【应用】flowRPI 1系列功率模块用于10kW以下储能系统（ESS），效率高且设计简单

未来的电力供应将来自更智能，响应速度更快的电网。 实际上，如今，更好的能源管理已成为重中之重，能量存储的重要性越发突出。电池供电的设备存储多余能量以备不时之需的能力必须扩大到发电厂和大型电网的规模。这些储能系统（ESS）可以减少当今浪费的能源量，完全可以立即提高到峰值功率，并将超大型输电线路丢进历史的垃圾箱。ESS还将缩小可再生能源生产与部署之间的差距。

储能解决方案有多种形式，从小型电池到大型抽水系统。 本文将重点缩小到电能存储，更具体地说，将重点放在电力电子子系统上，下文中，该子系统应简称为系统。本文将不涉及机械，液压和化学存储系统和应用程序级别控制单元的内容。

按功率级别分解储能系统

储能系统分为三大类：公用设施/电网，工业和住宅，这取决于它们需要处理的电量。 电池正成为存储能量的首选，未来属于锂离子技术。 从千瓦时的住宅系统到公用事业/电网系统的数兆瓦时，一切皆有可能。

2.1公用事业/电网（> MWh）：

储能系统非常适合并网和离网的可再生能源发电厂。 例如，具有集成式能量存储的大型太阳能/风电场可以从能源套利，位置容量和基础设施升级延迟中获得收益。 这些术语听起来可能很奇怪，但是概念很简单：

（1）能源套利涉及储存多余的电力，当白天需求达到峰值时，这些多余的电力在夜间便宜地产生，以备后用。 因此套利可降低成本和排放。

（2）简而言之，位置容量意味着可以利用长期存储功能在最需要现场负载中心的本地供电。 这样可以保持所供应能量的频率恒定，并且使发电更清洁，更具成本效益且易于部署。

（3）基础设施升级延迟即能源存储可减少高峰负荷并缓解拥堵，为公用事业和消费者节省昂贵的输配电网络升级带来的财务负担。

能量存储需要电力电子系统，其中包括大功率AC / DC和DC / DC转换器。 总体而言，电源模块拓扑包括三电平逆变器，基于大电流半桥的逆变器和大功率电池充电器。 给定的电池配置确定需要哪种类型的升压和逆变器拓扑。

2.2工业/商业和中型社区（10kWh-1MWh）：

商业和高科技工业设施运行着需要高质量动力的复杂机械。 ESS最擅长以稳定的频率可靠地供电，即使在峰值负载下也是如此。 他们可以提供足够的备用电源来解决临时故障。 并且它们提供了一个中心积累点，以便可再生能源的生产可以与高质量的发电相协调。 甚至可以连续供电数周的自给自足的微电网也是可行的选择。 并网和离网系统中最具成本效益的解决方案的大小将根据需求低时存储的能量量以及一天中高峰时段的位移量确定。

此功率范围内的能量存储需要电力电子系统，其中包括中高功率AC / DC和DC / DC转换器。 总体而言，电源模块拓扑包括单相和多相PFC，基于大电流半桥的逆变器以及大功率充电器。

2.3住宅（1-10kWh）：

住宅ESS是真正的节能器，可用于将光伏系统主要连接到电网。 在家中储存太阳能可以大幅度降低消费者的电费，因此住宅ESS肯定会受到青睐。 它们还是停电期间的可靠应急电源。

图1-住宅ESS框图

住宅存储需要以下电力电子系统：

（1）紧凑型中功率DC / DC和DC / AC太阳能转换器（例如三相升压器和三电平，三相逆变器）

（2）低功率单相太阳能逆变器（单相H桥）

（3）双向DC / DC和AC / DC电池充电器，用于从光伏系统和电网给电池充电，并将能量回馈到房屋和电网（半桥和H桥为基本构件，再加上电池的升压器 管理）

（4）紧凑，高效的双向DC / AC转换器，可将家庭储能系统连接到电网

尽管正在针对具有不同目的拓扑的转换器进行各种设计，但它们都旨在实现相同的目标：最大的效率，可靠性，成本和鲁棒性。在这三个类别相交的应用中，可以使用相同的构建基块和模块化设计方法轻松覆盖这一共同点。 通过扩大这些基本构件可以实现巨大的收益。 甚至可以在每个模块的设计中重新使用这种模块化方法，而一流的解决方案无疑是一种以电源模块为中心的电子设计。 可重用的内核可以加快所有其他过程的速度，并提高整个系统的效率和可靠性。

