Преимущества многоуровневых преобразователей для систем хранения энергии

3 марта

управление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Питер Б. Грин (Infineon)

В многоуровневых преобразователях, используемых для систем хранения энергии, выработанной, например, солнечными батареями, можно использовать транзисторы семейств StrongIRFET или OptiMOS производства Infineon в специализированных корпусах TOLL или DirectFET с максимально допустимым напряжением 80 или 100 В, малым сопротивлением канала RDS(on) и расширенной областью безопасной работы. Преимущество таких преобразователей – большее количество напряжений в точках подключения накопительного дросселя.

Системы хранения энергии (Energy Storage Systems, ESS) на основе химических аккумуляторов предназначены для накопления и последующего использования электричества, выработанного от различных источников, в том числе и от солнечных батарей. Использование собственных накопителей создает энергетическую независимость зданий и предприятий от энергетических компаний и коммунальных служб и позволяет более рационально использовать выработанную энергию. Системы хранения энергии бывают индивидуальными и коммерческими. Индивидуальные системы подключаются к местной системе электроснабжения «за счетчиком», поэтому вся выработанная энергия обычно не выходит за пределы местной распределительной сети. Коммерческие версии ESS могут входить в общую энергосистему и предназначаться для обеспечения потребителей дополнительной мощностью в часы наибольшей нагрузки.

Одним из основных элементов любой системы хранения энергии, как индивидуальной, так и коммерческой, является двунаправленный преобразователь электрической энергии, предназначенный для согласования постоянного напряжения аккумуляторной батареи с постоянным или переменным напряжением системы электроснабжения, к которой он подключается. На сегодняшний день существует несколько вариантов построения этого узла, отличающихся схемотехникой силовой части и типом используемых полупроводниковых приборов. В этой статье рассмотрены преимущества появившихся не так давно многоуровневых преобразователей, использующих транзисторы с низким максимально допустимым напряжением, что позволяет уменьшить потери энергии, возникающие во время его работы.

Особенности индивидуальных систем хранения энергии

Наиболее распространенным видом индивидуальных источников электроэнергии являются солнечные электростанции. В электростанциях этого типа солнечные панели подключаются к местной энергосистеме через сетевые инверторы, преобразующие постоянный ток, генерируемый фотоэлементами, в переменное напряжение промышленной частоты. В светлое время суток, когда солнечные панели обеспечивают мощность, превышающую собственные потребности, избыток энергии может продаваться другим потребителям, однако ночью и в плохую погоду, когда фотоэлементы не работают, владелец солнечной электростанции вынужден покупать электричество у энергетической компании. Зная об этой особенности, энергетические компании могут вводить динамические тарифы на продажу и приобретение энергии, повышая цену на потребляемое электричество для тех периодов, когда солнечная энергия недоступна. Добавление системы хранения энергии позволяет уменьшить эту зависимость и использовать электричество, выработанное собственной электростанцией, в те периоды, когда это необходимо.

В качестве накопителей в системах хранения энергии можно использовать свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют меньшую стоимость, однако литий-ионные ячейки характеризуются большей удельной энергоемкостью, поэтому системы на их основе получаются меньше и легче, чем при использовании традиционных элементов на основе свинца. На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы, использующиеся совместно с компактными и высокоэффективными двунаправленными преобразователями, позволяют создавать небольшие настенные хранилища мощностью от 3 до 12 кВт, способные обеспечить энергией собственных потребителей до 24 часов и более.

Обязательным элементом литий-ионных аккумуляторов является система управления батареей (Battery Management System, BMS). Ее наличие вызвано существованием у литий-ионных элементов ряда особенностей, основными из которых являются склонность к саморазогреву, чувствительность к перезаряду, глубокому разряду и перегрузкам по току. BMS контролирует режимы работы каждой аккумуляторной ячейки, не допуская использования ее в режимах, способных негативно отразиться на сроке службы и величине энергетической емкости.

Преобразователь энергетического хранилища может работать в двух режимах:

  • заряда, когда энергия передается из сети в аккумулятор;
  • разряда, когда энергия передается из аккумулятора в сеть.

