然而，太阳能面临的挑战之一是其间歇性。太阳并非总是普照，能源生产也可能不稳定。太阳能逆变器需要高效率和增强的性能，而与储能系统（ESS）的集成正是确保持续可靠能源供应的有效解决方案。随着技术的不断进步和成本的降低，具备储能功能的太阳能系统预计将得到更广泛的应用，从而为构建更可持续、更具韧性的能源未来铺平道路。本文将探讨在住宅和商业应用中，将储能系统与光伏系统集成所带来的优势、类型和拓扑结构。.

了解太阳能逆变器和储能系统的工作原理

太阳能逆变器是光伏系统的核心部件。它们将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，然后输送到电网。除了转换功能外，太阳能逆变器还负责管理能量流动、优化系统性能并确保安全。.

储能系统（ESS）储存能量以供后续使用，有助于平衡供需并提高电网可靠性。储能系统有多种类型，例如：

• 电池储能系统（BESS），例如锂离子电池，因其能量密度高、效率高且成本不断降低而被广泛应用。它们常见于电网储能和电动汽车中。
• 机械储能系统，例如抽水蓄能，是目前最成熟的大规模储能技术。这类储能系统利用位于不同海拔高度的两个水库之间的水流进行储能。它拥有最高的储能容量。
• 热能存储系统，例如“熔盐存储”，被用于太阳能热发电厂中，以存储热量并在需要时发电，尤其是在商业应用中用于短期存储。

在光伏系统中， 锂离子电池储能系统通常用于存储多余的太阳能电力，以确保在用电高峰期、夜间和阴天能够持续可靠地供电。

将储能与太阳能逆变器集成具有以下优势

将储能系统 (ESS) 与太阳能逆变器集成，可实现能源独立性和可靠性。通过存储多余的太阳能，用户可以减少对电网的依赖，即使在停电或太阳能发电量较低时也能确保稳定的电力供应。这使得用户能够在用电高峰期或电价较高时利用存储的太阳能，从而降低成本并最大限度地减少对电力基础设施的压力。此外，储能系统还有助于频率调节并优化电网整体性能。.

储能系统的细分

储能系统（ESS）分为两类：在线式（FTM）和后端式（BTM）。FTM通常与5兆瓦以上的大功率系统相关，而BTM则与几千瓦到5兆瓦的住宅和商业光伏系统相结合。.

太阳能逆变器的类型

组串式逆变器的工作原理是将太阳能电池板串联起来，形成一个链状结构。所有电池板产生的直流电被输送到一个逆变器，逆变器将其转换为交流电。它们广泛应用于住宅、商业和公用事业项目中。对于三相逆变器，通常使用1000至1500V直流电压的电池板，并配备升压转换器。组串式逆变器经济高效，易于安装和维护。但如果组串中的某个电池板被遮挡或运行功率低于额定值，则可能会对整个系统的性能产生负面影响。.

相比之下，微型逆变器设计为单独连接每个太阳能电池板，并将每个电池板产生的直流电转换为交流电。与串联的组串式逆变器不同，微型逆变器采用并联连接。因此，即使某个电池板被遮挡或未达到额定功率运行，也不会影响其他电池板的性能。微型逆变器的典型输出功率范围为 200 瓦至 1.5 千瓦，光伏阵列电压为 40 至 80 伏。这种类型的逆变器非常适合住宅系统，因为住宅系统中的电池板可以朝向不同的方向，而微型逆变器可以独立地最大限度地提高每个电池板的发电量，从而减轻遮挡或电池板方向偏差的影响。其主要缺点是初始成本较高。.

将储能系统 (ESS) 与光伏太阳能电池板集成，即可形成混合逆变器。这种逆变器可以双向工作：产生的直流电能可以直接转换为交流电，也可以在转换前先进行存储。混合逆变器通过管理太阳能电池板、电池和电网之间的电力流动，优化能源利用和存储，从而实现电池充电、并网或自用之间的优先级排序。.

储能集成系统

将储能系统与光伏系统集成有两种方法：交流耦合储能系统和直流耦合储能系统。交流耦合系统和直流耦合系统之间的根本区别在于太阳能电池板产生电力后，电力所经过的路径。.

在交流耦合系统中，光伏系统和储能系统通过各自的逆变器连接到交流电网。太阳能电池板产生直流电，太阳能逆变器将其转换为交流电。而储能系统通常配备自身的双向直流-直流转换器和逆变器，用于向交流电网进行充放电。.

相比之下，在直流耦合系统中，太阳能电池板和储能电池共用一个直流母线，主要使用单个逆变器将直流电转换为交流电，供电网或家庭使用。太阳能电池板可以直接为电池充电，需要时，储存的直流电则通过混合逆变器转换为交流电。.

组串式逆变器和储能系统的功率拓扑结构

多种功率拓扑结构可用于设计直流-直流转换器和直流-交流逆变器级。不同的拓扑结构各有优势，选择时需考虑功率、效率、成本和复杂度等因素。以下是一些最常见的拓扑结构：

在转换器的第一阶段，最大功率点跟踪器（MPPT）旨在通过单独优化阵列中每个太阳能电池板的性能，最大限度地提高光伏系统的能量输出。它会将电池板的输出电流调整到其最佳功率点，然后再将能量发送到逆变器。这种优化至关重要，因为太阳能电池板的功率输出会受到阳光强度、阴影、温度和电池板未对准等因素的影响。.