VINCOTECH的手法大致相同。该公司开发标准产品并快速定制解决方案，以涵盖所有ESS类别的拓扑，额定功率，外壳技术和性能要求。

ESS功率模块

所有标准和特定于客户的拓扑都可以集成到任何Vincotech外壳中，低功率解决方案通常采用小巧紧凑的flow 0和flow 1外壳，而高功率系统则安装在flowSCREW外壳中，旨在实现高功率密度。

图3 – flowSCREW 4w外壳

SMPS和充电器应用中使用了半桥和H桥等标准拓扑。 它们构成了经典逆变器的基本构建块。典型应用需要额定电流> 100 A的1200 V模块。 现成的flowPHASE和flowPACK模块已满足这些应用要求，并且还在不断更新中。

就集成度和性能而言，具有NPC和MNPC拓扑（flowNPC，flowMNPC）的四象限，三电平逆变器是最新技术。现在Vincotech提供一系列具有各种额定电流的650V，1200 V和2400 V模块。

图4-flowMNPC拓扑

功率因数校正电源模块（flowPFC）可以集成到多级转换器中，并与电池管理模块一起使用，甚至在存储系统（通常是电池）向电网供电时也可以双向使用。

电池管理应用中使用的升压模块（flowBOOST）将高转换效率，快速切换和紧凑的模块化设计纳入了性能方程。

Vincotech的flowRPI 1系列是设计紧凑，快速和高效的能量存储系统（小于10 kW）的首选解决方案。 flowRPI 1系列专为焊接，充电器和SMPS应用而设计，将整流器与高效，低压降二极管，具有超快650V IGBT和二极管的两脚PFC相结合，集成了滤波电容器和用于通过外部电流感测的二极管变压器，以及具有H桥开路发射极拓扑结构和可选电容器的逆变器。 所有这些都在一个模块中，使工程师能够节省设计时间和成本。特殊版本随附PFC，该PFC具有较高额定电流的IGBT，适用于较宽的输入电压范围。 额定用于Vin = 110 – 220 VAC的应用。 这些精心挑选的组件为高频开关提供了最佳的解决方案，同时具有最高的效率。

图5-flowRPI 1模块中使用的flow 1外壳

flowRPI 1系列的增强版面使EMC更加友好。 借助板上最新的IGBT芯片技术，该模块以超低的传导和开关损耗提供了超快的开关速度。 鉴于在单个模块中可以选择三个功率级，工程师会发现设计高度紧凑的PCB非常容易。 在相同的流1外壳中具有相同的引脚输出，可以提供各种额定功率，因此可以在不影响PCB设计的情况下扩大应用范围。 该最新一代模块以各种步骤覆盖了从1.5 kW到7 kW的应用功率范围。

图6-flowRPI 1示意图

使用功率模块的好处

市场发展迅速，因此参与者必须迅速加大新的开发力度，才能在巨大的上市时间压力下提供最先进的技术。

在可靠性和使用寿命方面，功率模块优于分立组件。 最重要的是，它们简化并加快了设计工作，缩短了上市时间和开发成本，并提高了电源集成，性能和可靠性。

客户可以设计以功率模块为中心的非常紧凑的应用，并享受高效率，降低EMI和一流的开关性能的附带优势。 基于功率模块的应用程序更易于升级，并且可以扩展以实现更高的功率水平。 ESS精确地要求功率模块具有的特性以及分立组件所缺乏的特性-模块化和灵活性。

Vincotech提供了完整的拓扑，额定功率和外壳。 客户可以选择标准产品或适合其规格的定制快速跟踪解决方案。 无论哪种方式，始终可以确保出色的质量和性能。