雙向電源的應(yīng)用：從電動汽車充電到電網(wǎng)穩(wěn)定

圖 1：雙向電源的應(yīng)用（來源：RECOM）

隨著世界逐漸從使用化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源，電網(wǎng)也在隨之不斷變化以跟上這一趨勢。大型煤炭、天然氣或核電站以壟斷的方式向消費(fèi)者供電的傳統(tǒng)方式正在逐漸被智能電網(wǎng)所取代，這種電網(wǎng)將公共和私人供應(yīng)商提供的傳統(tǒng)能源和可再生能源相結(jié)合。為了確保各個智能電網(wǎng)元件之間電力的有效傳輸，對雙向電源的需求也相應(yīng)增加。本博客將探討雙向電源及其應(yīng)用以及 RECOM 如何幫助客戶滿足這些新需求。

電網(wǎng)正在發(fā)生變化

傳統(tǒng)電網(wǎng)的建立時間可以追溯到 1935 年。當(dāng)時的特點(diǎn)是單向流動：電力從發(fā)電站通過配電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较M(fèi)者。發(fā)電能力相對穩(wěn)定，幾乎沒有多余的能力來滿足突然激增的需求。

因此，由于傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)難以應(yīng)對快速的負(fù)載變化，經(jīng)常會出現(xiàn)電力不穩(wěn)定的情況。對舊式機(jī)電控制技術(shù)的依賴幾乎無法提供控制能力或有關(guān)使用模式的最新信息。單向電力流動使得利用風(fēng)能或太陽能等可再生能源獲益變得困難。

市電公司正在積極致力于升級電網(wǎng)。智能電網(wǎng)旨在提供實(shí)時監(jiān)控和控制，整合風(fēng)能和太陽能資源，并平衡能源供應(yīng)和負(fù)載需求。

能量存儲：實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源拼圖中缺失的關(guān)鍵一塊

增加風(fēng)能和太陽能發(fā)電的比例也增加了發(fā)電能力的不確定性。風(fēng)能和太陽能的能量供應(yīng)變化難以預(yù)測，因此可再生能源產(chǎn)生的電力比化石燃料和核電站產(chǎn)生的電力更加不穩(wěn)定。典型的太陽能裝置在一年內(nèi)提供的電力通常不到理論上最大可能輸出量的 25％，這個比例被稱為容量系數(shù)，簡稱CF。對于風(fēng)機(jī)來說，這一比例不到 40%。相比之下，核電站的 CF 超過 90%。此外，可再生能源的能量供應(yīng)無法大幅增加來滿足每分鐘的電力需求。

能量存儲則提供了一種平衡供需的方法。當(dāng)供不應(yīng)求時，存儲系統(tǒng)提供穩(wěn)定電網(wǎng)所需的額外電力，避免電壓不足或停電。當(dāng)供大于求時，多余的電力用于給儲能系統(tǒng)充電，以備將來之需。

能量存儲與可再生能源

圖 2：ESS 功能塊（來源：SAFT 電池）

抽水蓄能水電是目前應(yīng)用最廣泛的儲能系統(tǒng) (ESS) 技術(shù)，但基于電池的儲能技術(shù)由于其可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢，正逐漸成為一種更受歡迎的選擇。

圖 2 顯示了使用電池儲存能量的電網(wǎng)規(guī)模 ESS 中的主要功能塊。雙向電源可將交流電從電網(wǎng)傳輸至儲能系統(tǒng)，反之亦然。來自電網(wǎng)的交流電被轉(zhuǎn)換成直流電提供給電池，為儲能系統(tǒng)充電；當(dāng)儲能系統(tǒng)幫助穩(wěn)定電網(wǎng)時，直流電被轉(zhuǎn)換成交流電并反饋回電網(wǎng)。

大多數(shù)情況下，ESS 與可再生能源結(jié)合使用。在這種情況下，來自風(fēng)機(jī)（交流源）或光伏陣列（直流源）的綠色能源可以根據(jù)需要引導(dǎo)至電池陣列或返回電網(wǎng)。安裝在商業(yè)或住宅建筑上的太陽能電池板也可以向 ESS 供電或向電網(wǎng)供電。