目前的趋势是将直流母线电压提高到 1000 V 或 1500 V，以减少系统能量损耗并允许串联更多光伏组件。通过将太阳能逆变器的最大直流电压提高到 1500 V 或更高，光伏电站的成本效益将得到提升。该阶段的典型拓扑结构包括交错式升压器、全桥移相键控 (PSFB) 和 LLC 变换器。.

第二级转换由双向DC-DC转换器组成。该级用于对电池进行充电或存储能量，并在需要时释放能量。典型的隔离式拓扑结构包括CLLC和DAB。.

逆变器的功率级将直流母线电压转换为并网交流电压。常见的拓扑结构包括B6和两电平H桥，以及三电平ANPC和HERIC。多电平逆变器拓扑结构在中高功率应用中已变得非常流行。使用三电平逆变器拓扑结构的优势如下：

1. 功耗降低，这意味着所需的散热器尺寸更小；
2. 降低电压纹波，使滤波更容易，因为谐波含量更低；
3. 显著降低传导电磁干扰。.

DC-DC拓扑结构

在400V直流链路配置中，建议采用零电压开关（ZVS）PSFB拓扑结构，并使用650V SiC MOSFET作为半导体器件Q1至Q4，以实现高效率和高功率密度。这些半导体器件采用相移控制技术，使其在两端电压为零时导通。这显著降低了开关损耗和电磁干扰（EMI），以及半导体器件上的电压应力。此外，初级侧的D1和D2应选用650V SiC二极管。对于800V直流链路配置，应选择1200V SiC二极管和MOSFET。次级侧的Q5至Q8开关的选择取决于电池电压。例如，家用储能系统通常使用48V电池，而商用系统则更倾向于使用400V电池。.

CLLC变换器是双向DC-DC变换器中最常见的拓扑结构之一。它采用两个电感器（L）和两个电容器（C）组成并联谐振电路。这种结构通常类似于“LLC”电路，在初级和次级都具有反射特性。开关Q1至Q4采用SiC MOSFET，而Q5至Q8则采用Si MOSFET。CLLC设计实现了初级侧半导体器件的零电流开关（ZC），从而有助于降低开关损耗并提高效率。它还可以实现次级侧的零电流开关（ZCS），通过最大限度地减少关断期间的开关损耗来进一步提高效率。CLLC变换器需要精确控制才能有效地管理谐振频率和开关顺序。.

DAB转换器由初级侧和次级侧的两个有源全桥电路组成，并通过高频变压器连接。与CLLC拓扑结构类似，两个桥都具有有源开关，允许双向功率流动。通常，开关Q1至Q4采用SiC MOSFET，开关Q5至Q8采用Si MOSFET。DAB转换器需要先进的控制算法来精确管理桥之间的相位差。.

逆变器拓扑结构（直流-交流）

有源固定中点 (ANPC) 拓扑是一种先进的逆变器配置。它在传统的固定中点 (NPC) 拓扑基础上增加了有源开关，从而有助于降低导通损耗和开关损耗。ANPC 逆变器可以产生三个电压等级，降低每个元件上的电压应力，进而实现更稳定的交流输出和更低的总谐波失真。开关 Q1 至 Q4 工作在工频，而 Q5 和 Q6 的调制频率为 50 kHz 或更高。在 ANPC 逆变器中，所有功率开关的额定击穿电压均可达到 600 或 650 V。使用 SiC MOSFET 作为开关 Q5 和 Q6 可以提高效率和功率密度。ANPC 逆变器需要先进的控制算法。与 H 桥等拓扑相比，这种拓扑的设计和控制更为复杂。.

H桥拓扑结构因其简单、高效和通用性而广受欢迎，它由四个开关元件组成。对于快速开关线路，Q3和Q4通常使用650V SiC MOSFET或GaN HEMT，而Q1和Q2则更适合使用带有快速体二极管的Si MOSFET（SJ MOSFET）。这种两电平工作模式的主要缺点是需要使用相对较大的输出滤波器，因为它会在直流电容自由流动期间回收能量。.

高效可靠逆变器概念（HERIC）拓扑结构以其高效率和卓越的直流-交流转换性能而著称。在该配置中，在传统的H桥逆变器基础上增加了两个反并联开关Q5和Q6，用于在无发电时断开光伏组件的交流侧。该拓扑结构由六个半导体器件组成，其中H桥内的四个器件（Q1至Q4）以高频开关，两个外部器件以电网频率开关。半导体器件Q5和Q6允许电流在H桥逆变器输出电压为零时沿最短路径流动。HERIC逆变器的主要优势在于，在所有工作模式下，仅需两个开关同时工作。.

宽带器件（WBG）为双向DC-DC转换器和DC-AC逆变器拓扑结构带来了显著优势。SiC和GaN器件具有极低的开关能量和可忽略不计甚至为零的反向恢复电荷（Qrr），从而降低了开关损耗和反向恢复损耗。.

结论

将储能系统与光伏系统集成，代表着我们在利用太阳能方面取得的重大进步。提供可靠稳定的电源，可以降低对电网的依赖，并最大限度地利用太阳能。这些系统具有诸多经济和环境效益。SiC 和 GaN 器件能够实现同步整流拓扑的双向电流，从而实现高效率和高功率密度。艾睿电子始终致力于提高能源效率，我们希望通过展示选择 650V、1200V 和 2200V SiC 器件的显著优势，以及相应的评估板，为这一讨论做出贡献。这些评估板能够简化设计流程，缩短产品上市时间。.

奥玛拉·阿齐兹 -艾睿电子全球电源技术部门负责人