【導讀】隨(sui)著(zhe)世(shi)界(jie)轉(zhuan)向(xiang)更(geng)多(duo)地(di)使(shi)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)，日(ri)常(chang)家(jia)庭(ting)使(shi)用(yong)的(de)這(zhe)種(zhong)能(neng)源(yuan)的(de)存(cun)儲(chu)和(he)轉(zhuan)換(huan)正(zheng)在(zai)發(fa)生(sheng)轉(zhuan)變(bian)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)
，我(wo)們(men)將(jiang)重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)桑(sang)迪(di)亞(ya)國(guo)家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)和(he)係(xi)統(tong)部(bu)門(men)的(de)高(gao)級(ji)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)Jacob Mueller，就這一轉型中涉及的主要趨勢和挑戰所做的演講，重點介紹電力電子和儲能的作用。

隨(sui)著(zhe)世(shi)界(jie)轉(zhuan)向(xiang)更(geng)多(duo)地(di)使(shi)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)，日(ri)常(chang)家(jia)庭(ting)使(shi)用(yong)的(de)這(zhe)種(zhong)能(neng)源(yuan)的(de)存(cun)儲(chu)和(he)轉(zhuan)換(huan)正(zheng)在(zai)發(fa)生(sheng)轉(zhuan)變(bian)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)桑(sang)迪(di)亞(ya)國(guo)家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)和(he)係(xi)統(tong)部(bu)門(men)的(de)高(gao)級(ji)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)Jacob Mueller，就這一轉型中涉及的主要趨勢和挑戰所做的演講，重點介紹電力電子和儲能的作用。

電網儲能

雙向電能存儲係統能夠吸收能量並將其存儲一段時間，然後再以電能的形式發送。它可以有多種形式，如圖1所示。多變的可再生能源像風能和太陽能一樣正在推動電池存儲係統的發展。在發電源頭使用較小電池的分布式方法(稱為DER
，即分布式能源)可以使電網更靈活可靠。目前的電池技術主要適用於短時儲能，在幾秒到幾小時的範圍內。泵送水力、壓縮空氣和熱能方法可提供數小時到一天的存儲，但通常會受到自然資源和地形的限製。如圖1所示，沒有針對季節性長期儲能的現成解決方案。

圖1：儲能技術與功率和放電時間的關係(來源：美國能源部，“Potential Benefits of High-Power, High-Capacity Batteries,”，2020年1月)

鋰離子電池儲能係統(BESS)在電池儲能技術中占據主導地位。大規模安裝的例子包括加利福尼亞州埃斯孔迪多(Escondido, California)的AES 120MWh BESS和澳大利亞的Tesla 129MWh係統。圖2顯示了2003年至2020年以及2021年至2023年期間美國大規模電池容量的增加。這顯示了獨立存儲係統和共同運行存儲係統的加速增長。

圖2：美國大規模增加電池儲能(來源：美國能源信息署
，“Battery Storage in the United States: An Update on Market Trends,”，2020年12月)

如圖3所示，雖然電池的價格正在顯著下降
，但BESS的總成本還包括其他幾個組件，例如電源轉換係統

，其中包括一個雙向逆變器、一個提供安全和數據記錄控製的能源管理係統以及容器、配電和HVAC/熱管理等其他組件。

圖3：BESS價格走勢(來源：彭博新能源財經)

電力電子係統

電力電子係統(PES)在電網中提供兩個關鍵功能：

• 在不同類型之間有效轉換能量，例如
  ，DC到AC

• 控製電能的流動

• 
  

圖4：電力電子係統在儲能和配電中的作用

如圖4所示
，從能源生產、傳輸到分配都需要PES。

在美國電力辦公室的變壓器彈性和先進部件(TRAC)計劃突出了能源生產和分配各個方麵的未來路線圖。其中一個方麵涉及固態變電站(SSPS)。變電站內的SSPS電源轉換器可以構建為電力電子構件的模塊化集合。可擴展性是一個關鍵的最終目標。SSPS路線圖(如圖5所示)突出了從SSPS 1.0到SSPS 3.0的功率密度增加趨勢。

