利用电池储能系统实现高效可再生能源

一种利用风能和太阳能等可再生能源来满足世界能源需求的清洁可持续的方法已经出现。然而，可再生能源由于易出现波动，因此在提供稳定可靠的电力供应方面面临着独特的困难。因此，现在需要利用能量存储设备来存储高发电时期所产生的多余能量并在高需求时将其释放。ruyednc

电池储能系统(BESS)近年来变得非常流行。事实上，这类系统可以通过存储大量能源并根据需要将其释放来解决可再生能源的间歇性问题。通常，BESS解决方案由与太阳能电场和风电场等可再生能源耦合的电池组所组成。这些电池可保留高发电时所产生的额外能量，并在高需求时将其释放。当可再生能源不能产生足够的电力时，家庭、企业和工业可以通过这些电池中所存储的能量来供电。ruyednc

BESS的优点

可扩展性是BESS技术的主要优势之一。BESS对小型和大型能源项目都非常适用，因为其可以根据用户的能源需求扩大或缩小规模。BESS技术还可为电网连接受限的偏远地区提供可靠且可持续的能源。ruyednc

此外，市场上还提供环保型BESS解决方案。这类解决方案可通过减少对化石燃料发电厂的需求来帮助缓解气候变化，而化石燃料发电厂是温室气体排放的一个来源。ruyednc

BESS解决方案可确保电网稳定性是另一个好处。由于风能和太阳能等可再生能源具有间歇性，它们就可能会使系统不稳定。然而，当可再生能源无法生产足够的能源时，BESS解决方案可以通过提供可靠的能源来帮助克服这一困难。ruyednc

近年来，电池的成本一直在下降，这使得电池储能系统变得更加经济实惠和易于使用。这导致BESS在可再生能源应用中的使用有所增加，预计其将在向更可持续的能源未来过渡中发挥关键作用。ruyednc

BESS框图

BESS的内部结构如图1所示。太阳能电池板或风力涡轮机等可再生能源发电设备可为BESS提供直流电源输入。然后，直流电由电力电子模块进行处理，后者由逆变器、充电器、DC/DC转换器和电池管理系统(BMS)所组成。ruyednc

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图1：BESS框图。(图片来源：Stefano Lovati)ruyednc

逆变器用于将直流电转换为交流电，然后可将其直接供负载使用或注入电网，而充电器在有多余能量时则可为电池充电。DC/DC转换器用于调节(提高或降低)直流电源输入的电压，以满足电池或逆变器的要求。ruyednc

BMS负责监控电池的状态，包括其充电状态、温度和健康状态。它还用于管理电池的充电和放电，以确保最佳的性能和安全性。ruyednc

能源管理系统负责管理BESS的整体运行，包括电力电子和辅助设备(例如冷却系统和其他控制系统)的控制。ruyednc

BESS的内部结构旨在存储和释放可再生能源的能量，最大限度地提高效率，同时确保最佳性能和安全性。ruyednc

适用于可再生能源的BESS

有多种类型的BESS适合可再生能源。BESS的选择取决于多种因素，例如应用、系统规模、储能容量和成本。以下是适用于可再生能源的主要BESS类别：ruyednc

• 锂离子电池：锂离子电池是可再生能源应用中最常用的BESS。其重量轻、结构紧凑、能量密度高，非常适合中小型应用。锂离子电池还具有较高的往返效率，这意味着其可有效地存储和释放能量。这类电池通常用于住宅和商业应用以及电动汽车。
• 液流电池：液流电池是BESS的一种，它使用两个液体电解质罐来存储能量。由于有液体电解质“流过”电池系统，因此得名液流电池。每个类别都有不同的方法。与锂离子电池一样，液流电池在每个类别内和之间都具有多种化学成分，包括最流行的钒，以及不太流行的锌-溴、多硫化物-溴、铁-铬和铁-铁。它们以其长寿命、高能量密度和可扩展性而闻名。由于其高存储容量和可扩展性，液流电池还可用于大规模可再生能源应用，例如电网规模存储。
• 钠硫电池：钠硫电池是另一种适合可再生能源应用的BESS。其具有高能量密度，可以存储大量能量，这使其成为了电网规模应用的理想选择。钠硫电池还具有较长的使用寿命，可以承受极端温度，因此适合在偏远地区使用。
• 铅酸电池：铅酸电池是一种更传统的BESS形式，已经被使用了几十年。其价格相对便宜且具有较高的循环寿命，因此适合中小型可再生能源应用。然而，铅酸电池的能量密度较低，并且其性能会随着时间的推移而下降。
• 镍镉电池：镍镉电池已使用数十年。这种电池以其高循环寿命、可靠性和耐极端温度而闻名。然而，与铅酸电池一样，镍镉电池的能量密度较低，效率不如较新的BESS技术。

