作者@@： Adam Kimmel，文章来源@@： 贸泽电子@@@@微信公众号@@@@
太阳能@@技术@@正在蓬勃发展@@，其发电量年年都有增长@@。然而@@，如@@何才能让电能从源头转移到储能@@系统@@@@（ESS）中@@，然后@@再输送至@@负载@@？这个过程就是电力输送@@。就概念而言@@，这一过程十分简单@@，然而@@实施起来却非常复杂@@，毕竟电能的多少和能源的一致性@@随时会发生难以预测的变化@@，系统功率水平也并非一成不变@@。
可利用的太阳能@@是十分珍贵的@@。仅仅将能量储存到电池@@中@@@@，再通过逆变器@@输送至@@负载@@，这是远远不够的@@。首先@@，收集电能的效率一定要足够高@@；然后@@，还要通过高品质的控制器@@@@，将电能输送至@@储能@@子系统@@。本文将对电力输送进行概述@@，并提出一些流行的@@ESS方法@@。
1. 储能@@系统@@
ESS包含三大主要组成部分@@（图@@1）：
能源和储能@@装置之间@@的@@路径@@；储能@@装置通常为电池@@储能@@系统@@@@ (BESS)，但也可能采用其他形式@@
储能@@装置及其管理@@@@
储能@@装置与负载@@（即终端用户或@@电网@@@@）之间@@的@@DC/AC逆变器@@
图@@1：电池@@可接收并蓄存来自各种来源的电能@@，并通过@@DC/AC逆变器@@将其作为电源输送给负载使用@@（图@@源@@：贸泽电子@@@@）
ESS可蓄存能源@@，并根据需要将其作为电源输送给负载使用@@。而太阳能@@是一种只能间歇供应的能源@@。这样的特性使得住宅和企业等应用的关键@@——电力弹性成为一项重大挑战@@。作为缓解可再生能源间歇性问题的重要媒介@@，储能@@系统@@应运而生@@。
由于电动汽车@@（EV）对先进化学电池@@需求的急速增长@@，电池@@正成为储能@@领域的出色解决方案@@。能源与负载之间@@的@@储能@@电池@@及其管理@@系统必须对收集到的能量进行调节@@，以满足供电需求@@。
2. 容量驱动的架构@@
能源与应用负载之间@@存在各种各样的组合@@，因而并不存在一种可提供优秀性能的架构@@。此外@@，基于太阳能@@的光伏@@（PV）设备@@根据功率大小@@，适用于各种细分市场@@。
就太阳能@@而言@@，一种常用的市场细分方式共包含三大块@@：
家用@@：功率不超过@@10kW的私人空间@@@@
商用@@：需要高达@@5MW功率的办公楼和工厂@@
公用事业@@：安装在野外@@，功率超过@@5MW
3. 扩大太阳能@@发电规模要考虑的因素@@
太阳能@@电池@@板由多个单独的光伏电池@@组成@@，每个光伏电池@@都可以产生一位数的电压输出@@。系统设计人员将这些电池@@板串联起来后@@，就可以尽可能提高@@架构的效率@@，并实现所需的功率@@。因此@@，太阳能@@发电系统的规模能够更准确地对应到针对具体应用的功率@@。
下文将重点介绍用于住宅或@@小型商用@@装置的光伏@@BESS，因为这是消费者熟知的常见应用@@。
4. 太阳能@@如@@何为电池@@充电@@
电池@@储能@@的一大便利优势在于它既可以单独使用@@，也可以并入电网@@@@，作为备@@用电源或@@用电高峰期的支持电源@@（图@@2）。
图@@2：根据需要为本地负载和电网@@供电的一套完整太阳能@@储能@@系统@@所需关键功能的框图@@@@（图@@源@@：英飞凌@@）
光伏电池@@板与蓄电池@@之间@@的@@电气接口是具有降压@@、升压或@@降压@@/升压特性的@@DC/DC转换器@@。设计人员选择的转换器@@类型取决于对光伏输出的相对最大电压与电池@@阵列的最大电压之间@@进行比较的结@@果@@。
然而@@，从太阳能@@电池@@板中@@输送电源的理想方式是利用充电控制器@@@@，如@@Phoenix Contact AXC F 2152 PLCnext控制器@@。这款充电控制器@@可将光伏电池@@输出中@@的最大功率首先@@传输给@@DC/DC转换器@@，然后@@在最大功率点@@（MPP）时再传输给储能@@电池@@@@，此时电源功率与负载相匹配@@。AXC F 2152控制器@@非常适合用于太阳能@@应用@@，因为它能在恶劣的环境中@@实现出色的性能@@。
太阳能@@电池@@产生的电流与它所接受到的阳光量成正比@@，而其开路电压保持相对恒定@@。每条曲线拐点处的功率输出达到极值@@，此时电池@@从恒定电压器件转换为恒定电流器件@@，如@@图@@@@3的功率曲线所示@@。
图@@3：当电池@@从恒定电压器件转换为恒定电流器件时@@，太阳能@@电池@@板的功率输出最大@@（图@@源@@：Analog Devices）
MPP是光伏电池@@板@@/太阳能@@特性和环境温度的函数@@。当阳光强度无法支持充电器的全功率要求时@@，采用高效设计的充电器可以将太阳能@@电池@@板的输出电压调整至@@最大功率点@@。这一功能可在转换过程获取更多的功率输出@@，从而提升能源效率@@。
