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多元融合高彈性電網(wǎng)初落地,電源和功率器件迎行業(yè)風(fēng)口

發(fā)布時間:2023-09-22 來源:Mouser 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】每到盛夏,我國江浙沿海一帶就會出現(xiàn)電力緊張問題。因此,“高溫下保供電”便成為各地的主要方針。同時,隨著新能源汽車滲透率提升,電能供應(yīng)的挑戰(zhàn)會越來越大。為了能夠更好地解決供電難題,多元融合高彈性電網(wǎng)成為電力能源領(lǐng)域的熱門概念,并已經(jīng)得到了初步的落實。


多元融合高彈性電網(wǎng)將分布式電源和儲能系統(tǒng)融入電網(wǎng)系統(tǒng)中,具有明顯的負(fù)載可調(diào)特性,有助于電力系統(tǒng)調(diào)度控制從傳統(tǒng)的“源隨荷動”向“源網(wǎng)荷儲友好互動”模式轉(zhuǎn)變。因此,在電網(wǎng)負(fù)荷不斷增大的情況下,多元融合高彈性電網(wǎng)具有重要的戰(zhàn)略意義。


在多元融合高彈性電網(wǎng)構(gòu)建的過程中,兩種類型的器件最為關(guān)鍵,一種是模擬電源,另一種是功率器件。同時,這也是貿(mào)澤電子官網(wǎng)銷售的兩大類主流器件,它們將和廣大業(yè)者一起開啟電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)新時代。


多元融合下的新能源發(fā)電


多元融合高彈性電網(wǎng)具有高承載、高互動、高自愈、高性能四大核心特征,這就要求這種新式電網(wǎng)需要具備兩個基礎(chǔ)能力:其一是電網(wǎng)需要能靈活地應(yīng)對大規(guī)模電力供應(yīng),其二是電網(wǎng)需要能允許大規(guī)模清潔能源動態(tài)性接入。


在第二點上,目前清潔能源發(fā)電擁有廣泛的市場前景。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2022年國內(nèi)新增清潔能源裝機(jī)量為1.52億千瓦,總裝機(jī)量達(dá)到了12.13億千瓦。截至2022年底,天然氣、水電、核電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的25.9%。近年來,這一占比穩(wěn)定提升。


目前,太陽能和風(fēng)能是清潔能源的主要來源,國家能源局在分享2022年1-6月份發(fā)電數(shù)據(jù)時表示,除了傳統(tǒng)的火電和水電,太陽能和風(fēng)能在份額上并列第三名,報告期內(nèi)發(fā)電占比均為14%。


太陽能發(fā)電主要有兩種形式,一種是光-熱-動-電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光-電直接轉(zhuǎn)換方式。不過,由于太陽能熱發(fā)電的效率很低,導(dǎo)致其建站的成本甚至?xí)_(dá)到火力發(fā)電站的5-6倍,因此光電直接轉(zhuǎn)換是目前的主流,這種方式就是我們所說的光伏。


在光伏發(fā)電的大系統(tǒng)里,由光轉(zhuǎn)化的電能有兩條去路:蓄電池和電網(wǎng)。通往電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包含四部分,分別是光伏矩陣、光伏控制器、逆變器和交流負(fù)載端。這里面,逆變器的作用是將太陽能電池板所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)化成能夠并網(wǎng)使用的交流電。


話雖如此,逆變器的工作卻并不簡單。逆變器需要通過開關(guān)電源、變壓器、濾波器、IGBT等器件順應(yīng)電網(wǎng)的電壓和頻率要求,調(diào)整輸出電壓的波形、頻率和相位,以實現(xiàn)與電網(wǎng)同步,如此才能實現(xiàn)并網(wǎng)。


逆變器也擔(dān)負(fù)著功能安全的使命,具備一定的控制和保護(hù)功能,比如過壓、過流、短路、過溫等,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。另外,逆變器也需要具備一定的動態(tài)調(diào)節(jié)能力,以保證系統(tǒng)在最大功率點追蹤(MPPT)下運(yùn)行。


在整個光伏逆變器中,IGBT是核心部件,占到光伏逆變器價值量的15%-20%。不同的光伏電站需要的IGBT產(chǎn)品略有不同,比如集中式光伏主要采用IGBT模塊,而分布式光伏主要采用IGBT單管或模塊。從某種意義上講,IGBT的性能水平直接決定了光伏逆變器的性能水平。