圖5：2020 DOE/OE TRAC計劃固態變電站路線圖(來源：美國能源部2020 TRAC報告)

提(ti)高(gao)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)是(shi)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)最(zui)佳(jia)途(tu)徑(jing)之(zhi)一(yi)。電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)電(dian)壓(ya)由(you)的(de)化(hua)學(xue)成(cheng)分(fen)決(jue)定(ding)。因(yin)此(ci)

，將(jiang)幾(ji)個(ge)電(dian)池(chi)串(chuan)聯(lian)堆(dui)疊(die)形(xing)成(cheng)模(mo)塊(kuai)，然(ran)後(hou)可(ke)以(yi)將(jiang)這(zhe)些(xie)模(mo)塊(kuai)串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)來(lai)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)。然(ran)後(hou)可(ke)以(yi)將(jiang)電(dian)池(chi)組(zu)並(bing)聯(lian)以(yi)增(zeng)加(jia)容(rong)量(liang)從(cong)而(er)創(chuang)建(jian)一(yi)個(ge)單(dan)獨(du)的(de)係(xi)統(tong)。儲(chu)能(neng)變(bian)流(liu)器(qi)(PCS)控製該係統並向直流鏈路提供電壓。

傳統的PCS解決方案通常由單級逆變器組成，如圖6所示。

圖6：傳統的單級PCS

在這種情況下
，直流鏈路電壓設定了約束條件，因為它需要大於峰值交流電壓並留有一定餘量。雖然這種單級PCShenbianyi，dantacunzaiquefakekuozhanxingdequedian。zaichuanliandedianchidanyuanzhong，dianchidianyahedianliuhuifashengbianhua，bingqiehuisuizhelaohuaerbianhua。zuiruodedanyuankenengshiyigexitongdeguzhanglujing
，bingqiekenengchengweikekaoxingpingjing。yinci
，zhezhongjiandandedanjiPCS僅用於600V或更低的電壓。

如圖7所示，多級PCS具有打破直流鏈路電壓約束的優勢。多級PCS的一些優點是：

• 第一級電壓更高
  ，可以利用更高電壓的SiC器件和多級逆變器拓撲的優勢

• 提高了的直流電壓穩定性，允許減少直流鏈路電容器並延長使用壽命

• 
  

圖7：多級PCS

多級方法的一些缺點包括更高的成本，以及增加的功率轉換損耗。

通常在每一段內使用多級逆變器。與傳統的兩級逆變器相比，它們具有多項優勢，包括：

• 降低諧波失真

• 更低的開關損耗

• 較低PWM開關頻率

• 提高額定功率

• 能夠將額定電壓較低的設備用於較高電壓的應用

• 
  

用於提高可靠性的模塊化可以通過多種方式實現。圖8顯示了一個並行PCS。每個並聯支路中的模塊可以是熱插拔的存儲/轉換器模塊，並且每個支路中的電池參數不必完全匹配。這裏的可擴展性仍然受到每個DC/DC轉換器級內的電壓增益的限製。

圖8：並行PCS

圖9描繪了一個串聯連接的PCS。這具有產生更高直流鏈路電壓的優勢，能夠減少電纜的傳導損耗。這種架構對於DC/DC轉換器中即使是微小的增益也更寬容。

圖9：級聯的串聯PCS

結論

基於SiC的de電dian力li電dian子zi技ji術shu正zheng在zai幫bang助zhu徹che底di的de改gai變bian存cun儲chu和he電dian網wang分fen配pei係xi統tong
，使shi分fen布bu式shi可ke再zai生sheng能neng源yuan發fa電dian的de使shi用yong更geng加jia實shi用yong。關guan鍵jian的de瓶ping頸jing仍reng然ran存cun在zai
，特te別bie是shi在zai長chang期qi儲chu能neng、大容量鋰離子電池的製造以及進入PCS階段的磁性元件等無源元件方麵。

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