如何将太阳能输送到电池中？储能系统为你揭秘

作者： Adam Kimmel

太阳能技术正在蓬勃发展，其发电量年年都有增长。然而，如何才能让电能从源头转移到储能系统（ESS）中，然后再输送至负载？这个过程就是电力输送。就概念而言，这一过程十分简单，然而实施起来却非常复杂，毕竟电能的多少和能源的一致性随时会发生难以预测的变化，系统功率水平也并非一成不变。

可利用的太阳能是十分珍贵的。仅仅将能量储存到电池中，再通过逆变器输送至负载，这是远远不够的。首先，收集电能的效率一定要足够高；然后，还要通过高品质的控制器，将电能输送至储能子系统。本文将对电力输送进行概述，并提出一些流行的ESS方法。

1. 储能系统

ESS包含三大主要组成部分（图1）：

能源和储能装置之间的路径；储能装置通常为电池储能系统 (BESS)，但也可能采用其他形式

储能装置及其管理

储能装置与负载（即终端用户或电网）之间的DC/AC逆变器

图1：电池可接收并蓄存来自各种来源的电能，并通过DC/AC逆变器将其作为电源输送给负载使用（图源：贸泽电子）

ESS可蓄存能源，并根据需要将其作为电源输送给负载使用。而太阳能是一种只能间歇供应的能源。这样的特性使得住宅和企业等应用的关键——电力弹性成为一项重大挑战。作为缓解可再生能源间歇性问题的重要媒介，储能系统应运而生。

由于电动汽车（EV）对先进化学电池需求的急速增长，电池正成为储能领域的出色解决方案。能源与负载之间的储能电池及其管理系统必须对收集到的能量进行调节，以满足供电需求。

2. 容量驱动的架构

能源与应用负载之间存在各种各样的组合，因而并不存在一种可提供优秀性能的架构。此外，基于太阳能的光伏（PV）设备根据功率大小，适用于各种细分市场。

就太阳能而言，一种常用的市场细分方式共包含三大块：

家用：功率不超过10kW的私人空间
商用：需要高达5MW功率的办公楼和工厂
公用事业：安装在野外，功率超过5MW

3. 扩大太阳能发电规模要考虑的因素

太阳能电池板由多个单独的光伏电池组成，每个光伏电池都可以产生一位数的电压输出。系统设计人员将这些电池板串联起来后，就可以尽可能提高架构的效率，并实现所需的功率。因此，太阳能发电系统的规模能够更准确地对应到针对具体应用的功率。

下文将重点介绍用于住宅或小型商用装置的光伏BESS，因为这是消费者熟知的常见应用。

4. 太阳能如何为电池充电

电池储能的一大便利优势在于它既可以单独使用，也可以并入电网，作为备用电源或用电高峰期的支持电源（图2）。

图2：根据需要为本地负载和电网供电的一套完整太阳能储能系统所需关键功能的框图（图源：英飞凌）

光伏电池板与蓄电池之间的电气接口是具有降压、升压或降压/升压特性的DC/DC转换器。设计人员选择的转换器类型取决于对光伏输出的相对最大电压与电池阵列的最大电压之间进行比较的结果。

然而，从太阳能电池板中输送电源的理想方式是利用充电控制器，如Phoenix Contact AXC F 2152 PLCnext控制器。这款充电控制器可将光伏电池输出中的最大功率首先传输给DC/DC转换器，然后在最大功率点（MPP）时再传输给储能电池，此时电源功率与负载相匹配。AXC F 2152控制器非常适合用于太阳能应用，因为它能在恶劣的环境中实现出色的性能。

太阳能电池产生的电流与它所接受到的阳光量成正比，而其开路电压保持相对恒定。每条曲线拐点处的功率输出达到极值，此时电池从恒定电压器件转换为恒定电流器件，如图3的功率曲线所示。

图3：当电池从恒定电压器件转换为恒定电流器件时，太阳能电池板的功率输出最大（图源：Analog Devices）

MPP是光伏电池板/太阳能特性和环境温度的函数。当阳光强度无法支持充电器的全功率要求时，采用高效设计的充电器可以将太阳能电池板的输出电压调整至最大功率点。这一功能可在转换过程获取更多的功率输出，从而提升能源效率。

