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多元融合高弹性电网初落地,电源和功率器件迎行业风口

关键词:电网 电源 功率器件 新能源发电

时间:2023-09-19 11:23:16      来源:贸泽电子

每到盛夏,我国江浙沿海一带就会出现电力紧张问题。因此,“高温下保供电”便成为各地的主要方针。同时,随着新能源汽车渗透率提升,电能供应的挑战会越来越大。为了能够更好地解决供电难题,多元融合高弹性电网成为电力能源领域的热门概念,并已经得到了初步的落实。

每到盛夏,我国江浙沿海一带就会出现电力紧张问题。因此,“高温下保供电”便成为各地的主要方针。同时,随着新能源汽车渗透率提升,电能供应的挑战会越来越大。为了能够更好地解决供电难题,多元融合高弹性电网成为电力能源领域的热门概念,并已经得到了初步的落实。

多元融合高弹性电网将分布式电源和储能系统融入电网系统中,具有明显的负载可调特性,有助于电力系统调度控制从传统的“源随荷动”向“源网荷储友好互动”模式转变。因此,在电网负荷不断增大的情况下,多元融合高弹性电网具有重要的战略意义。

在多元融合高弹性电网构建的过程中,两种类型的器件最为关键,一种是模拟电源,另一种是功率器件。同时,这也是贸泽电子官网销售的两大类主流器件,它们将和广大业者一起开启电网运转新时代。

多元融合下的新能源发电

多元融合高弹性电网具有高承载、高互动、高自愈、高性能四大核心特征,这就要求这种新式电网需要具备两个基础能力:其一是电网需要能灵活地应对大规模电力供应,其二是电网需要能允许大规模清洁能源动态性接入。

在第二点上,目前清洁能源发电拥有广泛的市场前景。根据国家能源局的统计数据,2022年国内新增清洁能源装机量为1.52亿千瓦,总装机量达到了12.13亿千瓦。截至2022年底,天然气、水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源消费量占能源消费总量的25.9%。近年来,这一占比稳定提升。

目前,太阳能和风能是清洁能源的主要来源,国家能源局在分享2022年1-6月份发电数据时表示,除了传统的火电和水电,太阳能和风能在份额上并列第三名,报告期内发电占比均为14%。

太阳能发电主要有两种形式,一种是光-热-动-电转换方式,另一种是光-电直接转换方式。不过,由于太阳能热发电的效率很低,导致其建站的成本甚至会达到火力发电站的5-6倍,因此光电直接转换是目前的主流,这种方式就是我们所说的光伏。

在光伏发电的大系统里,由光转化的电能有两条去路:蓄电池和电网。通往电网的光伏发电系统主要包含四部分,分别是光伏矩阵、光伏控制器、逆变器和交流负载端。这里面,逆变器的作用是将太阳能电池板所发的直流电转化成能够并网使用的交流电。

话虽如此,逆变器的工作却并不简单。逆变器需要通过开关电源、变压器、滤波器、IGBT等器件顺应电网的电压和频率要求,调整输出电压的波形、频率和相位,以实现与电网同步,如此才能实现并网。

逆变器也担负着功能安全的使命,具备一定的控制和保护功能,比如过压、过流、短路、过温等,确保系统的稳定运行。另外,逆变器也需要具备一定的动态调节能力,以保证系统在最大功率点追踪(MPPT)下运行。

在整个光伏逆变器中,IGBT是核心部件,占到光伏逆变器价值量的15%-20%。不同的光伏电站需要的IGBT产品略有不同,比如集中式光伏主要采用IGBT模块,而分布式光伏主要采用IGBT单管或模块。从某种意义上讲,IGBT的性能水平直接决定了光伏逆变器的性能水平。

我们都知道IGBT是靠驱动器对其性能进行整体调控,驱动器的好坏直接影响IGBT的动态性能,并且和IGBT的稳定性和成本息息相关。在这里我们为大家推荐一款来自制造商安森美(onsemi)的IGBT驱动器NCD5700x,这款器件在贸泽电子官网上的料号为NCD57000DWR2G。


图1:NCD5700x大电流IGBT驱动器(图源:贸泽电子)

安森美NCD5700x是内置电流隔离的大电流单沟道IGBT驱动器,可在高功率应用中提供高系统性能和可靠性。相关器件具有高度灵活的动态IGBT性能调节能力。


图2:NCD5700x大电流IGBT驱动器系统框图(图源:安森美)

NCD5700x大电流IGBT驱动器具有低输出阻抗,用于增强型IGBT驱动;可适应输入侧上的5V和3.3V信号,以及驱动器侧上的宽偏置电压范围,包括负电压功能;具有互补输入和精确UVLO,还可提供独立的高侧和低侧(OUTH和OUTL)驱动器输出。


图3:UVLO示意图(图源:安森美)

NCD5700x大电流IGBT驱动器具有出色的安全特性,包括漏极开路故障和就绪输出、有源米勒钳位、DESAT保护以及DESAT软关断特性等。并且,相关器件的输入和输出之间保证了8mm的爬电距离,以满足增强的安全绝缘要求。

