电网现代化中的电力电子和储能

随着世界转向更多地使用可再生能源，日常家庭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，就这一转型中涉及的主要趋势和挑战所做的演讲，重点介绍电力电子和储能的作用。

电网储能

双向电能存储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。它可以有多种形式，如图1所示。多变的可再生能源像风能和太阳能一样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DER，即分布式能源)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，在几秒到几小时的范围内。泵送水力、压缩空气和热能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，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(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。大规模安装的例子包括加利福尼亚州埃斯孔迪多(Escondido, California)的AES 120MWh BESS和澳大利亚的Tesla 129MWh系统。图2显示了2003年至2020年以及2021年至2023年期间美国大规模电池容量的增加。这显示了独立存储系统和共同运行存储系统的加速增长。

图2：美国大规模增加电池储能(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着下降，但BESS的总成本还包括其他几个组件，例如电源转换系统，其中包括一个双向逆变器、一个提供安全和数据记录控制的能源管理系统以及容器、配电和HVAC/热管理等其他组件。

图3：BESS价格走势(来源：彭博新能源财经)

电力电子系统

电力电子系统(PES)在电网中提供两个关键功能：

• 在不同类型之间有效转换能量，例如，DC到AC

• 控制电能的流动

图4：电力电子系统在储能和配电中的作用

如图4所示，从能源生产、传输到分配都需要PES。

在美国电力办公室的变压器弹性和先进部件(TRAC)计划突出了能源生产和分配各个方面的未来路线图。其中一个方面涉及固态变电站(SSPS)。变电站内的SSPS电源转换器可以构建为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)突出了从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(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。电池单元电压由的化学成分决定。因此，将几个电池串联堆叠形成模块，然后可以将这些模块串联连接来形成一个电池组。然后可以将电池组并联以增加容量从而创建一个单独的系统。储能变流器(PCS)控制该系统并向直流链路提供电压。

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，直流链路电压设定了约束条件，因为它需要大于峰值交流电压并留有一定余量。虽然这种单级PCS很便宜，但它存在缺乏可扩展性的缺点。在串联的电池单元中，电池电压和电流会发生变化，并且会随着老化而变化。最弱的单元可能是一个系统的故障路径，并且可能成为可靠性瓶颈。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具有打破直流链路电压约束的优势。多级PCS的一些优点是：

• 第一级电压更高，可以利用更高电压的SiC器件和多级逆变器拓扑的优势

• 提高了的直流电压稳定性，允许减少直流链路电容器并延长使用寿命

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。

通常在每一段内使用多级逆变器。与传统的两级逆变器相比，它们具有多项优势，包括：

• 降低谐波失真

• 更低的开关损耗

• 较低PWM开关频率

• 提高额定功率

• 能够将额定电压较低的设备用于较高电压的应用

用于提高可靠性的模块化可以通过多种方式实现。图8显示了一个并行PCS。每个并联支路中的模块可以是热插拔的存储/转换器模块，并且每个支路中的电池参数不必完全匹配。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的限制。

图8：并行PCS

图9描绘了一个串联连接的PCS。这具有产生更高直流链路电压的优势，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

结论

基于SiC的电力电子技术正在帮助彻底的改变存储和电网分配系统，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阶段的磁性元件等无源元件方面。