因此@@，如@@要在使用过程中@@从光伏电池@@板获取尽可能大的功率输出@@，工程师应监测@@MPP和电池@@板负载@@@@，从而控制转换器@@并动态@@优化功率输出@@（图@@4）。这种行为称为最大功率点追踪或@@@@MPPT。
图@@4：基本的@@MPP管理@@（此处用于铅酸电池@@@@）需要根据情况调整@@DC-DC转换器@@，因为电池@@板看到的负载取决于电池@@板的输出@@（图@@源@@：ResearchGate）
MPPT需要在充电控制器@@中@@设置策略或@@算法来确定@@MPP，再对其进行追踪@@。工程师可采用两种方法@@来追踪最大功率@@：恒定电池@@板电压法@@和扰动@@观测法@@@@。
恒定电池@@板电压法@@
最直接的追踪方法@@@@，就是将电池@@板电压设置为电池@@数据手册提供的电池@@开路电压@@（VOC）所确定的恒定电压水平@@。设计工程师在刚好低于@@VOC的某个固定电压下@@，估算电池@@板在最大功率时的电压@@（VMP）。为简化这种方法@@@@，设计团队视@@VMP时的温度系数@@等于@@VOC时的温度系数@@，并视其在预期温度范围内呈线性@@。通过这些近似值@@，可实现用一个简单的温度补偿电阻将电池@@板电压设定为@@VMP。
扰动@@观测法@@（P&O）
恒定电池@@板电压法@@有其不足之处@@：当条件发生变化时@@，例如@@云量不断变化和光伏@@188足彩外围@@app 正常磨损时@@，该方法@@就无法继续提供很大效率@@。
另一种能够适应@@MPPT追踪条件的更高级方法@@称为@@“扰动@@观测法@@”（P&O）。P&O MPPT评估功率变化与电压变化的斜率@@（ΔP/ΔV），该斜率在@@MPP左边为正@@，MPP右边为负@@，局部极大值时为零@@，该点即表示理想电压@@。动态@@MPPT算法通过有意在正常值上下轻微@@“扰动@@”电池@@板负载@@，然后@@再观察输出中@@的变化@@（无论是好的变化还是坏的变化@@），从而映射@@MPP中@@的任何变化@@。
控制器@@中@@嵌入的@@MPPT算法可在从电池@@中@@收集电能并传输至@@输出的过程中@@实现尽可能高的效率@@，不受辐射@@、尘污和温度等环境条件变化的影响@@。控制器@@一旦完成启动模式@@@@，就会开始执行@@MPPT模式@@，以搜索最大功率点@@。图@@5表示了脉宽调制@@（PWM）信号占空比如@@何变化以找到曲线中@@的零斜率点@@。
图@@5：MPPT法评估光伏电池@@板正常工作点周围的功率变化斜率与电压变化特性@@（图@@源@@：SN Applied Sciences）
5. 取出电能@@
将能量输入到电池@@仅仅是@@BESS挑战的一部分@@。该系统旨在将蓄入电池@@的电能传输到负载@@，通常情况下需要采用@@120/240VAC线路为设备@@和系统供电@@。
输出功能需要@@DC/AC逆变器@@，该逆变器@@将电池@@的直流输出转换成与线路兼容的交流电@@。就像电源和电池@@之间@@的@@电子@@器件一样@@，该逆变器@@并不是@@“统一规格@@”的装置@@。工程师必须要考虑逆变器@@的拓扑@@和设计@@，以及诸多设计挑战和取舍点@@。尽管没有正式的定义@@，但专家经常将逆变器@@分成三个功率与特性类别@@：低功率@@、中@@功率@@和高功率@@@@。
微型逆变器@@@@（低功率@@）
低功率@@微型逆变器@@@@的额定功率介于@@50W至@@400W之间@@，在每个太阳能@@电池@@板中@@集成有单独的逆变器@@和@@MPP追踪器@@，比串联逆变器@@@@更高效@@。需要的直流布线非常少@@，但需要大量交流布线@@。因此@@，这种逆变器@@仅适合小型系统@@。
串联逆变器@@@@（中@@功率@@）
串联逆变器@@@@是一种中@@功率@@配置@@，功率范围介于@@1kW至@@20kW之间@@。此方法@@中@@@@，太阳能@@电池@@板与多个逆变器@@串联@@，通常每串对应一个电池@@板@@。该方法@@具有高效率@@，因为每组串联逆变器@@@@都能以极大功率点独立工作@@。
中@@央逆变器@@@@（高功率@@）
中@@央逆变器@@@@属于高功率@@配置@@，功率达@@20kW及以上@@。这种方法@@将多组串联逆变器@@@@并联@@，一组太阳能@@电池@@板仅使用一个逆变器@@@@。由于各组串联逆变器@@@@的电压不同@@，工程师会添加特殊二极管@@，将电池@@板驱动至@@极大功率@@。然而@@，二极管存在固有损耗@@，致使效率降低@@。因此@@，中@@央逆变器@@@@可能无法让所有太阳能@@电池@@板都达到极大功率点@@。
6. 结@@ 语@@
可再生能源在诸如@@间歇性电源和电力输送架构等领域为电源控制带来了新的机会@@。通过简单的控制器@@将太阳能@@电池@@板连接到电池@@@@，并将电池@@用于供电@@，这样的做法可能偶尔会奏效@@，但也会存在性能缺陷@@、安全问题和效率问题@@。
相反@@，在能源@@-储能@@-电池@@管理@@路径上选用适当的控制器@@和@@DC/DC拓扑@@，会得到更好的效果@@。工程师应优化所选的@@DC/DC逆变器@@，确保性能效率@@、一致性@@、长寿命以及弹性@@。