我們都知道IGBT是靠驅(qū)動器對其性能進(jìn)行整體調(diào)控,驅(qū)動器的好壞直接影響IGBT的動態(tài)性能,并且和IGBT的穩(wěn)定性和成本息息相關(guān)。在這里我們?yōu)榇蠹彝扑]一款來自制造商安森美(onsemi)的IGBT驅(qū)動器NCD5700x,這款器件在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為NCD57000DWR2G。


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圖1:NCD5700x大電流IGBT驅(qū)動器

(圖源:貿(mào)澤電子)


安森美NCD5700x是內(nèi)置電流隔離的大電流單溝道IGBT驅(qū)動器,可在高功率應(yīng)用中提供高系統(tǒng)性能和可靠性。相關(guān)器件具有高度靈活的動態(tài)IGBT性能調(diào)節(jié)能力。


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圖2:NCD5700x大電流IGBT驅(qū)動器系統(tǒng)框圖

(圖源:安森美)


NCD5700x大電流IGBT驅(qū)動器具有低輸出阻抗,用于增強(qiáng)型IGBT驅(qū)動;可適應(yīng)輸入側(cè)上的5V和3.3V信號,以及驅(qū)動器側(cè)上的寬偏置電壓范圍,包括負(fù)電壓功能;具有互補(bǔ)輸入和精確UVLO,還可提供獨立的高側(cè)和低側(cè)(OUTH和OUTL)驅(qū)動器輸出。


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圖3:UVLO示意圖

(圖源:安森美)


NCD5700x大電流IGBT驅(qū)動器具有出色的安全特性,包括漏極開路故障和就緒輸出、有源米勒鉗位、DESAT保護(hù)以及DESAT軟關(guān)斷特性等。并且,相關(guān)器件的輸入和輸出之間保證了8mm的爬電距離,以滿足增強(qiáng)的安全絕緣要求。


除了應(yīng)用于太陽能逆變器領(lǐng)域,NCD5700x大電流IGBT驅(qū)動器還可用于電機(jī)控制、不間斷電源(UPS)、焊接和工業(yè)電源等豐富場景中。


儲能系統(tǒng)讓電網(wǎng)更具彈性


根據(jù)國網(wǎng)浙江電力研究院聯(lián)合北京交通大學(xué)發(fā)布的名為《多元融合高彈性電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)綜述》論文,在多元融合高彈性電網(wǎng)系統(tǒng)里,采用了非常多的創(chuàng)新型技術(shù),包括系統(tǒng)級模型構(gòu)建技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)、高效運(yùn)行控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)以及儲能技術(shù)等。


其中,儲能技術(shù)被認(rèn)為是解決電網(wǎng)負(fù)荷波動問題的重要手段,受到了全球各國家和地區(qū)的重點關(guān)注。


在我國,根據(jù)國家發(fā)改委的統(tǒng)計數(shù)據(jù),截至2022年底,全國已投運(yùn)新型儲能項目裝機(jī)規(guī)模達(dá)870萬千瓦,平均儲能時長約2.1小時,比2021年底增長110%以上;從2022年新增裝機(jī)技術(shù)占比來看,鋰離子電池儲能技術(shù)占比達(dá)94.2%,占據(jù)市場主導(dǎo)地位。

圖片


從系統(tǒng)規(guī)模來看,相較于工商業(yè)儲能系統(tǒng)和移動儲能系統(tǒng),應(yīng)用于電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整的儲能系統(tǒng)均屬于大型儲能系統(tǒng),通常以集裝箱作為載體,在其中組裝了電池系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、變流器系統(tǒng)(PCS)、冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及照明和監(jiān)控系統(tǒng)。這些大型儲能系統(tǒng)既可以用于清潔能源發(fā)電端,也可以用于用戶端的電力輔助和分時用電。


儲能系統(tǒng)的性能高低主要決定于系統(tǒng)中的元器件。綜合器件的性能特點和儲能系統(tǒng)需求來看,SiC(碳化硅)MOSFET是一個理想的選擇,可以用于電池充放電控制和能量管理。其低導(dǎo)通壓降和高功率密度特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和快速響應(yīng)。并且,SiC MOSFET具有低漏電流特性,讓系統(tǒng)損耗得以進(jìn)一步減少。


