随着世界转向更多地使用可再生能源，日常家庭中所使用的这种能源的存储和转换正在发生转变。在本文中，我们将重点介绍桑迪亚国家实验室储能技术和系统部门的高级技术人员Jacob Mueller就这一转型中所涉及的主要趋势和挑战所做的演讲，其中重点介绍了电力电子和储能的作用。
双向储能系统能够吸收能量并将其存储一段时间，然后再以电能的形式发送出去。它可以有多种形式，如图1所示。风能和太阳能等多变的可再生能源正在推动电池存储系统的发展。在发电源头使用较小电池的分布式方法(称为分布式能源DER)可以使电网更灵活可靠。目前的电池技术主要适用于短时储能，其范围在几秒到几小时内。泵送水力、压缩空气和热能等方法可提供数小时到一天的存储，但通常会受到自然资源和地形的限制。如图1所示，目前还没有针对季节性长期储能的现成解决方案。
图1：储能技术与功率和放电时间的关系。(图片来源：美国能源部，“Potential Benefits of High-Power, High-Capacity Batteries”，2020年1月)
锂离子电池储能系统(BESS)在电池储能技术中占据主导地位。大规模安装的例子有加利福尼亚州埃斯孔迪多的AES 120MWh BESS和澳大利亚的Tesla 129MWh系统。图2给出了2003年至2020年以及2021年至2023年期间美国大规模电池容量增加的趋势。这表明独立储能系统和共址储能系统都在加速增长。
图2：美国大规模电池储能增长趋势。(图片来源：美国能源信息署，“Battery Storage in the United States: An Update on Market Trends”，2020年12月)
如图3所示，虽然电池的价格正在显著下降，但BESS的总成本还包括其他几个组成部分，例如电源转换系统(其中含有双向逆变器)、提供安全和数据记录控制的能源管理系统，以及集装箱、配电和HVAC/散热管理等等。
图3：BESS价格走势。(图片来源：彭博新能源财经)
电力电子系统(PES)在电网中提供两个关键功能：
图4：电力电子系统在储能和配电中的作用。
如图4所示，从发电、输电到配电的整个过程都需要PES。
在美国，其电力办公室的变压器弹性和先进部件(TRAC)计划突显了发电和配电各个方面的未来路线图。其中一个方面涉及到固态变电站(SSPS)。变电站内的SSPS电源转换器可以构建成电力电子构件的模块化集合。可扩展性是一个关键的最终目标。SSPS路线图(如图5所示)突显了从SSPS 1.0到SSPS 3.0的功率密度增加趋势。
图5：2020 DOE/OE TRAC计划固态变电站路线图。(图片来源：美国能源部2020 TRAC报告)
提高工作电压是提高功率密度的最佳途径之一。电池电芯的电压由的化学成分所决定。因此，可以将几节电芯串联堆叠起来形成模块，然后将这些模块串联连接形成机柜。然后，还可以将机柜并联起来增加容量，从而创建出单独的系统。可以采用电源控制系统(PCS)控制该系统并向直流母线提供电压。
传统的PCS解决方案通常由单级逆变器组成，如图6所示。
图6：传统的单级PCS。
在这种情况下，直流母线电压由于需要大于峰值交流电压并留有一定裕量，因此设定了约束条件。虽然这种单级PCS很便宜，但它存在缺乏可扩展性的缺点。在串联的电池电芯中，电芯的电压和电流会发生变化，并且会随着老化而变化。最弱的电芯可能成为系统的故障路径，从而成为可靠性瓶颈。因此，这种简单的单级PCS仅用于600V或更低的电压。
如图7所示，多级PCS具有打破直流母线电压约束的优势。多级PCS的一些优点是：
图7：多级PCS。
多级方法的一些缺点包括更高的成本，以及增加的功率转换损耗。
通常情况是在每一级内采用多电平逆变器。这与传统的两电平逆变器相比具有多项优势，包括：
可以通过多种方式进行模块化来提高可靠性。图8给出了一种并行PCS。每个并联支路中的模块可以是热插拔的储能/转换器模块，并且每个支路中的电池参数也无需完全匹配。这里的可扩展性仍然受到每个DC/DC转换器级内的电压增益所限制。
图8：并行PCS。
图9给出了一种串联连接的PCS。它具有产生更高直流母线电压的优势，因此能够减少电缆的传导损耗。这种架构对于DC/DC转换器中即使是微小的增益也更宽容。
图9：级联的串联PCS。
基于SiC的电力电子技术正在帮助彻底改变储能和电网配电系统，而使分布式可再生能源发电的使用更加实用。关键的瓶颈仍然存在，特别是在长期储能、大容量锂离子电池的制造以及进入PCS级的磁性元件等无源元件方面。
（原文刊登于EDN姐妹网站Power Electronics News，参考链接：Power Electronics and Energy Storage in Grid Modernization，由Ricardo Xie和Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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