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為什么在儲能變流器PCS應用中碳化硅SiC碳化硅模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

儲能變流器（Power Conversion System）英文簡(jiǎn)稱(chēng)PCS，可控制蓄電池的充電和放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負荷供電。 儲能變流器PCS由DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成。 根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現對電網(wǎng)有功功率及無(wú)功功率的調節。PCS儲能變流器，全稱(chēng)Power Conversion System，是儲能系統中的關(guān)鍵設備，用于實(shí)現儲能電池與電網(wǎng)之間的能量轉換和雙向流動(dòng)。它能夠將直流電轉換為交流電或將交流電轉換為直流電，以滿(mǎn)足電網(wǎng)對儲能系統的充放電需求。PCS儲能變流器在儲能系統中扮演著(zhù)“橋梁”的角色，連接著(zhù)儲能電池和電網(wǎng)，確保儲能系統的高效、穩定運行。

 

PCS儲能變流器的應用場(chǎng)景

 

1.能量時(shí)移：在用戶(hù)側儲能系統中，PCS儲能變流器可以用于能量時(shí)移，將白天時(shí)段內光伏多余的發(fā)電量?jì)Υ嫫饋?lái)，在晚上或者陰雨天氣無(wú)光伏發(fā)電量的時(shí)段內再通過(guò)PCS釋放出來(lái)，可以實(shí)現光伏發(fā)電的最大化自發(fā)自用。

 

2.峰谷套利：在用戶(hù)側儲能系統中，尤其是執行分時(shí)電價(jià)的工商業(yè)園區，PCS儲能變流器可用于進(jìn)行峰谷套利，通過(guò)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)現低充高放進(jìn)行套利，達到節省園區整體用電成本的目的。

 

3.動(dòng)態(tài)擴容：在電力容量受限的場(chǎng)景，類(lèi)似電動(dòng)汽車(chē)充電站場(chǎng)景，通過(guò)PCS儲能變流器配置儲能電池來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴容，充電高峰時(shí)候，PCS儲能變流器進(jìn)行放電，提供額外的功率支持；充電低峰時(shí)，PCS儲能變流器進(jìn)行充電，儲存低價(jià)的電能進(jìn)行備用，既能實(shí)現峰谷套利，又能給充電場(chǎng)站進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴容。

 

4. 微電網(wǎng)系統：在微電網(wǎng)系統中，PCS儲能變流器能夠實(shí)現分布式電源與儲能系統的協(xié)調控制，提高微電網(wǎng)的穩定性和供電質(zhì)量。通過(guò)PCS儲能變流器的精確功率控制和智能能量管理，可以實(shí)現微電網(wǎng)系統中電源和負荷的平衡和優(yōu)化調度。

 

5. 電力系統調頻調峰：在電力系統中，PCS儲能變流器可以用于調頻調峰，提高電網(wǎng)的穩定性和可靠性。當電網(wǎng)負荷高峰時(shí)，PCS儲能變流器可以釋放儲能電池中的能量，為電網(wǎng)提供額外的功率支持；當電網(wǎng)負荷低谷時(shí)，PCS儲能變流器則可以吸收電網(wǎng)中的多余能量，為儲能電池充電，以備后用。

 

PCS儲能變流器的發(fā)展趨勢

 

目前在大型儲能電站中普遍采用集中式PCS,一臺大功率PCS同時(shí)控制多簇并聯(lián)的電池，電池簇間的不均衡問(wèn)題得不到有效的處理；而組串式PCS，一臺中小功率的PCS只控制一簇電池，實(shí)現一簇一管理，有效規避電池簇間的木桶效應，提升系統壽命，提高全壽命周期放電容量，組串式PCS規?；瘧泌厔菀岩?jiàn)雛形，在工商業(yè)儲能一體柜中組串式PCS已成為行業(yè)主流方案，未來(lái)在大型儲能電站中也將實(shí)現大規?；瘧?。

 

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

 

IGBT模塊在十幾 kHz開(kāi)關(guān)頻率中就會(huì )表現出嚴重的局限性，由于IGBT模塊尾電流導致?lián)p耗較大。使用 SiC-MOSFET模塊，開(kāi)關(guān)頻率增加，從而減小了濾波器體積。SiC 模塊允許在數十和數百 kHz 的頻率下運行，開(kāi)關(guān)損耗相對較低，從而顯著(zhù)減少了濾波器和散熱熱系統的體積。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行并可能延長(cháng)組件的使用壽命。

為了滿(mǎn)足PCS儲能變流器更高效的需求，使用基本公司碳化硅SiC碳化硅模塊全面取代IGBT模塊，可以提升系統效率1%，有效提升客戶(hù)在PCS生命周期里的收益。SiC碳化硅模塊全面取代IGBT模塊，從而將PCS儲能變流器開(kāi)關(guān)損耗降低高達 70% 至 80%，在儲能變流器PCS應用中碳化硅SiC碳化硅模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