下面我們?yōu)榇蠹彝扑]一款來自安森美的NXH006P120MNF2PTG半橋SiC模塊,該器件在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為NXH006P120MNF2PTG。


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圖4:NXH006P120MNF2PTG半橋SiC模塊

(圖源:貿(mào)澤電子)


如下圖所示,NXH006P120MNF2PTG半橋SiC模塊具有兩個6mΩ 1200V SiC MOSFET開關(guān)和1個熱敏電阻,采用F2封裝。器件內(nèi)部的SiC MOSFET開關(guān)使用M1技術(shù),由18V-20V柵極驅(qū)動。另外,NXH006P120MNF2模塊采用平面技術(shù),裸片熱阻低,因此可靠性高。


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圖5:NXH006P120MNF2PTG系統(tǒng)框圖

(圖源:安森美)


在應(yīng)用方面,除了可用于電網(wǎng)端的大型儲能系統(tǒng),NXH006P120MNF2PTG半橋SiC模塊面向的應(yīng)用場景還包括DC-AC轉(zhuǎn)換、DC-DC轉(zhuǎn)換、AC-DC轉(zhuǎn)換 、UPS、電動汽車充電站和太陽能逆變器等。


強(qiáng)化傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施


我們上述提到了多項可用于多元融合高彈性電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),比如系統(tǒng)級模型構(gòu)建技術(shù)、云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等,讓我們能夠清晰地認(rèn)識到,多元融合高彈性電網(wǎng)是一種高度依賴數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新型電網(wǎng)。


從復(fù)雜度上講,由于融合了新能源、物聯(lián)網(wǎng)、儲能和人工智能等創(chuàng)新技術(shù),多元融合高彈性電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)會更加復(fù)雜。而在這套復(fù)雜的系統(tǒng)中,需要提前將一些功能單元和負(fù)載保護(hù)起來,讓它們免受電網(wǎng)波動和雷擊浪涌、高壓沖擊等傷害,這便是隔離器件在電網(wǎng)中起到的作用。同時,有了隔離器件,多元融合高彈性電網(wǎng)的運(yùn)維也更加高效和安全。


接下來我們介紹的器件便是一款隔離器,來自制造商TI,貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為ISOW7721DFMR。


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圖6:ISOW7721雙通道數(shù)字隔離器

(圖源:貿(mào)澤電子)


TI 的ISOW7721雙通道數(shù)字隔離器是一款電流隔離數(shù)字隔離器,集成了低排放高效功率轉(zhuǎn)換器,能夠提供高達(dá)550mW隔離電源。該功能消除了在空間受限的隔離式設(shè)計中對單獨的隔離式電源的需求。在隔離性能上,該器件提供增強(qiáng)型和基礎(chǔ)型隔離選項。


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圖7:ISOW7721雙通道數(shù)字隔離器系統(tǒng)框圖

(圖源:TI)


ISOW7721擁有高效率輸出功率,最大負(fù)載時的效率為46%,可提供高達(dá)0.55W的輸出功率,VISOOUT精度為±5%,可用負(fù)載電流高達(dá)110mA(5V至5V時)、140mA(5V至3.3V時)或者60mA(3.3V至3.3V時)。如果需要額外功率,ISOW7721支持多器件連接,在系統(tǒng)中使用兩個器件將集成功率輸出提高到>1W和>200mA。


除了可用于電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,ISOW7721還可應(yīng)用于電機(jī)控制、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備和測試測量等領(lǐng)域。


建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)乃大勢所趨


能源技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等領(lǐng)域的高速發(fā)展,讓建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)成為可能。在全球主要國家和地區(qū)推動“雙碳目標(biāo)”落地的過程中,建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)也有其必要性,是提升電能穩(wěn)定供應(yīng)的有效手段。隨著相關(guān)項目逐步落地,電網(wǎng)將逐步體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳的優(yōu)良特性。


不過,必須要強(qiáng)調(diào)的是,多元融合高彈性電網(wǎng)并不是對現(xiàn)有電網(wǎng)進(jìn)行粗暴的改造,這樣做往往會事倍功半。多元融合高彈性電網(wǎng)是對電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲”進(jìn)行全面的智能化升級,需要因地制宜,將存量資源和增量資源有機(jī)結(jié)合,這才是真正的柔性電網(wǎng),真正的可持續(xù)發(fā)展。



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