為什么在儲(chǔ)能變流器PCS應(yīng)用中碳化硅SiC模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

儲(chǔ)能變流器（Power Conversion System）英文簡稱PCS，可控制蓄電池的充電和放電過程，進(jìn)行交直流的變換，在無電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)荷供電。 儲(chǔ)能變流器PCS由DC/AC 雙向變流器、控制單元等構(gòu)成。 根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。PCS儲(chǔ)能變流器，全稱Power Conversion System，是儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)之間的能量轉(zhuǎn)換和雙向流動(dòng)。它能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電或?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，以滿足電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電需求。PCS儲(chǔ)能變流器在儲(chǔ)能系統(tǒng)中扮演著“橋梁”的角色，連接著儲(chǔ)能電池和電網(wǎng)，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

 

PCS儲(chǔ)能變流器的應(yīng)用場景

 

1.能量時(shí)移：在用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，PCS儲(chǔ)能變流器可以用于能量時(shí)移，將白天時(shí)段內(nèi)光伏多余的發(fā)電量儲(chǔ)存起來，在晚上或者陰雨天氣無光伏發(fā)電量的時(shí)段內(nèi)再通過PCS釋放出來，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大化自發(fā)自用。

 

2.峰谷套利：在用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，尤其是執(zhí)行分時(shí)電價(jià)的工商業(yè)園區(qū)，PCS儲(chǔ)能變流器可用于進(jìn)行峰谷套利，通過在電價(jià)低廉的時(shí)間段進(jìn)行充電，在電價(jià)高昂的時(shí)間段進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)低充高放進(jìn)行套利，達(dá)到節(jié)省園區(qū)整體用電成本的目的。

 

3.動(dòng)態(tài)擴(kuò)容：在電力容量受限的場景，類似電動(dòng)汽車充電站場景，通過PCS儲(chǔ)能變流器配置儲(chǔ)能電池來進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，充電高峰時(shí)候，PCS儲(chǔ)能變流器進(jìn)行放電，提供額外的功率支持；充電低峰時(shí)，PCS儲(chǔ)能變流器進(jìn)行充電，儲(chǔ)存低價(jià)的電能進(jìn)行備用，既能實(shí)現(xiàn)峰谷套利，又能給充電場站進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。

 

4. 微電網(wǎng)系統(tǒng)：在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，PCS儲(chǔ)能變流器能夠?qū)崿F(xiàn)分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。通過PCS儲(chǔ)能變流器的精確功率控制和智能能量管理，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)中電源和負(fù)荷的平衡和優(yōu)化調(diào)度。

 

5. 電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰：在電力系統(tǒng)中，PCS儲(chǔ)能變流器可以用于調(diào)頻調(diào)峰，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，PCS儲(chǔ)能變流器可以釋放儲(chǔ)能電池中的能量，為電網(wǎng)提供額外的功率支持；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，PCS儲(chǔ)能變流器則可以吸收電網(wǎng)中的多余能量，為儲(chǔ)能電池充電，以備后用。

 

PCS儲(chǔ)能變流器的發(fā)展趨勢(shì)

 

目前在大型儲(chǔ)能電站中普遍采用集中式PCS,一臺(tái)大功率PCS同時(shí)控制多簇并聯(lián)的電池，電池簇間的不均衡問題得不到有效的處理；而組串式PCS，一臺(tái)中小功率的PCS只控制一簇電池，實(shí)現(xiàn)一簇一管理，有效規(guī)避電池簇間的木桶效應(yīng)，提升系統(tǒng)壽命，提高全壽命周期放電容量，組串式PCS規(guī)模化應(yīng)用趨勢(shì)已見雛形，在工商業(yè)儲(chǔ)能一體柜中組串式PCS已成為行業(yè)主流方案，未來在大型儲(chǔ)能電站中也將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化應(yīng)用。

 

隨著新能源和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展以及儲(chǔ)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，PCS儲(chǔ)能變流器將面臨更大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。未來，PCS儲(chǔ)能變流器將朝著更高效、更智能、更靈活的方向發(fā)展。

