太阳能光伏 (PV) 系统因其能够产生清洁能源、同时减少对化石燃料的依赖并减少电费而被房主、企业和公用事业广泛采用。然而，太阳能的挑战之一是其间歇性，太阳并不总是照耀，导致能源产生会不稳定。因此，储能系统（ESS）与太阳能逆变器集成成为了确保稳定可靠能源供应的强大解决方案。本文探讨了在住宅和商业设施中将储能与光伏系统集成的优势、类型和拓扑考虑等因素。
太阳能逆变器是太阳能光伏系统的核心。它们将太阳能电池板产生的直流电（DC）转换为交流电（AC），然后将其输入到电网。除了转换之外，太阳能逆变器还可以管理能量流、优化系统性能并提供安全机制来保护整个光伏系统。
电池储能系统 （BESS），如“锂离子电池”，因其高能量密度、高效率和低成本而被广泛使用，常见于电网存储和电动汽车。
机械储能系统，如“抽水储能”，最成熟的大型储能技术。它涉及不同高度的两个水库之间的水流动，是可提供最大容量的储能形式。
热储能系统，如 “熔盐储能”，用于太阳能热电厂，以储存热量并在需要时发电，在商业应用中用于短期能量存储。
在太阳能光伏系统中，锂离子电池储能（BESS） 通常用于存储太阳能电池板产生的剩余电力。这些储存的能量可以在太阳能发电量低的时段（夜间和阴天）或需求高峰期使用，以确保稳定可靠的电力供应。
储能与太阳能逆变器集成的优势
将储能系统（ESS）与太阳能逆变器集成可实现能源的独立性和可靠性。通过存储多余的太阳能，确保即使在停电或太阳能发电量低的时候也能提供稳定的电力供应，减少对电网的依赖。在需求高峰期或电价较高时使用储存的太阳能，从而降低公用事业成本，并最大限度地减轻电力基础设施的压力。此外，储能系统还可以通过稳定电网频率来提供调频服务，并提高电网的整体性能。
储能系统细分
储能系统（ESS）的应用范围很广，可分为表前 （FTM） 和表后 （BTM，又称为用户侧） 。表前储能系统通常与 5MW 以上的大功率系统相连。图1左侧是表前储能系统，使用的是大型固定式储能系统，从发电阶段开始，与光伏公用事业系统或风能系统相结合使用，然后进入输电阶段，最后到配电阶段。右侧是表后储能系统，它与几千瓦到5MW范围内的住宅和商业光伏系统相结合。
图1 表前储能系统和表后储能系统
太阳能逆变器的类型
组串式逆变器的工作原理是将多片太阳能电池板与串式逆变器组合在一起，把电池板产生的直流电发送到单个逆变器，再将其转换为交流电，适用于住宅、商业和公用设施的安装。如图2右侧，组串式逆变器可产生高达 200kW 的高功率水平的单相或三相交流电。电池板电压约为 600V，通过 DC-DC 升压转换器，为单相逆变器提供直流侧电压。对于三相逆变器，则使用带有升压转换器的 1000V至1500V直流电压的电池板。组串式逆变器经济高效，安装和维护相对简单。如果串联中的一个电池板被遮挡或性能不佳，则可能会出现问题，从而影响整个系统的性能。
图2 微型逆变器和组串式逆变器
相反，微型逆变器系统将每个电池板与其单独的微型逆变器耦合，把电池板的低压直流电转换为交流电。这些系统是并联的，而不是像组串式逆变器那样串联。因此，如果一个电池板被遮挡或性能不佳，则不会影响其他电池板板的输出。微型逆变器的功率范围为 200W 到 1.5KW，光伏阵列电压为 40V 至 80V，非常适合电池板可能朝向不同方向的住宅系统，能够独立的最大化利用每个电池板的发电能力。因此，可以最大限度地减少遮挡或电池板不匹配的影响。此外，微型逆变器可以对每个电池板做详细监控，以便更好地进行维护和性能跟踪。与组串式逆变器相比，主要缺点是初始成本较高。
