圖 1：雙向電源的應用（來源：RECOM）

隨著世界逐漸從使用化石燃料轉向可再生能源，電網(wǎng)也在隨之不斷變化以跟上這一趨勢。大型煤炭、天然氣或核電站以壟斷的方式向消費者供電的傳統(tǒng)方式正在逐漸被智能電網(wǎng)所取代，這種電網(wǎng)將公共和私人供應商提供的傳統(tǒng)能源和可再生能源相結合。為了確保各個智能電網(wǎng)元件之間電力的有效傳輸，對雙向電源的需求也相應增加。本博客將探討雙向電源及其應用以及 RECOM 如何幫助客戶滿足這些新需求。

電網(wǎng)正在發(fā)生變化

傳統(tǒng)電網(wǎng)的建立時間可以追溯到 1935 年。當時的特點是單向流動：電力從發(fā)電站通過配電網(wǎng)絡傳輸?shù)较M者。發(fā)電能力相對穩(wěn)定，幾乎沒有多余的能力來滿足突然激增的需求。

因此，由于傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)難以應對快速的負載變化，經(jīng)常會出現(xiàn)電力不穩(wěn)定的情況。對舊式機電控制技術的依賴幾乎無法提供控制能力或有關使用模式的最新信息。單向電力流動使得利用風能或太陽能等可再生能源獲益變得困難。

市電公司正在積極致力于升級電網(wǎng)。智能電網(wǎng)旨在提供實時監(jiān)控和控制，整合風能和太陽能資源，并平衡能源供應和負載需求。

能量存儲：實現(xiàn)可持續(xù)能源拼圖中缺失的關鍵一塊

增加風能和太陽能發(fā)電的比例也增加了發(fā)電能力的不確定性。風能和太陽能的能量供應變化難以預測，因此可再生能源產(chǎn)生的電力比化石燃料和核電站產(chǎn)生的電力更加不穩(wěn)定。典型的太陽能裝置在一年內(nèi)提供的電力通常不到理論上最大可能輸出量的 25％，這個比例被稱為容量系數(shù)，簡稱CF。對于風機來說，這一比例不到 40%。相比之下，核電站的 CF 超過 90%。此外，可再生能源的能量供應無法大幅增加來滿足每分鐘的電力需求。

能量存儲則提供了一種平衡供需的方法。當供不應求時，存儲系統(tǒng)提供穩(wěn)定電網(wǎng)所需的額外電力，避免電壓不足或停電。當供大于求時，多余的電力用于給儲能系統(tǒng)充電，以備將來之需。

能量存儲與可再生能源

圖 2：ESS 功能塊（來源：SAFT 電池）

抽水蓄能水電是目前應用最廣泛的儲能系統(tǒng) (ESS) 技術，但基于電池的儲能技術由于其可擴展性強的優(yōu)勢，正逐漸成為一種更受歡迎的選擇。

圖 2 顯示了使用電池儲存能量的電網(wǎng)規(guī)模 ESS 中的主要功能塊。雙向電源可將交流電從電網(wǎng)傳輸至儲能系統(tǒng)，反之亦然。來自電網(wǎng)的交流電被轉換成直流電提供給電池，為儲能系統(tǒng)充電；當儲能系統(tǒng)幫助穩(wěn)定電網(wǎng)時，直流電被轉換成交流電并反饋回電網(wǎng)。

大多數(shù)情況下，ESS 與可再生能源結合使用。在這種情況下，來自風機（交流源）或光伏陣列（直流源）的綠色能源可以根據(jù)需要引導至電池陣列或返回電網(wǎng)。安裝在商業(yè)或住宅建筑上的太陽能電池板也可以向 ESS 供電或向電網(wǎng)供電。

所有這些能量流都需要加以控制、協(xié)調(diào)和監(jiān)控。RECOM 可以提供許多低功耗高隔離 DC/DC 轉換器（隔離電壓高達 20 kVDC），用于電池管理系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡以及構建可靠安全的電池儲能系統(tǒng)所需的各種電壓、電流、溫度、火災和壓力傳感器。