 

IGBT模塊在十幾 kHz開關(guān)頻率中就會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的局限性，由于IGBT模塊尾電流導(dǎo)致?lián)p耗較大。使用 SiC-MOSFET模塊，開關(guān)頻率增加，從而減小了濾波器體積。SiC 模塊允許在數(shù)十和數(shù)百 kHz 的頻率下運(yùn)行，開關(guān)損耗相對(duì)較低，從而顯著減少了濾波器和散熱熱系統(tǒng)的體積。這些技術(shù)進(jìn)步使變流器總體積大幅度減少，效率提高，從而能夠在較低溫度下運(yùn)行并可能延長組件的使用壽命。

為了滿足PCS儲(chǔ)能變流器更高效的需求，使用基本公司碳化硅SiC模塊全面取代IGBT模塊，可以提升系統(tǒng)效率1%，有效提升客戶在PCS生命周期里的收益。SiC模塊全面取代IGBT模塊，從而將PCS儲(chǔ)能變流器開關(guān)損耗降低高達(dá) 70% 至 80%，在儲(chǔ)能變流器PCS應(yīng)用中碳化硅SiC模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

儲(chǔ)能變流器（PCS）包括整流器和逆變器，決定著輸出電能的質(zhì)量與特征。并網(wǎng)模式下，在負(fù)荷低谷時(shí)，儲(chǔ)能變流器把電網(wǎng)中的交流電整流成直流電給電池組充電；在負(fù)荷高峰時(shí)，儲(chǔ)能變流器把電池組中的直流電逆變成交流電反送到電網(wǎng)中。因此，在新能源規(guī)模化并網(wǎng)的背景下，逆變器的控制技術(shù)是構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的關(guān)鍵所在。

跟網(wǎng)型（Grid  Following）控制技術(shù)和構(gòu)網(wǎng)型（Grid Forming）控制技術(shù)。當(dāng)前，并網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器通常采用跟網(wǎng)型控制技術(shù)。

 

構(gòu)網(wǎng)型變流器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其原理是通過模擬同步發(fā)電機(jī)特性來提升系統(tǒng)支撐能力。它分為電網(wǎng)跟蹤型和電網(wǎng)構(gòu)造型，構(gòu)網(wǎng)型變流器通過特定控制方式將變流器端口特性塑造為類似同步發(fā)電機(jī)特性，具備頻率響應(yīng)、電壓調(diào)節(jié)和過載能力等特點(diǎn)，其直流側(cè)能量來源多樣，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括模塊化多電平、兩/三電平，主接線方式有角接拓?fù)浜椭绷魍負(fù)洌尤胂到y(tǒng)方式分為高壓直掛和低壓升壓后接入，儲(chǔ)能接入方式也有多種。

 

跟網(wǎng)型儲(chǔ)能的應(yīng)用主要集中在通過最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)向電網(wǎng)注入有功功率。因此，無功電源是很小的，往往接近于零。從整體循環(huán)效率的角度來看，跟網(wǎng)型儲(chǔ)能更有吸引力。而構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的主要優(yōu)勢(shì)之一是調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓和頻率，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能中的有功功率和無功功率參考值不斷變化。

 

從控制的角度來看，跟網(wǎng)型儲(chǔ)能的行為可以近似為具有并聯(lián)高阻抗的受控電流源。與跟網(wǎng)型儲(chǔ)能相比，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能可以近似為具有低串聯(lián)阻抗的電壓源。跟網(wǎng)型儲(chǔ)能和構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能控制的另一個(gè)主要區(qū)別是，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能可以在沒有電網(wǎng)連接的情況下建立自己的參考電壓和頻率，具有和同步發(fā)電機(jī)類似的運(yùn)行特性。因此，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能理論上可以在完全(100%)電力電子設(shè)備系統(tǒng)中運(yùn)行，可適用于弱電網(wǎng)和孤島，而跟網(wǎng)型儲(chǔ)能比較適用于具有強(qiáng)電網(wǎng)支撐的應(yīng)用場景。由于開關(guān)設(shè)備的電流限制，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的電力電子設(shè)備容量通常是很大，以滿足故障電流通流要求，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的電力電子設(shè)備PCS中SiC模塊全面取代IGBT模塊，從而將PCS儲(chǔ)能變流器開關(guān)損耗降低高達(dá) 70% 至 80%，在儲(chǔ)能變流器PCS應(yīng)用中碳化硅SiC模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