将储能系统与太阳能光伏板集成在一起，就形成了混合逆变器。这种类型的逆变器可以双向工作，将产生的太阳能直流电直接转换为交流电，或在转换为交流电之前储存起来。混合逆变器通过管理太阳能电池板、电池和电网之间的电流来优化能源使用和存储，可以根据用户偏好和公用事业费率来配置电池充电、电网交互或自用的优先级。
有两种不同的方法可以将电池储能与太阳能光伏系统集成在一起：交流耦合储能系统和直流耦合储能系统。每种方法都有其自身的优点和缺点，取决于具体的应用、系统配置和用户需求。交流耦合和直流耦合系统之间的主要区别在于太阳能电池板产生电力的过程。
图3 交流耦合系统和直流耦合系统
相反，如图3右侧，在直流耦合系统中，太阳能电池板和电池存储共用一个直流母线，主要使用单个逆变器将直流电转换为交流电，供电网或家庭使用。太阳能电池板可直接为电池充电，然后在需要时通过混合逆变器将存储的直流电转换为交流电。
交流耦合电池系统
优点：
灵活性：电池系统可以轻松安装到现有的太阳能光伏系统中，而无需对现有设置进行重大修改
冗余：电池故障不会对太阳能光伏发电产生直接影响，反之亦然
模块化：允许独立调整光伏系统和储能系统的规模
缺点：
效率损失：额外的转换步骤（直流到交流到直流），可能会导致能量损失，通常比直流耦合系统多约 5-10％
复杂性：交流耦合需要单独的电池和逆变器，因此需要更多的组件和接线
直流耦合电池系统
优点：
效率更高：与交流耦合系统相比，直流耦合配置的转换步骤更少
经济高效：减少转换阶段，实现更紧凑的解决方案
优化充电：太阳能电池板可以直接给电池充电，效率更高，特别是对于离网应用
缺点：
改造挑战：在现有太阳能光伏装置中添加电池储能系统的初始成本高且复杂
尺寸限制：电池必须靠近逆变器，这可能会限制系统的独立扩展灵活性
组串式逆变器和ESS的拓扑
可以使用各种拓扑来设计 DC/DC 转换器和 DC/AC 逆变器。不同的拓扑结构具有不同的优势，可根据功率要求、效率、成本和复杂性进行选择。以下是一些最常见的拓扑。
图4 组串式逆变器和ESS的拓扑
目前的趋势是将直流侧电压提高到1000V 或1500V，以减少系统中的功率损耗，并允许串联添加更多的电池板。通过将太阳能逆变器的最大直流电压提高到1500V 或更高，光伏电站的成本效益更高。该阶段的典型拓扑是交错式升压转换器、移相全桥 （PSFB） 和 LLC 转换器。
第二级转换器是双向DC-DC。此阶段用于为电池充电或储存能量，并在需要时放电或释放这些能量，典型的隔离拓扑是CLLLC和DAB。
降低功耗，从而缩小散热器
最小化电流纹波，谐波含量较低而更容易滤波
显著降低传导EMI
让我们仔细看看DC/DC阶段最常见的拓扑结构。次级侧电源开关的选择取决于电池电压。例如，在住宅储能系统中，通常使用48V电池组，而商业领域更多地使用 400V 电池。
建议在400V DC直流链路设置中采用零电压开关 (ZVS) 移相全桥拓扑，并为开关 Q1 至 Q4 配备 650V 碳化硅 (SiC MOSFET)，以实现高效率和高功率密度。这些开关采用移相技术进行控制，该技术允许开关在其两端的电压为零时导通，这可大大降低开关损耗和电磁干扰 (EMI)，并减轻半导体器件的应力。此外，650V SiC二极管是初级侧D1 和D2 的正确选择。如果是800V 直流链路设置，则需要选择1200V SiC MOSFET和SiC二极管。在开关Q5 至Q8 的次级侧，电源开关的选择取决于电池电压。
CLLC DC-DC 转换器
最常见的双向 DC-DC 拓扑之一是 CLLC 转换器。它在谐振电路中使用两个电感器（L）和两个电容器（C）。这种布置通常看起来像在初级和次级侧都镜像的“LLC”谐振电路。SiC MOSFET 用于开关Q1至Q4，而硅（Si）MOSFET用于Q5 至Q8。CLLC设计实现了初级侧开关的ZVS，有助于降低开关损耗并提高效率。它可以在次级侧实现零电流开关（ZCS），通过最大限度地减少关断期间的开关损耗来进一步提高效率。CLLC转换器需要精确的控制来有效管理谐振频率和开关序列。
