双向电源的应用：从电动汽车充电到电网稳定
2024-8-9
随着世界逐渐从使用化石燃料转向可再生能源，电网也在随之不断变化以跟上这一趋势。大型煤炭、天然气或核电站以垄断的方式向消费者供电的传统方式正在逐渐被智能电网所取代，这种电网将公共和私人供应商提供的传统能源和可再生能源相结合。为了确保各个智能电网元件之间电力的有效传输，对双向电源的需求也相应增加。本博客将探讨双向电源及其应用以及 RECOM 如何帮助客户满足这些新需求。
电网正在发生变化
传统电网的建立时间可以追溯到 1935 年。当时的特点是单向流动：电力从发电站通过配电网络传输到消费者。发电能力相对稳定，几乎没有多余的能力来满足突然激增的需求。
因此，由于传统电网系统难以应对快速的负载变化，经常会出现电力不稳定的情况。对旧式机电控制技术的依赖几乎无法提供控制能力或有关使用模式的最新信息。单向电力流动使得利用风能或太阳能等可再生能源获益变得困难。
市电公司正在积极致力于升级电网。智能电网旨在提供实时监控和控制，整合风能和太阳能资源，并平衡能源供应和负载需求。
因此，由于传统电网系统难以应对快速的负载变化，经常会出现电力不稳定的情况。对旧式机电控制技术的依赖几乎无法提供控制能力或有关使用模式的最新信息。单向电力流动使得利用风能或太阳能等可再生能源获益变得困难。
市电公司正在积极致力于升级电网。智能电网旨在提供实时监控和控制，整合风能和太阳能资源，并平衡能源供应和负载需求。
能量存储：实现可持续能源拼图中缺失的关键一块
增加风能和太阳能发电的比例也增加了发电能力的不确定性。风能和太阳能的能量供应变化难以预测，因此可再生能源产生的电力比化石燃料和核电站产生的电力更加不稳定。典型的太阳能装置在一年内提供的电力通常不到理论上最大可能输出量的 25％，这个比例被称为容量系数，简称CF。对于风机来说，这一比例不到 40%。相比之下，核电站的 CF 超过 90%。此外，可再生能源的能量供应无法大幅增加来满足每分钟的电力需求。
能量存储 则提供了一种平衡供需的方法。当供不应求时，存储系统提供稳定电网所需的额外电力，避免电压不足或停电。当供大于求时，多余的电力用于给储能系统充电，以备将来之需。
能量存储 则提供了一种平衡供需的方法。当供不应求时，存储系统提供稳定电网所需的额外电力，避免电压不足或停电。当供大于求时，多余的电力用于给储能系统充电，以备将来之需。
能量存储与可再生能源
抽水蓄能水电是目前应用最广泛的储能系统 (ESS) 技术，但基于电池的储能技术由于其可扩展性强的优势，正逐渐成为一种更受欢迎的选择。
图 2：ESS 功能块（来源：SAFT 电池）
图 2 显示了使用电池储存能量的电网规模 ESS 中的主要功能块。双向电源可将交流电从电网传输至储能系统，反之亦然。来自电网的交流电被转换成直流电提供给电池，为储能系统充电；当储能系统帮助稳定电网时，直流电被转换成交流电并反馈回电网。
大多数情况下，ESS 与可再生能源结合使用。在这种情况下，来自风机（交流源）或光伏阵列（直流源）的绿色能源可以根据需要引导至电池阵列或返回电网。安装在商业或住宅建筑上的太阳能电池板也可以向 ESS 供电或向电网供电。
所有这些能量流都需要加以控制、协调和监控。RECOM 可以提供许多低功耗高隔离 DC/DC 转换器（隔离电压高达 20 kVDC），用于电池管理系统、通信网络以及构建可靠安全的电池储能系统所需的各种电压、电流、温度、火灾和压力传感器。
图 2：ESS 功能块（来源：SAFT 电池）