最终，锂离子电池是中小型应用中所常用的BESS，而液流电池和钠硫电池则适合大规模电网应用。ruyednc

BESS在可再生能源应用中所面临的挑战

虽然BESS在可再生能源应用中具有多种优势，但也存在一些需要解决的挑战(图2)。以下是BESS在可再生能源应用中所面临的一些主要挑战：ruyednc

• 成本：BESS的最大挑战之一是其成本。尽管近年来电池的成本一直在下降，但与其他形式的储能相比，其价格仍然相对昂贵。这可能导致难以证明BESS投资是否合理，特别是对于大型可再生能源项目。
• 安全：如果设计和安装不当，BESS可能会带来安全风险。如果电池损坏或受到过度充电，可能会发生着火或爆炸。这种风险可以通过适当的设计、安装和维护来减轻，但这仍然是一项需要解决的挑战。
• 效率：BESS的效率可能会根据所使用的电池类型和操作条件而变化。有些电池比其他电池效率更高，并且效率可能受到多种因素的影响，例如温度、充放电速率和循环寿命。提高BESS的效率有助于降低成本并提高其性能。
• 耐用性：BESS必须做到耐用且能够承受各种环境条件。电池会随着时间的推移而老化，特别是在极端温度或高强度使用的情况下。提高BESS的耐用性有助于降低维护成本并延长其使用寿命。
• 与电网集成：BESS必须与电网集成才能发挥作用。这可能是项挑战，特别是对于大型可再生能源项目。集成过程需要仔细规划和管理，以确保BESS有效运行并且不会扰乱电网。

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图2：为确保BESS在向更可持续的能源未来过渡中发挥重要作用，必须从效率开始解决BESS挑战。(图片来源：Shutterstock)ruyednc

高效BESS

BESS的效率可能会因多种因素而异，例如所使用的电池类型、操作条件和具体应用。ruyednc

一般来说，锂离子电池被认为是BESS应用中最高效的电池类型。这是由于以下几个关键因素：ruyednc

• 锂离子电池具有很高的往返效率，这意味着电池所释放的能量几乎等于充电过程中电池所存储的能量。这是因为锂离子电池的内阻较低，而可以快速有效地释放能量。
• 锂离子电池具有高能量密度，这意味着其可在相对较小的空间内存储大量的能量。这就使其非常适合空间受限的BESS应用。
• 锂离子电池可以在高电压下工作，从而减少充电和放电过程中的功率损耗。这是因为功率损耗与电流的平方成正比(I²R)，因此较高的电压可以减少提供给定功率所需的电流大小。

然而，需要强调的是，BESS的效率不仅取决于电池技术，还取决于整个系统的设计和运行。ruyednc

宽禁带材料在BESS中的作用

宽禁带(WBG)材料在BESS中发挥着重要作用，因为它们提高了系统中所使用的电力电子器件的效率和性能。ruyednc

电力电子设备可用于控制电池和电网之间的能量流动，将电池产生的直流电转换为交流电，然后供电网使用。这些电力电子设备由多种元器件组成，例如功率晶体管、二极管和电容器，通常由硅基半导体所制成。ruyednc

然而，硅基半导体在高温和高频下工作的能力存在局限性。这可能会导致电力电子设备效率低下并且性能受到限制，从而降低BESS的整体效率和可靠性。ruyednc

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带材料比传统硅基半导体具有多种优势。这些材料具有更宽的禁带，这使得它们能够在更高的温度和更高的频率下工作，并且损耗更低。ruyednc

这为BESS应用带来了多项好处，包括更高的效率、更高的功率密度和更高的开关频率。这有助于减小电力电子设备的尺寸、重量和成本，同时提高其可靠性和性能。通过使电力电子设备能够在更高的温度和更高的频率下运行并降低损耗，宽禁带材料有助于提高BESS的整体效率和可靠性，而使其成为可再生能源应用的更可行的解决方案。ruyednc

（原文刊登于EDN姊妹网站EE Times，参考链接：Battery Energy Storage Systems Enable Efficient Renewables，由Franklin Zhao编译。）ruyednc

本文为《电子技术设计》2023年8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。ruyednc