В общем случае возможны два варианта подключения накопителя энергии к индивидуальной солнечной электростанции: по постоянному и по переменному току. В первом случае система накопления подключается к точке соединения выхода контроллера солнечных панелей с входом сетевого инвертора. Такой способ позволяет упростить схемотехнику двунаправленного преобразователя, однако его можно использовать не с каждой солнечной электростанцией. Более удобными на практике, хотя и более сложными технически, являются системы хранения энергии, подключаемые непосредственно к сети, из-за чего их часто называют «аккумуляторами переменного тока». Этот тип накопителей с каждым годом становится все более популярным, поскольку их можно использовать с любым типом солнечных электростанций и даже без них – как отдельный резервный источник энергии. Кроме того, такой способ подключения позволяет использовать несколько параллельно работающих накопителей, тем самым обеспечивая и более высокую мощность, и более высокую энергетическую емкость.

Принципы построения преобразователей для систем хранения энергии

Структурная схема компактной настенной системы хранения энергии, работающей на переменном токе, показана на рисунке 1. Запас энергии хранится в нескольких последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторных ячейках с общим напряжением 48 B. Состояние аккумулятора контролируется BMS, основным элементом которой является специализированная микросхема, измеряющая напряжение каждой ячейки (около 3,2 В) и общую температуру батареи. Одной из основных функций BMS является балансировка зарядов аккумуляторных ячеек и общее отключение аккумулятора при возникновении аварийных режимов работы. Для этих целей часто используются мощные полевые транзисторы семейств OptiMOS или StrongIRFET с максимально допустимым напряжением от 80 до 100 В.

Рис. 1. Структурная схема системы хранения энергии переменного тока

Рис. 1. Структурная схема системы хранения энергии переменного тока

Согласование напряжений аккумуляторной батареи и внешнего источника производится с помощью трех каскадов преобразования, каждый из которых должен передавать энергию в обоих направлениях. Для обеспечения двунаправленной передачи необходимо, чтобы силовые ключи, используемые при импульсном преобразовании, обеспечивали протекание тока в обоих направлениях, поэтому в этих схемах вместо однонаправленных неуправляемых полупроводниковых диодов используются MOSFET или IGBT (с дополнительным антипараллельным диодом). Существует несколько возможных вариантов схем, которые можно использовать в системах хранения энергии, однако наиболее популярными являются мостовые преобразователи, обеспечивающие более высокую удельную мощность. Один из вариантов такой системы, состоящей из двух параллельно работающих силовых каналов мостового типа, показан на рисунке 2.

Рис. 2. Пример силовой части индивидуальной системы хранения энергии

Рис. 2. Пример силовой части индивидуальной системы хранения энергии

В режиме разряда первый каскад формирует из постоянного напряжения аккумулятора высокочастотное переменное напряжение, которое затем подается на трансформатор, обеспечивающий повышение его величины и электрическую изоляцию аккумулятора от сети. Для увеличения КПД транзисторы первого каскада работают в резонансном режиме, обеспечивающем минимальный уровень динамических потерь. При заряде аккумулятора этот узел выполняет функцию синхронного выпрямителя, преобразующего высокочастотное переменное напряжение, поступающее с трансформатора, в постоянный ток.

Силовые транзисторы первого каскада коммутируют большие токи при низком напряжении, поэтому в этой части схемы лучше всего использовать 60-вольтовые MOSFET семейства OptiMOS, обладающие сверхнизким сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(ON), причем для обеспечения требуемой величины коммутируемого тока несколько транзисторов могут соединяться параллельно. Использовать в первом каскаде более высоковольтные транзисторы не рекомендуется, поскольку их канал из-за большей толщины имеет более высокое сопротивление, что негативно скажется на КПД всей системы.

Особенностью коммутации больших токов является повышенные статические потери и сложные переходные процессы, поэтому при выборе транзисторов для первого каскада преобразователя необходимо обращать внимание также и на особенности корпусов транзисторов и выбирать модели, обладающие малым тепловым сопротивлением и низкой паразитной индуктивностью выводов, например, транзисторы в корпусах DirectFET.

