其中单个逆变器由一组电池供电（图 1）。功率转换系统 (PCS) 由 MW 级双向 2 电平 (1000 V) 或 3 电平 (1500 V) 电压源逆变器组成。该系统封装在 20 英尺的集装箱中，被认为具有成本效益，因为它使用来自已开发（和共同部署）太阳能设备的现有逆变器设计。然而，经验表明，这种配置可能会带来可维护性方面的挑战，因为逆变器中的单个故障就会导致整个系统无法使用。此外，BESS 安装位置的日益多样化意味着电池组尺寸需要更精细。
图 1. 带有中央逆变器的 BESS 容器。图片由博多电力系统提供
模块化 PCS 方法（图 2）是解决这些问题的当前趋势。使用相同的 20 英尺集装箱，但每个电池架都有自己的专用逆变器。这提高了可维护性，因为当 PCS 发生故障时，只有一组电池会脱机。此外，现在可以以一个电池架为增量更改系统额定功率，而不必担心逆变器对于应用而言尺寸过大。
图 2. 带有模块化 PCS 的 BESS 容器。图片由博多电力系统提供 [PDF]
电池技术的进步也影响着 PCS 的尺寸。锂离子 (Li-ion) 仍然是主要的电池类型。然而，材料优化、电解质创新和制造技术方面一直在不断发展。新型锂离子电池，例如无钴磷酸铁锂 (LFP)，可在 20 英尺集装箱内提供 5 MWh 的容量。近的改进将在未来几年内将额定功率提高到 6 MWh 甚至更高。
虽然BESS的“能量容量”是一个值（例如6MWh），但用于充电/放电的系统的“额定功率容量”较低。这是整个系统从充满电开始瞬间放电的功率水平。用 P 或 C 指定的分数值定义了该速率，从而定义了 PCS 的额定功率。
在 0.5C 充电/放电速率下，这意味着 6 MWh BESS 中的 PCS 需要额定为 3 MW 连续运行。对于图 2 所示的 12 机架拓扑，每个 PC 需要大约 250 kW 的额定功率。再加上现代机架式 PC 必须适合标准 19 英寸宽机架，很明显，功率密度成为设计电源转换器时的驱动因素。此外，PCS 的关键要求如下：
能够连续接受高达 1500 VDC 的电压
高效率过充电 (PF = -1) 和过放电 (PF = 1) 模式
功率密集（液冷）
可承受重复的系统（长）充电/放电周期
电源转换系统设计
如今，满足电气要求的有效拓扑是三电平有源中性点钳位 (ANPC) 转换器。 3 级配置可使用低损耗 1200 V 半导体来适应 1500 V 总线电压。 ANPC 配置（与 NPC 类型相对）在电池充电 (PF = -1) 和放电 (PF = 1) 时提供同样高的效率。
赛米控丹佛斯的 SEMITOP E2 电源模块将 ANPC 相脚中的所有六个开关封装在紧凑的占地面积 (57 mm x 63 mm) 中。压接或焊接引脚可轻松实现 PCB 安装。带有集成安装片的一体式外壳对散热器施加高安装压力。仅此机械设计功能就提供了优于行业标准模块的热阻 R th(js) 。然而，SEMITOP E2 还可以采用预涂的高性能导热膏 (HPTP) 或相变材料 (HP-PCM)，以优化的模式实现一流的热性能。无底板设计极大地受益于液冷散热器，并限度地减少了芯片和冷却剂之间的热层。缺少基板和相关焊料层意味着该模块能够抵抗每次充电和放电事件带来的热循环。
由于 ANPC 转换器的控制方法会严重影响各个开关损耗，因此电源模块的设计必须采用针对每个开关位置的传导损耗或开关损耗进行优化的芯片。 150A ANPC SEMITOP E2（图 3）专为低频/高频 (LF/HF) 开关方案而设计。这意味着 T1、T5、T6 和 T4 位置的四个开关是第 7 代高功率 IGBT。这些 IGBT 专为低传导损耗而设计，因为它们仅随线路频率进行开关。 T2 和 T3 位置的两个开关是一代碳化硅 MOSFET。这些位置的开关在高载波频率下工作，并且必须表现出低开关损耗。这种混合方法允许低频/高频配置的高频切换，同时保持较低的整体模块成本。
图 3.SEMITOP E2 模块（例如 SK150AMLI120CR03TE2）。图片由博多电力系统提供 [PDF]
给出了用于多兆瓦级集装箱的面向未来的模块化 PCS 的规格。这已被用作使用 SEMITOP E2 模块的 PCS 设计热仿真的基础。
为了满足目标功率输出和充电/放电寿命，同时仍保持足够的效率，并联使用两个 SK150AMLI120CR03TE2 来构造每个三相腿。它们已放置在假设的水冷散热器上（图 4），总 R th(sa)为 0.0146 K/W。所有六个模块均安装在 400 毫米 x 58 毫米的占地面积内。
结果（图 5）表明，在充电或放电时，在 10…20 kHz 的开关频率范围内可以实现 99% 以上的半导体效率。
适合所有人的模块化 PC
完整 PCS 的设计需要了解三电平功率转换器控制知识，以及系统和应用知识，以确保 PCS 与整个 BESS 正确交互。这就是具有可再生能源经验的电力电子开发人员所提供的帮助。 Semikron Danfoss 正在与日本东京的 Headspring Inc. 合作，围绕 SEMITOP E2 模块开发示范性 PCS。
Headspring 正在开发 ANPC 控制软件，以使用其高速实时控制器系统驱动电源模块。该控制器还将集成与 BESS 电池管理系统 (BMS) 的连接以及符合规范的并网连接的功能。还提供独立模式选项，使 BESS 在电网断电期间充当可靠的备用电源。
图 5. ANPC 逆变器的输出功率和效率（仅半导体损耗）。图片由博多电力系统提供 [PDF]
每个 PCS 模块都有自己的控制器，旨在与并行连接的其他 PCS 模块无缝集成。这提供了驱动整个 BESS 容器所需的可扩展性，并在单个 PCS 模块发生故障时提供持续的系统操作。 Headspring 在设计 PCS 所需的滤波器和保护电路方面也拥有丰富的经验。
对于电源转换器硬件，赛米控丹佛斯可以提供设计支持，将 SEMITOP E2 电源模块与 Headspring 控制系统集成。通过此次合作，任何构建公用事业规模 BESS 的人都可以获得下一代模块化 PCS 设计。