除了应用于太阳能逆变器领域,NCD5700x大电流IGBT驱动器还可用于电机控制、不间断电源(UPS)、焊接和工业电源等丰富场景中。

储能系统让电网更具弹性

根据国网浙江电力研究院联合北京交通大学发布的名为《多元融合高弹性电网关键技术综述》论文,在多元融合高弹性电网系统里,采用了非常多的创新型技术,包括系统级模型构建技术、柔性直流输电技术、高效运行控制技术、大数据技术、云计算技术以及储能技术等。

其中,储能技术被认为是解决电网负荷波动问题的重要手段,受到了全球各国家和地区的重点关注。

在我国,根据国家发改委的统计数据,截至2022年底,全国已投运新型储能项目装机规模达870万千瓦,平均储能时长约2.1小时,比2021年底增长110%以上;从2022年新增装机技术占比来看,锂离子电池储能技术占比达94.2%,占据市场主导地位。

从系统规模来看,相较于工商业储能系统和移动储能系统,应用于电网负荷调整的储能系统均属于大型储能系统,通常以集装箱作为载体,在其中组装了电池系统、能量管理系统、电池管理系统(BMS)、变流器系统(PCS)、冷却系统、消防系统以及照明和监控系统。这些大型储能系统既可以用于清洁能源发电端,也可以用于用户端的电力辅助和分时用电。

储能系统的性能高低主要决定于系统中的元器件。综合器件的性能特点和储能系统需求来看,SiC(碳化硅)MOSFET是一个理想的选择,可以用于电池充放电控制和能量管理。其低导通压降和高功率密度特性使其能够实现高效的能量转换和快速响应。并且,SiC MOSFET具有低漏电流特性,让系统损耗得以进一步减少。

下面我们为大家推荐一款来自安森美的NXH006P120MNF2PTG半桥SiC模块,该器件在贸泽电子官网上的料号为NXH006P120MNF2PTG。


图4:NXH006P120MNF2PTG半桥SiC模块(图源:贸泽电子)

如下图所示,NXH006P120MNF2PTG半桥SiC模块具有两个6mΩ 1200V SiC MOSFET开关和1个热敏电阻,采用F2封装。器件内部的SiC MOSFET开关使用M1技术,由18V-20V栅极驱动。另外,NXH006P120MNF2模块采用平面技术,裸片热阻低,因此可靠性高。


图5:NXH006P120MNF2PTG系统框图(图源:安森美)

在应用方面,除了可用于电网端的大型储能系统,NXH006P120MNF2PTG半桥SiC模块面向的应用场景还包括DC-AC转换、DC-DC转换、AC-DC转换 、UPS、电动汽车充电站和太阳能逆变器等。

强化传统电网的基础设施

我们上述提到了多项可用于多元融合高弹性电网的关键技术,比如系统级模型构建技术、云计算技术和大数据技术等,让我们能够清晰地认识到,多元融合高弹性电网是一种高度依赖数据系统的新型电网。

从复杂度上讲,由于融合了新能源、物联网、储能和人工智能等创新技术,多元融合高弹性电网相较于传统电网会更加复杂。而在这套复杂的系统中,需要提前将一些功能单元和负载保护起来,让它们免受电网波动和雷击浪涌、高压冲击等伤害,这便是隔离器件在电网中起到的作用。同时,有了隔离器件,多元融合高弹性电网的运维也更加高效和安全。

接下来我们介绍的器件便是一款隔离器,来自制造商TI,贸泽电子官网上该器件的料号为ISOW7721DFMR。


图6:ISOW7721双通道数字隔离器(图源:贸泽电子)

TI 的ISOW7721双通道数字隔离器是一款电流隔离数字隔离器,集成了低排放高效功率转换器,能够提供高达550mW隔离电源。该功能消除了在空间受限的隔离式设计中对单独的隔离式电源的需求。在隔离性能上,该器件提供增强型和基础型隔离选项。


图7:ISOW7721双通道数字隔离器系统框图(图源:TI)

ISOW7721拥有高效率输出功率,最大负载时的效率为46%,可提供高达0.55W的输出功率,VISOOUT精度为±5%,可用负载电流高达110mA(5V至5V时)、140mA(5V至3.3V时)或者60mA(3.3V至3.3V时)。如果需要额外功率,ISOW7721支持多器件连接,在系统中使用两个器件将集成功率输出提高到>1W和>200mA。

除了可用于电网基础设施,ISOW7721还可应用于电机控制、工业自动化、医疗设备和测试测量等领域。

建设多元融合高弹性电网乃大势所趋

能源技术、通信技术、控制技术等领域的高速发展,让建设多元融合高弹性电网成为可能。在全球主要国家和地区推动“双碳目标”落地的过程中,建设多元融合高弹性电网也有其必要性,是提升电能稳定供应的有效手段。随着相关项目逐步落地,电网将逐步体现出经济高效、绿色低碳的优良特性。

不过,必须要强调的是,多元融合高弹性电网并不是对现有电网进行粗暴的改造,这样做往往会事倍功半。多元融合高弹性电网是对电网“源-网-荷-储”进行全面的智能化升级,需要因地制宜,将存量资源和增量资源有机结合,这才是真正的柔性电网,真正的可持续发展。

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