Второй каскад преобразователя в режиме разряда выполняет функцию синхронного выпрямителя, формируя из высокочастотного напряжения, поступающего с трансформатора, постоянное напряжение величиной несколько сотен вольт. В режиме заряда его функция меняется на противоположную – в этом режиме он становится инвертором, формирующим из входного постоянного напряжения высокочастотный переменный ток.

Напряжение силовой шины, находящейся в точке соединения второго и третьего силовых каскадов, равно 400…500 В, поэтому для этой части схемы необходимо выбрать транзисторы с максимально допустимым напряжением не ниже 600…650 В. Кроме того, для уменьшения удельной мощности необходимо увеличивать рабочую частоту преобразования, поэтому транзисторы, использующиеся во втором каскаде, должны иметь как можно меньшие динамические потери. Наиболее подходящей элементной базой для второго каскада являются кремниевые транзисторы с суперпереходом (SJ MOSFET) семейства CoolMOS, в том числе со встроенными антипараллельными диодами CFD и CFD7, а также карбид-кремниевые MOSFET семейства CoolSiC. Использование этих приборов позволит достичь высокого значения КПД при уровнях преобразования более киловатта, при этом масса и габариты платы преобразователя будут небольшими.

Использование карбида кремния, обладающего большой шириной запрещенной зоны, позволяет создавать высоковольтные полупроводниковые приборы с малой толщиной канала. В случае MOSFET это означает, что их сопротивление во включенном состоянии RDS(on) будет меньше, чем у кремниевых аналогов с такой же установочной мощностью. Например, сопротивление канала некоторых моделей 650-вольтовых транзисторов CoolSiC во включенном состоянии равно всего 27 мОм. Кроме этого, карбид кремния имеет более высокую теплопроводность и меньшие токи утечки, особенно при высоких температурах. Еще одним преимуществом карбид-кремниевых MOSFET является повышенная стабильность сопротивления канала RDS(on) при изменении температуры. Например, при изменении температуры кристалла от 25 до 100⁰С сопротивление канала типового транзистора CoolSiC увеличивается всего в 1,13 раз, в то время как у лучших представителей семейства CoolMOS этот параметр равен 1,67. Это значит, что карбид-кремниевые транзисторы CoolSiC, имеющие при комнатной температуре большее сопротивление канала RDS(on), при выходе на рабочий режим могут иметь такой же уровень статических потерь, как и кремниевые транзисторы CoolMOS с меньшим сопротивлением канала (при комнатной температуре).

Транзисторы, изготовленные из карбида кремния, имеют также и меньшие значения заряда выходной емкости QOSS и заряда обратного восстановления паразитного диода Qrr. Несмотря на то, что транзисторы CoolMOS, благодаря интеграции быстродействующих диодов CFD и CFD7, имеют одно из самых низких значений Qrr среди кремниевых MOSFET, у их карбид-кремниевых аналогов этот параметр приблизительно в десять раз меньше, чем у лучших кремниевых диодов, доступных на рынке.

Третий каскад преобразователя системы хранения энергии реализован согласно  концепции высокоэффективного и надежного инвертора (High Efficient and Reliable Inverter Concept,  HERIC). В режиме разряда его задачей является преобразование высоковольтного постоянного напряжения в высокочастотный ШИМ-сигнал, который, пройдя через фильтр нижних частот, будет преобразован в переменное синусоидальное напряжение промышленной сети. Особенностью этой схемы является наличие двунаправленного ключа, образованного двумя встречно-последовательно включенными полевыми транзисторами, каждый из которых находится во включенном состоянии в течение определенной полярности сетевого напряжения, что означает, что они коммутируются на низкой частоте. Этот ключ формирует путь для протекания тока дросселя выходного фильтра в моменты, когда все четыре транзистора силового моста находятся в выключенном состоянии. Такое решение позволяет уменьшить уровень синфазных помех и, как следствие, повысить уровень электромагнитной совместимости всей схемы.