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構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)本質(zhì)上是電壓源，它能夠自主設(shè)定電壓參數(shù)，輸出穩(wěn)定的電壓與頻率，提升變流器的電壓、頻率支撐能力，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在頻率和慣量支撐方面，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)通過控制釋放直流側(cè)儲(chǔ)能能量，等效為同步機(jī)慣量機(jī)械能或阻尼能量，進(jìn)而提供慣量響應(yīng)與振蕩抑制。

 

構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)由構(gòu)網(wǎng)型變流器、升壓變壓器和電力線路組成。系統(tǒng)容量的變化會(huì)直接影響構(gòu)網(wǎng)型變流器、升壓變壓器和電力線路的等效阻抗。因此，不能簡單地將構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能視為理想電壓源。

 

在電壓支撐方面，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)通過功率同步控制機(jī)制，將儲(chǔ)能變流器塑造成電壓源外特性，可在不依賴外界交流系統(tǒng)的情況下，自行構(gòu)建交流側(cè)電壓幅值與相位，為電力系統(tǒng)提供強(qiáng)大的電壓支撐。因此，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)則更適合于可再生能源接入比例高的地區(qū)。

 

Grid-Forming構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)可提高系統(tǒng)強(qiáng)度、增加短路比，從而實(shí)現(xiàn)彈性電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高水平的可再生能源發(fā)電和可靠的能源運(yùn)輸。Grid-Forming構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)一步穩(wěn)固了電網(wǎng)電壓波形和高電能質(zhì)量，同時(shí)減輕了區(qū)域間或局部電網(wǎng)波動(dòng)。

 

 

 

構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)通過超配PCS方式提高過載能力構(gòu)建起支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓源，可以起到快速調(diào)頻調(diào)壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

區(qū)別于傳統(tǒng)跟網(wǎng)型儲(chǔ)能，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能能夠主動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)情況，更精細(xì)主動(dòng)地平抑電網(wǎng)波動(dòng)。

 

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IGBT芯片技術(shù)不斷發(fā)展，但是從一代芯片到下一代芯片獲得的改進(jìn)幅度越來越小。這表明IGBT每一代新芯片都越來越接近材料本身的物理極限。SiC MOSFET寬禁帶半導(dǎo)體提供了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體總功率損耗的顯著降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低開關(guān)損耗，從而提高開關(guān)頻率。進(jìn)一步的，可以優(yōu)化濾波器組件，相應(yīng)的損耗會(huì)下降，從而全面減少系統(tǒng)損耗。通過采用低電感SiC MOSFET功率模塊，與同樣封裝的Si IGBT模塊相比，功率損耗可以降低約70%左右，可以將開關(guān)頻率提5倍（實(shí)現(xiàn)顯著的濾波器優(yōu)化），同時(shí)保持最高結(jié)溫低于最大規(guī)定值。

 

未來隨著設(shè)備和工藝能力的推進(jìn)，更小的元胞尺寸、更低的比導(dǎo)通電阻、更低的開關(guān)損耗、更好的柵氧保護(hù)是SiC碳化硅MOSFET技術(shù)的主要發(fā)展方向，體現(xiàn)在應(yīng)用端上則是更好的性能和更高的可靠性。

為此，BASiC™國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™研發(fā)推出更高性能的第三代碳化硅MOSFET，該系列產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化鈍化層，提升可靠性，相比上一代產(chǎn)品擁有更低比導(dǎo)通電阻、器件開關(guān)損耗，以及更高可靠性等優(yōu)越性能，可助力光伏儲(chǔ)能、新能源汽車、直流快充、工業(yè)電源、通信電源、伺服驅(qū)動(dòng)、APF/SVG、熱泵驅(qū)動(dòng)、工業(yè)變頻器、逆變焊機(jī)、四象限工業(yè)變頻器等行業(yè)實(shí)現(xiàn)更為出色的能源效率和應(yīng)用可靠性。