所有這些能量流都需要加以控制、協(xié)調(diào)和監(jiān)控。RECOM 可以提供許多低功耗高隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（隔離電壓高達(dá) 20 kVDC），用于電池管理系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)以及構(gòu)建可靠安全的電池儲能系統(tǒng)所需的各種電壓、電流、溫度、火災(zāi)和壓力傳感器。

電動汽車充電

電動汽車是雙向電源另一個日益增長的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著純電池電動汽車的市場份額不斷增加，每輛車配備的電池容量也在增加。消費(fèi)者對更大容量電池的充電效率也抱有更高期望。這一需求促使各大廠商將電池工作電壓從 400 V 增加到 800 V，尤其是在高性能車輛中開始應(yīng)用。

配備足夠電池容量的電動汽車可以充當(dāng)儲能系統(tǒng) (ESS)，從而實(shí)現(xiàn)多種用途：車到戶 (V2H) 發(fā)電、車到網(wǎng) (V2G) 回饋、車到車 (V2V) 充電或啟動另一輛電動汽車。

目前電動汽車充電站和電動汽車車載充電器 (OBC) 大多是單向系統(tǒng)，但這些新的用例正在推動充電基礎(chǔ)設(shè)施向雙向系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

電動汽車和電動汽車充電站需要雙向電源的場景包括：

·        電動汽車向電網(wǎng)或家庭微電網(wǎng)回饋電力。

·        電動汽車充電站根據(jù)相對電價通過電網(wǎng)或儲能系統(tǒng)為電動汽車供電。

·        EV charging station recharging an onsite battery installation.

·        電動汽車充電站為現(xiàn)場電池裝置充電。

單向與雙向電源架構(gòu)

與等效單向電源相比，雙向電源需要采用不同的設(shè)計方法。一種為實(shí)現(xiàn)高效率而設(shè)計的單向 AC-DC 電源采用寬帶隙 (WBG) SiC 或 GaN 功率器件，并帶有圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 前端來驅(qū)動 DC-DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。

圖 3：雙向電源的功能塊（來源：RECOM）

雖然圖騰柱 PFC 拓?fù)涫请p向結(jié)構(gòu)，但諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器不是。對于雙向應(yīng)用，DC-DC 級首選雙向 CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器，它在充電和放電模式下兼具高效率與寬輸出電壓范圍。CLLC 采用軟開關(guān)以最大限度提高效率：初級側(cè)采用零電壓開關(guān) (ZVS)，次級側(cè)采用 ZVS 結(jié)合零電流開關(guān) (ZCS)。SiC 晶體管正迅速成為此類高功率應(yīng)用中的主導(dǎo)技術(shù)。

圖 3 顯示了三相充電應(yīng)用的雙向功率級示例。這種設(shè)計需要使用 14 個功率晶體管。這是一種隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此功率晶體管與隔離型柵極驅(qū)動器和隔離型 DC/DC 電源配合使用。

RECOM 的雙向電源資源

RECOM 以成熟的平臺設(shè)計為依托，推出了高可靠性定制電池充電器、調(diào)節(jié)器和雙向逆變器，可實(shí)現(xiàn)額定功率高達(dá) 30 kW 的三相交流電源，通過多個并聯(lián)單元還可以實(shí)現(xiàn)更高的功率。

通過我們的子公司 PCS，還可以調(diào)用 RECOM 豐富的平臺設(shè)計庫。PCS 公司可以快速交付大功率和全定制解決方案。這些經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計通?？梢暂p松針對其他應(yīng)用進(jìn)行改造，而不一定產(chǎn)生大量的開發(fā)或認(rèn)證成本。

結(jié)論

智能電網(wǎng)的出現(xiàn)和可再生能源的興起，導(dǎo)致雙向電源的需求增加，該雙向電源能夠在能量源、能量消費(fèi)者和能量存儲系統(tǒng)之間傳輸交流或直流電力。RECOM 參與了智能電網(wǎng)的各個方面，從用于隔離電池管理系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)控制器的低功率 DC/DC 逆變器，到用于為智能電表、電動汽車充電器和光伏逆變器供電的低待機(jī)功耗 AC/DC 模塊，再到用于離網(wǎng)、ESS 和其他應(yīng)用的千瓦級轉(zhuǎn)換器。準(zhǔn)備好開始你的下一個設(shè)計了嗎？請立即聯(lián)系我們。