎn)型中涉及的主要趨勢(shì)和挑戰(zhàn)所做的演講，重點(diǎn)介紹電力電子和儲(chǔ)能的作用。
隨著世界轉(zhuǎn)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(chǔ)和轉(zhuǎn)換正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)能技術(shù)和系統(tǒng)部門的高級(jí)技術(shù)人員Jacob Mueller，就這一轉(zhuǎn)型中涉及的主要趨勢(shì)和挑戰(zhàn)所做的演講，重點(diǎn)介紹電力電子和儲(chǔ)能的作用。
電網(wǎng)儲(chǔ)能
雙向電能存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠吸收能量并將其存儲(chǔ)一段時(shí)間，然后再以電能的形式發(fā)送。它可以有多種形式，如圖1所示。多變的可再生能源像風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣正在推動(dòng)電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展。在發(fā)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(wǎng)更靈活可靠。目前的電池技術(shù)主要適用于短時(shí)儲(chǔ)能，在幾秒到幾小時(shí)的范圍內(nèi)。泵送水力、壓縮空氣和熱能方法可提供數(shù)小時(shí)到一天的存儲(chǔ)，但通常會(huì)受到自然資源和地形的限制。如圖1所示，沒(méi)有針對(duì)季節(jié)性長(zhǎng)期儲(chǔ)能的現(xiàn)成解決方案。
圖1：儲(chǔ)能技術(shù)與功率和放電時(shí)間的關(guān)系(來(lái)源：美國(guó)能源部，“Potential Benefits of High-Power, High-Capacity Batteries,”，2020年1月)
鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)在電池儲(chǔ)能技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。大規(guī)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(tǒng)。圖2顯示了2003年至2020年以及2021年至2023年期間美國(guó)大規(guī)模電池容量的增加。這顯示了獨(dú)立存儲(chǔ)系統(tǒng)和共同運(yùn)行存儲(chǔ)系統(tǒng)的加速增長(zhǎng)。
圖2：美國(guó)大規(guī)模增加電池儲(chǔ)能(來(lái)源：美國(guó)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(jià)格正在顯著下降，但BESS的總成本還包括其他幾個(gè)組件，例如電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中包括一個(gè)雙向逆變器、一個(gè)提供安全和數(shù)據(jù)記錄控制的能源管理系統(tǒng)以及容器、配電和HVAC/熱管理等其他組件。
圖3：BESS價(jià)格走勢(shì)(來(lái)源：彭博新能源財(cái)經(jīng))
電力電子系統(tǒng)
電力電子系統(tǒng)(PES)在電網(wǎng)中提供兩個(gè)關(guān)鍵功能：
在不同類型之間有效轉(zhuǎn)換能量，例如，DC到AC
控制電能的流動(dòng)
圖4：電力電子系統(tǒng)在儲(chǔ)能和配電中的作用
如圖4所示，從能源生產(chǎn)、傳輸?shù)椒峙涠夹枰狿ES。
在美國(guó)電力辦公室的變壓器彈性和先進(jìn)部件(TRAC)計(jì)劃突出了能源生產(chǎn)和分配各個(gè)方面的未來(lái)路線圖。其中一個(gè)方面涉及固態(tài)變電站(SSPS)。變電站內(nèi)的SSPS電源轉(zhuǎn)換器可以構(gòu)建為電力電子構(gòu)件的模塊化集合?？蓴U(kuò)展性是一個(gè)關(guān)鍵的最終目標(biāo)。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(shì)。
圖5：2020 DOE/OE TRAC計(jì)劃固態(tài)變電站路線圖(來(lái)源：美國(guó)能源部2020 TRAC報(bào)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(xué)成分決定。因此，將幾個(gè)電池串聯(lián)堆疊形成模塊，然后可以將這些模塊串聯(lián)連接來(lái)形成一個(gè)電池組。然后可以將電池組并聯(lián)以增加容量從而創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)。儲(chǔ)能變流器(PCS)控制該系統(tǒng)并向直流鏈路提供電壓。
傳統(tǒng)的PCS解決方案通常由單級(jí)逆變器組成，如圖6所示。
圖6：傳統(tǒng)的單級(jí)PCS
在這種情況下，直流鏈路電壓設(shè)定了約束條件，因?yàn)樗枰笥诜逯到涣麟妷翰⒘粲幸欢ㄓ嗔?。雖然這種單級(jí)PCS很便宜，但它存在缺乏可擴(kuò)展性的缺點(diǎn)。在串聯(lián)的電池單元中，電池電壓和電流會(huì)發(fā)生變化，并且會(huì)隨著老化而變化。最弱的單元可能是一個(gè)系統(tǒng)的故障路徑，并且可能成為可靠性瓶頸。因此，這種簡(jiǎn)單的單級(jí)PCS僅用于600V或更低的電壓。
如圖7所示，多級(jí)PCS具有打破直流鏈路電壓約束的優(yōu)勢(shì)。多級(jí)PCS的一些優(yōu)點(diǎn)是：
第一級(jí)電壓更高，可以利用更高電壓的SiC器件和多級(jí)逆變器拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)
提高了的直流電壓穩(wěn)定性，允許減少直流鏈路電容器并延長(zhǎng)使用壽命
圖7：多級(jí)PCS
多級(jí)方法的一些缺點(diǎn)包括更高的成本，以及增加的功率轉(zhuǎn)換損耗。
通常在每一段內(nèi)使用多級(jí)逆變器。與傳統(tǒng)的兩級(jí)逆變器相比，它們具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括：
降低諧波失真
更低的開關(guān)損耗
較低PWM開關(guān)頻率
提高額定功率
能夠?qū)㈩~定電壓較低的設(shè)備用于較高電壓的應(yīng)用
用于提高可靠性的模塊化可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。圖8顯示了一個(gè)并行PCS。每個(gè)并聯(lián)支路中的模塊可以是熱插拔的存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換器模塊，并且每個(gè)支路中的電池參數(shù)不必完全匹配。這里的可擴(kuò)展性仍然受到每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)內(nèi)的電壓增益的限制。
圖8：并行PCS
圖9描繪了一個(gè)串聯(lián)連接的PCS。這具有產(chǎn)生更高直流鏈路電壓的優(yōu)勢(shì)，能夠減少電纜的傳導(dǎo)損耗。這種架構(gòu)對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器中即使是微小的增益也更寬容。
圖9：級(jí)聯(lián)的串聯(lián)PCS
結(jié)論
基于SiC的電力電子技術(shù)正在幫助徹底的改變存儲(chǔ)和電網(wǎng)分配系統(tǒng)，使分布式可再生能源發(fā)電的使用更加實(shí)用。關(guān)鍵的瓶頸仍然存在，特別是在長(zhǎng)期儲(chǔ)能、大容量鋰離子電池的制造以及進(jìn)入PCS階段的磁性元件等無(wú)源元件方面。
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