设计高效能储能系统,助推全球达成碳中和愿景

在新能源技术的进步以及全球碳中和大背景下,储能系统(ESS)正迎来前所未有的发展机遇。据CNESA,2020年中国新增电力储能项目投运容量2.7GW,已投运的累计装机容量达33.4GW,预计2060年装机规模将达420GW左右,需求空间大。特别是在国内风光实现平价背景下,新能源和电网综合能源服务需求提升,电网消纳能力或成新能源装机增长瓶颈,储能市场亟待发展。另外一方面,技术不断进步和电池产业降本增效,据BNEF,储能成本在过去10年间每年平均下降10%-15%,现已突破1.5元/Wh的系统成本经济性拐点。此外,从中央到地方多次发文支持储能,如各地方政府和电网部门于2020年相继提出新增新能源项目配置5%-20%储能系统的需求,储能系统或迎发展良机。      

   

数据来源:广发证券发展研究中心

         

本文将分析储能应用的现实场景以及从业界领先的高性能半导体提供商ADI的关键解决方案入手,阐述储能应用如何从效率核心要点中实现突破。ADI公司从最先进的电池管理系统到高电压电源转换器,利用自身领先的多节电池的电池组监视器和库仑计数器,解决了高准确度电压监视、电流监视和电池电量平衡问题。另外,ADI还在 SiC 和 GaN 电源开关以及隔离式通信 IC的隔离式栅极驱动器中运用了专有的 iCoupler 技术。在高电压、高功率转换系统中,数字隔离器与高速栅极驱动器内核相集成,以创建能够以最大速度/频率驱动碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 功率 MOSFET 的隔离式栅极驱动器,从而实现优异的效率目标。      

         

电动汽车集中供电压力暴增,储能系统应用提供破局方案

电动汽车(EV)将获得越来越多的市场份额,最终取代内燃机汽车。直流快速充电站将取代或整合加油站。人们将希望能在不到15分钟的时间内为电动汽车充满电,他们不愿排队等候唯一的充电桩。考虑到有多个充电桩,电网需要提供的局部充电峰值功率超过1 MW。电网可能在多个点上崩溃,或者需要投入巨额资金,改善输电线路和集中式发电厂,大幅提高基本负荷。

   

充电站所在的电网必须间歇性地维持大于1 MW的峰值。必须实施非常高效、高度复杂的有功功率因数校正(PFC)级,确保电网保持高效,不影响频率,也不造成不稳定。这也意味着必须安装非常昂贵的变压器,将低压充电站接入中压电网,确保将电能从电厂输送到充电站的输电线路在规格上能满足峰值功率需求。如果在充电站充电既有汽车,也有卡车和公交车,则所需功率会更高。

储能系统可以简单而优雅地解决这个问题。我们使用汽油、天然气等燃料来存储能量,并在需要时(如在为汽车加油时)再次利用。同理,我们可以利用电子和化学方法将电能存储在电池中。然后,可以利用此能量增加电动汽车充电量,通过调节功率峰值,保持电网稳定,或是在停电的情况下提供电源。

   

最简单、最经济的解决方案是使用储能系统,在用电低谷期充电(或存储太阳能、风能等可再生能源在当地生产的电能),在高峰期为充电桩补充充电容量,而不是安装新的输电线路和大型变压器。这样用户就可以直连有多余电能的充电站,而不是完全依靠电网容量扩充。

   

未来电动汽车充电站的功率变换

         

风光新能源平价趋势,推动储能系统新场景

可再生能源发电市场(最近经历了太阳能光伏系统蓬勃发展的几年)仍保持着良好的增长势头,这与过去10年太阳能系统价格下降约80%和强有力的脱碳举措是分不开的。今天,太阳能仅占全球发电量的5%以下,到2050年预计将占全球发电量的三分之一(33)以上。

在用电负荷呈现间歇性特点的背景下,太阳能、风能等间歇性能源的存储提供了解决这些问题的途径。太阳能发电将改变集中式发电厂的运作方式,确保电网不过载;人们将会要求更便捷的供电方式,他们家里的自用电将越来越多地由住宅太阳能发电系统提供。为了使所有实体顺利合作并从可再生能源受益,储能系统必须参与其中,确保我们可以存储和重用需求低时产生的电能(例如,晚上使用中午产生的太阳能),利用多余的能量来平衡电网负荷。

储能系统相当于电能领域的油罐或煤炭仓库,可以用于住宅和工业规模的多种应用当中。在住宅应用中,很容易将光伏逆变器接入蓄电池,在家存储和使用能量,或者用太阳白天产生的能量在晚上为汽车充电。在工业或公用事业规模的应用(如并网服务)中,储能系统可用于不同目的:从调节光伏和风能到能源套利,从后备支持到黑启动(消除柴油发电机),最重要的是从总成本角度考虑,可以延缓投资。在后一种情况下,可以利用储能系统满足电网节点峰值负荷需求,确保无需付出高昂成本、升级现有输电线路。另一个相关应用案例是离网设施,此时,储能系统使微电网电能能自给自足。

考虑到所有可能应用,储能系统市场2045年之前将突破1000 GW发电量/2000 GWh产能的阈值,相比今天的10 GW发电量/20 GWh产能,可谓迅猛增长。

         

隔离式栅极驱动器突破性能瓶颈,储能系统设计效率再提升

就最新的电力电子设计而言,用基于碳化硅功率MOSFET设计的变换器可才实现最高效率。与硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较后显示,效率提高了5%(最大负载)到20%(部分负载)。从硅IGBT转向SiC MOSFET带来了巨大的效率优势,还节省了空间,减小了重量。然而,它们不能单独解决问题。SiC MOSFET的驱动方式是达到所需开关频率的关键,而开关频率决定着系统设计成本与效率之间的最佳平衡。设计人员定下的目标开关频率范围为50 kHz250 kHz。栅极驱动器的要求越来越高,主要体现在传播传输延迟更短、短路保护更好两个方面。

ADIADuM4136是一款采用最新iCoupler®技术的隔离式栅极驱动器。这种隔离技术可实现150 kV/µs的共模瞬变抗扰度(CMTI),以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET。加上去饱和保护等快速故障管理功能,设计人员可以正确驱动高达1200 V的单个或并联SiC MOSFET

隔离式栅极驱动器必须有电源驱动,ADuM4136栅极驱动器与LT3999 推挽式控制器的组合可以成为一种无噪声的高效构建模块,用于正确管理SiC MOSFET LT3999用于控制ADuM4136的双极性隔离电源。LT3999隔离电源采用超低EMI噪声设计,开关频率高达1MHz,可以成就经济高效的紧凑式解决方案。可以在不牺牲效率的情况下,在功率变换器中实现超高的功率密度。

   

ADuM4136LT3999栅极驱动器单元

         

小结:

针对新能源存储和集中充电储能等应用场景,功率变换系统和储能系统是关键。其实这些系统中还有更多领域需要重点关注,包括了电池包监测系统(BMS)、电流计量到故障保护器件,从气体检测到功能安全,它们都是极其重要的,能带来众多好处。ADI公司目前正在积极研发所有这些子系统,确保我们能够感知、测量、连接、解读、保护和驱动所有物理现象,获得可靠且鲁棒的数据。高端算法将使用这些数据,确保将大部分能量从可再生资源变换为负荷。

       


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