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采用雙向PFC和混合變頻器解決方案,在儲能和太陽能博弈中處于領先地位

  2020年07月20日  

  住宅儲能市場雖然現在處于起步階段,但正位于爆炸式增長的邊緣。自2018年第一季度以來,僅在美國,該市場就同比增長了232%,而能源存儲在2019年第一季度的部署中占比為46%。如今,住宅儲能領域的規模比公用事業部署的規模要小。預計全球住宅儲能市場將從2019年的60億美元增長到2024年的175億美元;復合年增長率為22.88%(根據最新的Wood Mackenzie美國能源存儲監控器。

  隨著具有各類背景和專業知識的新參與者進入市場,全球公司開始看到儲能的未來增長潛力。

  儲能開發人員要克服的關鍵設計挑戰在于系統集成,以最終實現更低的系統成本、更小的外形尺寸以及更少的組件和子系統數量。對于能量存儲來說,系統集成意味著通過從單向功率轉換階段轉向雙向功率轉換階段,將電池充放電的兩條獨立路徑合二為一。

轉向雙向功率因數校正(PFC)和逆變器功率級

  儲能市場的興起可歸因于方法和創新,這些方法和創新使設計人員能夠克服系統集成和成本等重大挑戰。在出現更新的技術和解決方案之前,單向AC/DC、單向DC/AC和DC/DC功率級是傳統系統解決方案。圖1說明具有單向功率因數校正(PFC)和逆變器功率級的典型系統。

圖1:具有單向PFC和逆變器級的電網級系統圖

  然而,但這種單向方法為實現系統集成設置了不可避免的障礙。系統會需要更多的功率級、組件和控制器,這將導致更高的系統成本。本質上講,能量相對于電池雙向流動,要么流入電池進行充電,要么流出電池進行放電。如果可壓縮這些功率級,則可減少組件、模塊和子系統的數量,最終降低系統物料清單(BOM)成本。

  這些挑戰的潛在解決方案是AC/DC、DC/AC和DC/DC功率轉換級的雙向功能。為進一步提高系統集成度、降低系統物料清單和減小外形尺寸,涉及能量存儲的電網系統正在朝著圖2所示的雙向電源轉換模塊發展。

圖2:具有雙向PFC和變頻器級的電網級系統圖

  C2000?MCU的最新參考設計中實現了雙向功率變換。具有GaN的雙向交錯式CCM圖騰柱無橋PFC參考設計基于TMS320F280049C實時控制器系列。

混合逆變器

  由于希望在儲能市場中進一步提高系統集成度,因此出現了另一個市場趨勢:混合動力或儲能逆變器的部署。逆變器簡單來說是將直流電轉換為交流電的功能。但當有多個直流電源時會發生什么?在電網基礎設施環境中,常規逆變器會將太陽能電池板的直流電轉換為交流電。混合逆變器補充了具有能量存儲的太陽能逆變器系統,因此同一逆變器可逆變來自太陽能光伏(PV)面板或充電電池的直流電。實際這是太陽能光伏制造商利用儲能來發展業務并保持領先地位的一種方式。儲能解決方案是必然趨勢,而對于太陽能系統設計人員而言,混合逆變器是實現無風險且面向未來解決方案的關鍵。

需求與解決方案

  雙向儲能解決方案,包括混合逆變器在內的雙向儲能解決方案要求高功率效率、性能和設備緊湊性。這些需求轉而要求實現更高級的電源拓撲、更低的總諧波失真、更快的瞬態響應、更高的控制環路頻率和更高的脈寬調制(PWM)頻率,而這些只有通過支持以下功能的實時控制器才能實現更復雜的PWM方案、高分辨率PWM、高模數轉換器(ADC)速度和高處理能力。

  C2000實時控制器產品組合不僅為儲能系統還為許多數字電源應用提供了這些優勢:
   ●可實現高效的最大功率點跟蹤、升壓、AC/DC、DC/DC和DC/AC子系統的低成本解決方案。
   ●能夠集成多個子系統的高端選擇,為混合逆變器提供了一條途徑。
   ●雙浮點內核(中央處理單元和控制律加速器)實現復雜的數字信號處理算法。
   ●一種與實時處理外設緊密耦合的設備架構,可提供確定的性能。
   ●內置的可配置邏輯塊,能夠提供擴展的保護和監控功能,從而消除了現場可編程門陣列/復雜的可編程邏輯器件。
   ●高速(最高200 Mbps)快速串行接口(FSI)可在功率級之間進行快速互連,無需進行隔離。
   ●模擬前端、16/12位ADC、比較器、數模轉換器和sigma-delta濾波器模塊簡化了隔離和非隔離的電流和電壓檢測。
   ●增強的PWM和捕獲模塊使配置功率級更具靈活性。

  表1列出具有C2000器件的參考設計,結合了AC/DC和DC/DC功率級的雙向實現以及先進而復雜的PWM方案。

儲能系統功能

參考設計名稱

PFC/變頻器

使用C2000 MCU的雙向高密度GaN CCM圖騰柱PFC

三電平、三相SiC AC-DC轉換器參考設計

直流/直流

雙向CLLLC諧振、雙有源電橋(DABHEV/EV車載充電器參考設計

適用于UPS2kW48V400V,效> 93%的隔離雙向DC/DC轉換器參考設計

表1:TI儲能系統參考設計

  儲能解決方案逐漸興起,電網基礎設施設計人員也正在投資以跟上競爭對手和市場步伐。雙向功率轉換模塊和混合逆變器解決方案可減少組件、模塊和子系統,并最終降低系統BOM成本。用于實時控制的C2000?器件專門為滿足設計人員的需求而設計,并有助于持續發展儲能市場。

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