 

為滿足光伏儲(chǔ)能領(lǐng)域高電壓、大功率的應(yīng)用需求，BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™基于第二代SiC MOSFET技術(shù)平臺(tái)開發(fā)推出了2000V 24mΩ、1700V 600mΩ高壓系列碳化硅MOSFET，產(chǎn)品具有低導(dǎo)通電阻、低導(dǎo)通損耗、低開關(guān)損耗、支持更高開關(guān)頻率運(yùn)行等特點(diǎn)。

針對(duì)新能源汽車的應(yīng)用需求，BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™研發(fā)推出符合AEC-Q101認(rèn)證和PPAP要求的1200V 80mΩ和40mΩ 的碳化硅MOSFET，可主要應(yīng)用在車載充電機(jī)及汽車空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)中。

B3M040120Z是BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™基于第三代碳化硅MOSFET技術(shù)平臺(tái)開發(fā)的最新產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化鈍化層，提升可靠性，相對(duì)于上一代產(chǎn)品在比導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗以及可靠性方面有更進(jìn)一步提升。

 

相較于傳統(tǒng)封裝形式，BASiC™基半股份PCB嵌入式功率模塊單位半導(dǎo)體的通流能力可以提升約40%，或者同樣電流輸出使用的半導(dǎo)體用量減少1/3。同樣功率輸出條件下，功率模塊物料成本有望降低20%。PCB布局設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)更加靈活，大大加快了工程開發(fā)的迭代速度和客戶交付速度。受到封裝限制而難以在傳統(tǒng)逆變器中實(shí)現(xiàn)的高級(jí)電路拓?fù)洌缛娖健GBT/SiC MOSFET混并等方案，都可以借助BASiC™基半股份PCB嵌入式封裝高度靈活性的優(yōu)勢(shì)而加速了產(chǎn)業(yè)化落地。

根據(jù)技術(shù)和商業(yè)評(píng)估，BASiC™基半股份PCB嵌入式功率模塊是一項(xiàng)非常有前景的封裝技術(shù)，有望在在單位功率成本、功率密度、產(chǎn)品交付和迭代速度等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)封裝，成為未來電力電子應(yīng)用的新方向。

 

BMF240R12E2G3是BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™基于PcoreTM2 E2B封裝的1200V 5.5mΩ工業(yè)級(jí)全碳化硅半橋功率模塊，產(chǎn)品采用集成的NTC溫度傳感器、Press-Fit壓接技術(shù)以及高封裝可靠性的氮化硅AMB陶瓷基板，在導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗、抗誤導(dǎo)通、抗雙極性退化等方面表現(xiàn)出色。

B2M040120T和B2M080120T是BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™基于第二代碳化硅MOSFET技術(shù)開發(fā)的頂部散熱內(nèi)絕緣的塑封半橋模塊，主要應(yīng)用于OBC、空調(diào)壓縮機(jī)和工業(yè)電源中。

BASiC™國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應(yīng)商-基本公司™推出可支持米勒鉗位的雙通道隔離驅(qū)動(dòng)芯片BTD25350系列，此驅(qū)動(dòng)芯片專為碳化硅MOSFET門極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可高效可靠抑制碳化硅MOSFET的誤開通，還可用于驅(qū)動(dòng)MOSFET、IGBT等功率器件。

 

 

為了保持電力電子系統(tǒng)競爭優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為了使最終用戶獲得經(jīng)濟(jì)效益，一定程度的效率和緊湊性成為每一種電力電子應(yīng)用功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)所在。隨著IGBT技術(shù)到達(dá)發(fā)展瓶頸，加上SiC MOSFET絕對(duì)成本持續(xù)下降，使用SiC MOSFET替代升級(jí)IGBT已經(jīng)成為各類型電力電子應(yīng)用的主流趨勢(shì)。