儲能變流器（PCS）包括整流器和逆變器，決定著(zhù)輸出電能的質(zhì)量與特征。并網(wǎng)模式下，在負荷低谷時(shí)，儲能變流器把電網(wǎng)中的交流電整流成直流電給電池組充電；在負荷高峰時(shí)，儲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?；⒕W(wǎng)的背景下，逆變器的控制技術(shù)是構網(wǎng)型儲能的關(guān)鍵所在。

跟網(wǎng)型（Grid  Following）控制技術(shù)和構網(wǎng)型（Grid Forming）控制技術(shù)。當前，并網(wǎng)儲能逆變器通常采用跟網(wǎng)型控制技術(shù)。

 

構網(wǎng)型變流器技術(shù)應運而生，其原理是通過(guò)模擬同步發(fā)電機特性來(lái)提升系統支撐能力。它分為電網(wǎng)跟蹤型和電網(wǎng)構造型，構網(wǎng)型變流器通過(guò)特定控制方式將變流器端口特性塑造為類(lèi)似同步發(fā)電機特性，具備頻率響應、電壓調節和過(guò)載能力等特點(diǎn)，其直流側能量來(lái)源多樣，拓撲結構復雜，包括模塊化多電平、兩/三電平，主接線(xiàn)方式有角接拓撲和直流拓撲，接入系統方式分為高壓直掛和低壓升壓后接入，儲能接入方式也有多種。

 

跟網(wǎng)型儲能的應用主要集中在通過(guò)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(wú)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(lái)看，跟網(wǎng)型儲能更有吸引力。而構網(wǎng)型儲能的主要優(yōu)勢之一是調節電網(wǎng)的電壓和頻率，為了實(shí)現這一目標，構網(wǎng)型儲能中的有功功率和無(wú)功功率參考值不斷變化。

 

從控制的角度來(lái)看，跟網(wǎng)型儲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)型儲能相比，構網(wǎng)型儲能可以近似為具有低串聯(lián)阻抗的電壓源。跟網(wǎng)型儲能和構網(wǎng)型儲能控制的另一個(gè)主要區別是，構網(wǎng)型儲能可以在沒(méi)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)電機類(lèi)似的運行特性。因此，構網(wǎng)型儲能理論上可以在完全(100%)電力電子設備系統中運行，可適用于弱電網(wǎng)和孤島，而跟網(wǎng)型儲能比較適用于具有強電網(wǎng)支撐的應用場(chǎng)景。由于開(kāi)關(guān)設備的電流限制，構網(wǎng)型儲能的電力電子設備容量通常是很大，以滿(mǎn)足故障電流通流要求，構網(wǎng)型儲能的電力電子設備PCS中SiC碳化硅模塊全面取代IGBT模塊，從而將PCS儲能變流器開(kāi)關(guān)損耗降低高達 70% 至 80%，在儲能變流器PCS應用中碳化硅SiC碳化硅模塊全面革掉IGBT模塊的命！

 

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構網(wǎng)型儲能系統本質(zhì)上是電壓源，它能夠自主設定電壓參數，輸出穩定的電壓與頻率，提升變流器的電壓、頻率支撐能力，增強電力系統的穩定性。在頻率和慣量支撐方面，構網(wǎng)型儲能系統通過(guò)控制釋放直流側儲能能量，等效為同步機慣量機械能或阻尼能量，進(jìn)而提供慣量響應與振蕩抑制。

 

構網(wǎng)型儲能系統由構網(wǎng)型變流器、升壓變壓器和電力線(xiàn)路組成。系統容量的變化會(huì )直接影響構網(wǎng)型變流器、升壓變壓器和電力線(xiàn)路的等效阻抗。因此，不能簡(jiǎn)單地將構網(wǎng)型儲能視為理想電壓源。

 

在電壓支撐方面，構網(wǎng)型儲能系統通過(guò)功率同步控制機制，將儲能變流器塑造成電壓源外特性，可在不依賴(lài)外界交流系統的情況下，自行構建交流側電壓幅值與相位，為電力系統提供強大的電壓支撐。因此，構網(wǎng)型儲能系統則更適合于可再生能源接入比例高的地區。

 

Grid-Forming構網(wǎng)型儲能技術(shù)可提高系統強度、增加短路比，從而實(shí)現彈性電力系統，實(shí)現更高水平的可再生能源發(fā)電和可靠的能源運輸。Grid-Forming構網(wǎng)型儲能系統進(jìn)一步穩固了電網(wǎng)電壓波形和高電能質(zhì)量，同時(shí)減輕了區域間或局部電網(wǎng)波動(dòng)。