В режиме заряда этот каскад преобразует переменное напряжение сети в постоянное, а также обеспечивает синусоидальную форму тока, потребляемого из сети. Схема этого каскада эквивалентна безмостовому корректору коэффициента мощности (Totem Pole PFC) и фактически является комбинацией синхронного выпрямителя и преобразователя повышающего типа, способного работать на переменном токе.

Так же, как и во втором каскаде, в третьем преобразователе необходимо использовать транзисторы с максимально допустимым напряжением не менее 600…650 В. Силовая часть этой части схемы работает в режиме жестких переключений, поэтому при выборе транзисторов желательно выбирать MOSFET с минимальным зарядом восстановления антипараллельного диода. Кроме этого, транзисторы, используемые в мостовом преобразователе, должны иметь малый уровень статических и динамических потерь, а их характеристики должны быть максимально стабильны при изменении температуры. Транзисторы, используемые в двунаправленном ключе, должны иметь тот же класс напряжения и минимальный заряд обратного восстановления, поскольку их антипараллельные диоды при работе в режиме разряда переключаются на высокой частоте.

Многоуровневые преобразователи

Третий каскад преобразователя для систем хранения энергии можно реализовать по схеме, в которой на выводах силовых индуктивных элементов формируется напряжение, принимающее несколько значений. Такие преобразователи называются многоуровневыми (Multilevel Converters). Как и классические схемы, многоуровневые преобразователи, в зависимости от компонентов, использующихся в качестве силовых ключей, могут быть однонаправленными и двунаправленными.

В классических преобразователях напряжение в точках подключения накопительного дросселя обычно может принимать всего два значения. В многоуровневых схемах, благодаря использованию большего количества силовых ключей, количество уровней может быть значительно больше. Например, в инверторах, напряжение, прикладываемое к дросселю, может принимать пять значений (рисунок 3):
-VDC, -VDC/2, 0, +VDC/2, +VDC; где VDC – напряжение шины постоянного тока. Количество уровней зависит от многих факторов, основными из которых является напряжение питающей шины VDC и особенности выходного напряжения. Чаще всего используются схемы с количеством уровней 5, 7 и 9.

Рис. 3. Схема пятиуровневого инвертора с «плавающим» конденсатором

Рис. 3. Схема пятиуровневого инвертора с «плавающим» конденсатором

Увеличение уровней коммутируемого напряжения позволяет использовать в силовой части преобразователей полевые транзисторы с меньшим максимально допустимым напряжением, имеющее лучшие характеристики, чем их высоковольтные аналоги. Кроме этого, уменьшение величины напряжения, прикладываемого к индуктивному элементу, позволяет уменьшить его энергетическую емкость, что благоприятно скажется как на размерах схемы, так и на величине потерь, возникающих при перемагничивании магнитных материалов.

Использование транзисторов с меньшими сопротивлениями RDS(on) и Qrr позволяет уменьшить уровень как статических, так и динамических потерь, вплоть до того, что более сложный многоуровневый преобразователь будет иметь больший КПД, чем классическая схема, реализованная на самых лучших высоковольтных транзисторах. Многоуровневые инверторы стали популярными в приложениях средней и большой мощности, поскольку они могут обеспечить меньший нагрев силовых транзисторов, что упрощает их охлаждение. К тому же выходное напряжение многоуровневых инверторов имеет меньший уровень высокочастотных пульсаций, что облегчает его фильтрацию и улучшает электромагнитную совместимость.

Особенности промышленных систем хранения энергии

Мощность промышленных систем хранения энергии начинается от 100 кВт, поэтому все они рассчитываются на работу в трехфазных системах электроснабжения с напряжением 480 B. Принципы построения промышленных систем хранения энергии – такие же, как и у индивидуальных, однако из-за необходимости преобразования больших энергетических потоков напряжение аккумуляторной батареи у них может превышать 740 B (рисунок 4). Более того, аккумуляторная батарея промышленной системы состоит из нескольких последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторных батарей с меньшим напряжением, каждая из которых имеет собственную систему контроля (BMS).