图 2 显示了使用电池储存能量的电网规模 ESS 中的主要功能块。双向电源可将交流电从电网传输至储能系统，反之亦然。来自电网的交流电被转换成直流电提供给电池，为储能系统充电；当储能系统帮助稳定电网时，直流电被转换成交流电并反馈回电网。
大多数情况下，ESS 与可再生能源结合使用。在这种情况下，来自风机（交流源）或光伏阵列（直流源）的绿色能源可以根据需要引导至电池阵列或返回电网。安装在商业或住宅建筑上的太阳能电池板也可以向 ESS 供电或向电网供电。
所有这些能量流都需要加以控制、协调和监控。RECOM 可以提供许多低功耗高隔离 DC/DC 转换器（隔离电压高达 20 kVDC），用于电池管理系统、通信网络以及构建可靠安全的电池储能系统所需的各种电压、电流、温度、火灾和压力传感器。
电动汽车充电
电动汽车是双向电源另一个日益增长的应用领域。随着纯电池电动汽车的市场份额不断增加，每辆车配备的电池容量也在增加。消费者对更大容量电池的充电效率也抱有更高期望。这一需求促使各大厂商将电池工作电压从 400 V 增加到 800 V，尤其是在高性能车辆中开始应用。
配备足够电池容量的电动汽车可以充当储能系统 (ESS)，从而实现多种用途：车到户 (V2H) 发电、车到网 (V2G) 回馈、车到车 (V2V) 充电或启动另一辆电动汽车。目前电动汽车充电站 和电动汽车车载充电器 (OBC) 大多是单向系统，但这些新的用例正在推动充电基础设施向双向系统转变。
电动汽车和电动汽车充电站需要双向电源的场景包括：
配备足够电池容量的电动汽车可以充当储能系统 (ESS)，从而实现多种用途：车到户 (V2H) 发电、车到网 (V2G) 回馈、车到车 (V2V) 充电或启动另一辆电动汽车。目前电动汽车充电站 和电动汽车车载充电器 (OBC) 大多是单向系统，但这些新的用例正在推动充电基础设施向双向系统转变。
电动汽车和电动汽车充电站需要双向电源的场景包括：
- 电动汽车向电网或家庭微电网回馈电力。
- 电动汽车充电站根据相对电价通过电网或储能系统为电动汽车供电。
- 电动汽车充电站为现场电池装置充电。
单向与双向电源架构
与等效单向电源相比，双向电源 需要采用不同的设计方法。一种为实现高效率而设计的单向 AC-DC 电源采用宽带隙 (WBG) SiC 或 GaN 功率器件，并带有图腾柱功率因数校正 (PFC) 前端来驱动 DC-DC 拓扑结构，例如 LLC 谐振转换器。
虽然图腾柱 PFC 拓扑是双向结构，但谐振 LLC 转换器不是。对于双向应用，DC-DC 级首选双向 CLLC 谐振转换器，它在充电和放电模式下兼具高效率与宽输出电压范围。CLLC 采用软开关以最大限度提高效率：初级侧采用零电压开关 (ZVS)，次级侧采用 ZVS 结合零电流开关 (ZCS)。SiC 晶体管正迅速成为此类高功率应用中的主导技术。
图 3 显示了三相充电应用的双向功率级示例。这种设计需要使用 14 个功率晶体管。这是一种隔离拓扑结构，因此功率晶体管与隔离型栅极驱动器和隔离型 DC/DC 电源配合使用。
虽然图腾柱 PFC 拓扑是双向结构，但谐振 LLC 转换器不是。对于双向应用，DC-DC 级首选双向 CLLC 谐振转换器，它在充电和放电模式下兼具高效率与宽输出电压范围。CLLC 采用软开关以最大限度提高效率：初级侧采用零电压开关 (ZVS)，次级侧采用 ZVS 结合零电流开关 (ZCS)。SiC 晶体管正迅速成为此类高功率应用中的主导技术。
图 3 显示了三相充电应用的双向功率级示例。这种设计需要使用 14 个功率晶体管。这是一种隔离拓扑结构，因此功率晶体管与隔离型栅极驱动器和隔离型 DC/DC 电源配合使用。