 

 

 

構網(wǎng)型儲能技術(shù)通過(guò)超配PCS方式提高過(guò)載能力構建起支撐大電網(wǎng)穩定運行的電壓源，可以起到快速調頻調壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強電力系統穩定性。

 

區別于傳統跟網(wǎng)型儲能，構網(wǎng)型儲能能夠主動(dòng)識別電網(wǎng)情況，更精細主動(dòng)地平抑電網(wǎng)波動(dòng)。

 

 

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國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™2000V系列SiC碳化硅MOSFET適用于1500V光儲系統，1500V系統大組串SiC光伏逆變器，1500V系統儲能變流器PCS，1500V系統固態(tài)斷路器，固態(tài)變壓器以及2000V光儲系統，2000V系統大組串SiC光伏逆變器-MPPT飛跨碳化硅SiC碳化硅模塊和逆變SiC碳化硅模塊，2000V系統儲能變流器PCS，2000V系統固態(tài)斷路器等。

 

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(lái)越小。這表明IGBT每一代新芯片都越來(lái)越接近材料本身的物理極限。SiC MOSFET寬禁帶半導體提供了實(shí)現半導體總功率損耗的顯著(zhù)降低的可能性。使用SiC MOSFET可以降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高開(kāi)關(guān)頻率。進(jìn)一步的，可以?xún)?yōu)化濾波器組件，相應的損耗會(huì )下降，從而全面減少系統損耗。通過(guò)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(kāi)關(guān)頻率提5倍（實(shí)現顯著(zhù)的濾波器優(yōu)化），同時(shí)保持最高結溫低于最大規定值。

 

未來(lái)隨著(zhù)設備和工藝能力的推進(jìn)，更小的元胞尺寸、更低的比導通電阻、更低的開(kāi)關(guān)損耗、更好的柵氧保護是SiC碳化硅MOSFET技術(shù)的主要發(fā)展方向，體現在應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)品擁有更低比導通電阻、器件開(kāi)關(guān)損耗，以及更高可靠性等優(yōu)越性能，可助力光伏儲能、新能源汽車(chē)、直流快充、工業(yè)電源、通信電源、伺服驅動(dòng)、APF/SVG、熱泵驅動(dòng)、工業(yè)變頻器、逆變焊機、四象限工業(yè)變頻器等行業(yè)實(shí)現更為出色的能源效率和應用可靠性。

 

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

針對新能源汽車(chē)的應用需求，BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™研發(fā)推出符合AEC-Q101認證和PPAP要求的1200V 80mΩ和40mΩ 的碳化硅MOSFET，可主要應用在車(chē)載充電機及汽車(chē)空調壓縮機驅動(dòng)中。

B3M040120Z是BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™基于第三代碳化硅MOSFET技術(shù)平臺開(kāi)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，相對于上一代產(chǎn)品在比導通電阻、開(kāi)關(guān)損耗以及可靠性方面有更進(jìn)一步提升。

 

相較于傳統封裝形式，BASiC™基半股份PCB嵌入式功率模塊單位半導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布局設計相對于傳統封裝設計更加靈活，大大加快了工程開(kāi)發(fā)的迭代速度和客戶(hù)交付速度。受到封裝限制而難以在傳統逆變器中實(shí)現的高級電路拓撲，如三電平、IGBT/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)勢而加速了產(chǎn)業(yè)化落地。

根據技術(shù)和商業(yè)評估，BASiC™基半股份PCB嵌入式功率模塊是一項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遠超越傳統封裝，成為未來(lái)電力電子應用的新方向。

 

BMF240R12E2G3是BASiC™基半股份國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™基于PcoreTM2 E2B封裝的1200V 5.5mΩ工業(yè)級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，在導通電阻、開(kāi)關(guān)損耗、抗誤導通、抗雙極性退化等方面表現出色。

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

BASiC™國產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET功率器件供應商-基本公司™推出可支持米勒鉗位的雙通道隔離驅動(dòng)芯片BTD25350系列，此驅動(dòng)芯片專(zhuān)為碳化硅MOSFET門(mén)極驅動(dòng)設計，可高效可靠抑制碳化硅MOSFET的誤開(kāi)通，還可用于驅動(dòng)MOSFET、IGBT等功率器件。

 

 

為了保持電力電子系統競爭優(yōu)勢，同時(shí)也為了使最終用戶(hù)獲得經(jīng)濟效益，一定程度的效率和緊湊性成為每一種電力電子應用功率轉換應用的優(yōu)勢所在。隨著(zhù)IGBT技術(shù)到達發(fā)展瓶頸，加上SiC MOSFET絕對成本持續下降，使用SiC MOSFET替代升級IGBT已經(jīng)成為各類(lèi)型電力電子應用的主流趨勢。