圖 1：雙向電源的應(yīng)用（來(lái)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(shì),。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(gè)智能電網(wǎng)元件之間電力的有效傳輸,，對(duì)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(shí)間可以追溯到 1935 年,。當(dāng)時(shí)的特點(diǎn)是單向流動(dòng)：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(duì)穩(wěn)定，幾乎沒有多余的能力來(lái)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(duì)快速的負(fù)載變化，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電力不穩(wěn)定的情況,。對(duì)舊式機(jī)電控制技術(shù)的依賴幾乎無(wú)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(dòng)使得利用風(fēng)能或太陽(yáng)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(jí)電網(wǎng),。智能電網(wǎng)旨在提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制,，整合風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，并平衡能源供應(yīng)和負(fù)載需求,。
能量存儲(chǔ)：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(yáng)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(yáng)能的能量供應(yīng)變化難以預(yù)測(cè)，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(yáng)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(gè)比例被稱為容量系數(shù),，簡(jiǎn)稱CF。對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)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(wú)法大幅增加來(lái)滿足每分鐘的電力需求。
能量存儲(chǔ)則提供了一種平衡供需的方法,。當(dāng)供不應(yīng)求時(shí),，存儲(chǔ)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(shí),，多余的電力用于給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，以備將來(lái)之需,。
能量存儲(chǔ)與可再生能源
圖 2：ESS 功能塊（來(lái)源：SAFT 電池）
抽水蓄能水電是目前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 技術(shù),，但基于電池的儲(chǔ)能技術(shù)由于其可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為一種更受歡迎的選擇,。
圖 2 顯示了使用電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，反之亦然,。來(lái)自電網(wǎng)的交流電被轉(zhuǎn)換成直流電提供給電池，為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電,；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)幫助穩(wěn)定電網(wǎng)時(shí),，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(lái)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(yáng)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(chǔ)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(dòng)汽車充電
電動(dòng)汽車是雙向電源另一個(gè)日益增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域,。隨著純電池電動(dòng)汽車的市場(chǎng)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(duì)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(dòng)汽車可以充當(dāng)儲(chǔ)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(dòng)另一輛電動(dòng)汽車,。
目前電動(dòng)汽車充電站和電動(dòng)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(dòng)充電基礎(chǔ)設(shè)施向雙向系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。
電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車充電站需要雙向電源的場(chǎng)景包括：
· 電動(dòng)汽車向電網(wǎng)或家庭微電網(wǎng)回饋電力,。
· 電動(dòng)汽車充電站根據(jù)相對(duì)電價(jià)通過電網(wǎng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)為電動(dòng)汽車供電,。
· EV charging station recharging an onsite battery installation.
· 電動(dòng)汽車充電站為現(xiàn)場(chǎng)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(jì)方法,。一種為實(shí)現(xiàn)高效率而設(shè)計(jì)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(lái)驅(qū)動(dòng) 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(lái)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(duì)于雙向應(yīng)用,，DC-DC 級(jí)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(jí)側(cè)采用零電壓開關(guān) (ZVS),，次級(jí)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(jí)示例,。這種設(shè)計(jì)需要使用 14 個(gè)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(dòng)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(tái)設(shè)計(jì)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(gè)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(tái)設(shè)計(jì)庫(kù)。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(jì)通?？梢暂p松針對(duì)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(chǔ)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(gè)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(dòng)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(jí)轉(zhuǎn)換器,。準(zhǔn)備好開始你的下一個(gè)設(shè)計(jì)了嗎,？請(qǐng)立即聯(lián)系我們。