因此，如要在使用过程中从光伏电池板获取尽可能大的功率输出，工程师应监测MPP和电池板负载，从而控制转换器并动态优化功率输出（图4）。这种行为称为最大功率点追踪或MPPT。

图4：基本的MPP管理（此处用于铅酸电池）需要根据情况调整DC-DC转换器，
因为电池板看到的负载取决于电池板的输出（图源：ResearchGate）

MPPT需要在充电控制器中设置策略或算法来确定MPP，再对其进行追踪。工程师可采用两种方法来追踪最大功率：恒定电池板电压法和扰动观测法。

恒定电池板电压法

最直接的追踪方法，就是将电池板电压设置为电池数据手册提供的电池开路电压（VOC）所确定的恒定电压水平。设计工程师在刚好低于VOC的某个固定电压下，估算电池板在最大功率时的电压（VMP）。为简化这种方法，设计团队视VMP时的温度系数等于VOC时的温度系数，并视其在预期温度范围内呈线性。通过这些近似值，可实现用一个简单的温度补偿电阻将电池板电压设定为VMP。

扰动观测法（P&O）

恒定电池板电压法有其不足之处：当条件发生变化时，例如云量不断变化和光伏元件正常磨损时，该方法就无法继续提供很大效率。

另一种能够适应MPPT追踪条件的更高级方法称为“扰动观测法”（P&O）。P&O MPPT评估功率变化与电压变化的斜率（ΔP/ΔV），该斜率在MPP左边为正，MPP右边为负，局部极大值时为零，该点即表示理想电压。动态MPPT算法通过有意在正常值上下轻微“扰动”电池板负载，然后再观察输出中的变化（无论是好的变化还是坏的变化），从而映射MPP中的任何变化。

控制器中嵌入的MPPT算法可在从电池中收集电能并传输至输出的过程中实现尽可能高的效率，不受辐射、尘污和温度等环境条件变化的影响。控制器一旦完成启动模式，就会开始执行MPPT模式，以搜索最大功率点。图5表示了脉宽调制（PWM）信号占空比如何变化以找到曲线中的零斜率点。

图5：MPPT法评估光伏电池板正常工作点周围的功率变化斜率与电压变化特性（图源：SN Applied Sciences）

5. 取出电能

将能量输入到电池仅仅是BESS挑战的一部分。该系统旨在将蓄入电池的电能传输到负载，通常情况下需要采用120/240VAC线路为设备和系统供电。

输出功能需要DC/AC逆变器，该逆变器将电池的直流输出转换成与线路兼容的交流电。就像电源和电池之间的电子器件一样，该逆变器并不是“统一规格”的装置。工程师必须要考虑逆变器的拓扑和设计，以及诸多设计挑战和取舍点。尽管没有正式的定义，但专家经常将逆变器分成三个功率与特性类别：低功率、中功率和高功率。

微型逆变器（低功率）

低功率微型逆变器的额定功率介于50W至400W之间，在每个太阳能电池板中集成有单独的逆变器和MPP追踪器，比串联逆变器更高效。需要的直流布线非常少，但需要大量交流布线。因此，这种逆变器仅适合小型系统。

串联逆变器（中功率）

串联逆变器是一种中功率配置，功率范围介于1kW至20kW之间。此方法中，太阳能电池板与多个逆变器串联，通常每串对应一个电池板。该方法具有高效率，因为每组串联逆变器都能以极大功率点独立工作。

中央逆变器（高功率）

中央逆变器属于高功率配置，功率达20kW及以上。这种方法将多组串联逆变器并联，一组太阳能电池板仅使用一个逆变器。由于各组串联逆变器的电压不同，工程师会添加特殊二极管，将电池板驱动至极大功率。然而，二极管存在固有损耗，致使效率降低。因此，中央逆变器可能无法让所有太阳能电池板都达到极大功率点。

6. 结 语

可再生能源在诸如间歇性电源和电力输送架构等领域为电源控制带来了新的机会。通过简单的控制器将太阳能电池板连接到电池，并将电池用于供电，这样的做法可能偶尔会奏效，但也会存在性能缺陷、安全问题和效率问题。

相反，在能源-储能-电池管理路径上选用适当的控制器和DC/DC拓扑，会得到更好的效果。工程师应优化所选的DC/DC逆变器，确保性能效率、一致性、长寿命以及弹性。