電動汽車充電

電動汽車是雙向電源另一個日益增長的應用領域。隨著純電池電動汽車的市場份額不斷增加，每輛車配備的電池容量也在增加。消費者對更大容量電池的充電效率也抱有更高期望。這一需求促使各大廠商將電池工作電壓從 400 V 增加到 800 V，尤其是在高性能車輛中開始應用。

配備足夠電池容量的電動汽車可以充當儲能系統(tǒng) (ESS)，從而實現(xiàn)多種用途：車到戶 (V2H) 發(fā)電、車到網(wǎng) (V2G) 回饋、車到車 (V2V) 充電或啟動另一輛電動汽車。

目前電動汽車充電站和電動汽車車載充電器 (OBC) 大多是單向系統(tǒng)，但這些新的用例正在推動充電基礎設施向雙向系統(tǒng)轉變。

電動汽車和電動汽車充電站需要雙向電源的場景包括：

·        電動汽車向電網(wǎng)或家庭微電網(wǎng)回饋電力。

·        電動汽車充電站根據(jù)相對電價通過電網(wǎng)或儲能系統(tǒng)為電動汽車供電。

·        EV charging station recharging an onsite battery installation.

·        電動汽車充電站為現(xiàn)場電池裝置充電。

單向與雙向電源架構

與等效單向電源相比，雙向電源需要采用不同的設計方法。一種為實現(xiàn)高效率而設計的單向 AC-DC 電源采用寬帶隙 (WBG) SiC 或 GaN 功率器件，并帶有圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 前端來驅(qū)動 DC-DC 拓撲結構，例如 LLC 諧振轉換器。

圖 3：雙向電源的功能塊（來源：RECOM）

雖然圖騰柱 PFC 拓撲是雙向結構，但諧振 LLC 轉換器不是。對于雙向應用，DC-DC 級首選雙向 CLLC 諧振轉換器，它在充電和放電模式下兼具高效率與寬輸出電壓范圍。CLLC 采用軟開關以最大限度提高效率：初級側采用零電壓開關 (ZVS)，次級側采用 ZVS 結合零電流開關 (ZCS)。SiC 晶體管正迅速成為此類高功率應用中的主導技術。

圖 3 顯示了三相充電應用的雙向功率級示例。這種設計需要使用 14 個功率晶體管。這是一種隔離拓撲結構，因此功率晶體管與隔離型柵極驅(qū)動器和隔離型 DC/DC 電源配合使用。

RECOM 的雙向電源資源

RECOM 以成熟的平臺設計為依托，推出了高可靠性定制電池充電器、調(diào)節(jié)器和雙向逆變器，可實現(xiàn)額定功率高達 30 kW 的三相交流電源，通過多個并聯(lián)單元還可以實現(xiàn)更高的功率。

通過我們的子公司 PCS，還可以調(diào)用 RECOM 豐富的平臺設計庫。PCS 公司可以快速交付大功率和全定制解決方案。這些經(jīng)過驗證的設計通?？梢暂p松針對其他應用進行改造，而不一定產(chǎn)生大量的開發(fā)或認證成本。

結論

智能電網(wǎng)的出現(xiàn)和可再生能源的興起，導致雙向電源的需求增加，該雙向電源能夠在能量源、能量消費者和能量存儲系統(tǒng)之間傳輸交流或直流電力。RECOM 參與了智能電網(wǎng)的各個方面，從用于隔離電池管理系統(tǒng)或風機控制器的低功率 DC/DC 逆變器，到用于為智能電表、電動汽車充電器和光伏逆變器供電的低待機功耗 AC/DC 模塊，再到用于離網(wǎng)、ESS 和其他應用的千瓦級轉換器。準備好開始你的下一個設計了嗎？請立即聯(lián)系我們。