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

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(shí)，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(shí)。

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(shí)，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(shí)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(gè)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(diǎn)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(jì)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(shí)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(bào)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(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步，如此才能實(shí)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(diǎn)追蹤(MPPT)下運(yùn)行。

在整個(gè)光伏逆變器中，IGBT是核心部件，占到光伏逆變器價(jià)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。

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。

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(dú)立的高側(cè)和低側(cè)（OUTH和OUTL）驅(qū)動器輸出。

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(jì)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(diǎn)關(guān)注。

在我國，根據(jù)國家發(fā)改委的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2022年底，全國已投運(yùn)新型儲能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模達(dá)870萬千瓦，平均儲能時(shí)長約2.1小時(shí)，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(shí)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(diǎn)和儲能系統(tǒng)需求來看，SiC（碳化硅）MOSFET是一個(gè)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。

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(gè)6mΩ 1200V SiC MOSFET開關(guān)和1個(gè)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。

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(xiàng)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(jì)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(shí)，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。

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(jì)中對單獨(dú)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(xiàng)。

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(shí)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(shí)）、140mA（5V至3.3V時(shí)）或者60mA（3.3V至3.3V時(shí)）。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(gè)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(xiàng)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。