DAB DC-DC 转换器
DAB 转换器由初级侧和次级侧的两个有源全桥电路组成，通过高频变压器连接。与CLLC拓扑一样，两个桥均由有源开关构成，可实现双向功率流。通常，开关Q1至Q4采用SiC MOSFET，而Q5至Q8则采用Si MOSFET。DAB转换器需要复杂的控制算法来精确管理桥之间的相移。
ANPC DC-AC 逆变器
进一步探索逆变器级，有源中性点钳位（ANPC）拓扑是一种先进的逆变器配置。它以传统的中性点钳位 (NPC) 拓扑为基础，通过添加有源开关来帮助降低传导和开关损耗。ANPC逆变器可以产生多个电压电平，最大限度的减小每个组件的电压应力，从而实现总谐波失真更低、交流输出更平稳。开关Q1到Q4以线路频率工作，而Q5和Q6以50kHz或更高的频率调制。在ANPC中，所有电源开关的额定击穿电压都可以达到600V或650V。通过对开关Q5和Q6使用SiC MOSFET，可以提高效率和功率密度。ANPC 逆变器需要先进的控制算法，与H 桥等拓扑相比，这种拓扑的结构和控制更为复杂。
H4 桥 DC-AC 逆变器
H桥拓扑结构由四个开关器件组成，因其简单、高效和多功能性而广受欢迎。650V SiC MOSFET 或GaN HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管）通常用于快速开关线路Q3和Q4，而对于Q1和 Q2，带有快速体二极管的Si MOSFET是正确的选择。这种两电平操作的主要缺点是它需要一个相对较大的输出滤波器，因为它在续流到直流电容器过程中会将能量再生回来。
HERIC DC-AC 逆变器
HERIC（Highly Efficient and Reliable Inverter Concept）拓扑以其高效率和将直流转换为交流时的卓越性能而尤为引人注目。在此配置中，两个反并联开关Q5和Q6被添加到传统的H桥逆变器中，以在零级将交流侧与光伏模块解耦。六个开关符合此拓扑结构，其中H 桥上的4个开关（Q1至 Q4）以高频切换，而两个外部开关以电网频率切换。当H桥逆变器输出电压为零时，Q5和Q6开关管以最短路线传递续流电流。HERIC逆变器的主要优势是在所有操作模式下只有两个开关同时工作。
宽带隙（WBG）器件为双向DC-DC转换器和DC-AC逆变器拓扑带来了明显的优势。SiC和GaN器件具有非常低的反向恢复电荷（Qrr），甚至没有体二极管，从而消除了硬换向或反向恢复损耗。
太阳能光伏系统和储能系统的适当规模对于实现最佳性能至关重要。这涉及计算能源需求、太阳能电池板输出和所需的电池容量。尺寸过大或过小都会导致效率低下和成本增加。太阳能逆变器和电池储能系统的兼容性至关重要。一些制造商会提供集成解决方案，以简化安装和操作。兼容性还扩展到管理整体能量流和性能的软件及监控系统。
结语
将储能与太阳能光伏系统集成，代表了我们利用太阳能方式的重大进步。不仅可以提供可靠且稳定的电力供应减少对电网的依赖，并最大限度地利用太阳能，这些系统具有经济和环境效益。SiC和GaN功率器件有助于实现同步整流拓扑的双向流动，同时实现高效率和高功率密度。Arrow始终致力于提高能源效率，我们渴望通过展示选择 650V、1200V 和 2200V SiC 器件的明显优势以及参考板来简化设计工作并缩短上市时间。
作者: Omara Aziz
Global Technology Segment Leader at Arrow Electronics