Рис. 4. Пример силовой части промышленной системы хранения энергии

Рис. 4. Пример силовой части промышленной системы хранения энергии

В силовой части двунаправленных преобразователей промышленных систем хранения энергии обычно используются мощные IGBT-модули с максимально допустимым напряжением 1200 В, поэтому напряжение шины постоянного тока между вторым и третьим каскадами находится в пределах  800…900 В. Основным недостатком такой архитектуры является то, что энергетическая емкость всей аккумуляторной батареи ограничивается наименьшим количеством заряда, присутствующим в ее компонентах. Из-за риска повреждения при разряде даже одной ячейки приходится отключать всю батарею, хотя остальные элементы еще могут иметь достаточно большой запас энергии.

Многоуровневые промышленные системы хранения энергии

Исключить нерациональное использование аккумуляторной батареи, неизбежно возникающее после некоторого времени эксплуатации, когда появляется разброс характеристик литий-ионных ячеек, вызванный естественными процессами старения, можно с помощью многоуровневых инверторов. В этом случае аккумуляторные блоки подключаются к индивидуальным двунаправленным преобразователям (рисунок 5), выходы которых соединяются последовательно. При таком подходе многоуровневая работа теперь обеспечивается на системном уровне, поскольку становятся доступными разные конфигурации силовой части с различным количеством активных модулей. Напряжение системной шины постоянного тока должно быть достаточным для формирования синусоидального напряжения требуемой амплитуды, однако сколько двунаправленных преобразователей будет соединено последовательно, а сколько параллельно, теперь зависит от конкретной нагрузки и количества энергии в каждом блоке аккумуляторных ячеек. В процессе работы центральный процессор постоянно конфигурирует систему, пошагово подбирая наиболее оптимальный режим.

Рис. 5. Принцип работы промышленной многоуровневой системы для хранения энергии

Рис. 5. Принцип работы промышленной многоуровневой системы для хранения энергии

Благодаря гибкому управлению, заключающемуся в возможности настройки выходного напряжения каждого преобразователя и отключения участков, уже израсходовавших свою энергию, такие системы могут более рационально расходовать заряд аккумуляторов, в первую очередь – за счет более полного использования элементов, еще не утративших свою емкость.

Силовая часть подобных преобразователей может быть построена по разным схемам, в том числе и рассмотренным выше. Благодаря меньшей величине коммутируемого напряжения в многоуровневых преобразователях можно использовать транзисторы семейств StrongIRFET или OptiMOS с максимально допустимым напряжением 80 или 100 В, ключевой особенностью которых является малое сопротивление канала в открытом состоянии RDS(on) и расширенная область безопасной работы (Safe Operating Area, SOA). Для уменьшения величины перенапряжения, возникающего при коммутации, в этой части схемы рекомендуется использовать транзисторы в специализированных корпусах TOLL или DirectFET, обладающих меньшей паразитной индуктивностью контактов и способных пропускать через кристалл значительные токи. Поскольку промышленные системы характеризуются повышенной мощностью, то для коммутации токов, достигающих нескольких сотен ампер, можно использовать параллельное соединение нескольких транзисторов. В многоуровневых преобразователях эффективная частота выходного напряжения равна произведению рабочей частоты каждого преобразователя и количества уровней (модулей) минус единица, поэтому рабочая частота многоуровневых двунаправленных схем в этом случае может быть меньше 10 кГц.

Заключение

Системы хранения энергии пока еще не получили массового распространения, поэтому нельзя сказать о том, что какой-то принцип их построения является наилучшим или хотя бы доминирующим. Однако в ближайшее десятилетие спрос на подобные решения, как и на все альтернативные источники энергии, значительно возрастет, поэтому вполне возможно, что многоуровневые преобразователи, построенные на полевых транзисторах компании Infineon, станут традиционным способом построения систем подобного типа.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт. В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню р ...читать далее

Товары
Наименование
IRF150P220AKMA1 (INFIN)
IRF150P221AKMA1 (INFIN)
IRF100P218AKMA1 (INFIN)
IRF100P219AKMA1 (INFIN)
IRF250P224 (INFIN)
IRF200P222 (INFIN)
IRF200P223 (INFIN)
IRF250P225 (INFIN)