儲(chǔ)能市場(chǎng)已成為全球最具增長(zhǎng)潛力的領(lǐng)域之一，在全球能源轉(zhuǎn)型和可再生能源發(fā)電占比提升的背景下，儲(chǔ)能呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。截至2022年底，我國(guó)儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模16.1GW，同比增長(zhǎng)109.1%，儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到59.4GW，同比增長(zhǎng)36.7%，增長(zhǎng)速度領(lǐng)先全球。
而隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的下降，儲(chǔ)能仍具有巨大的發(fā)展?jié)摿�。在�?chǔ)能技術(shù)不斷進(jìn)步的加持下，各家企業(yè)也在尋找更具有性價(jià)比的儲(chǔ)能方案。
“在度電成本如此苛求的現(xiàn)實(shí)下，任何一個(gè)可以降低成本的機(jī)會(huì)都會(huì)被儲(chǔ)能行業(yè)重視，更高電壓儲(chǔ)能系統(tǒng)將成為儲(chǔ)能行業(yè)研究發(fā)展趨勢(shì)，”這是天邦達(dá)高壓儲(chǔ)能產(chǎn)品線總監(jiān)邵磊在Big-Bit資訊舉辦的2023CESIS電子峰會(huì)上作為演講嘉賓所發(fā)表的結(jié)論。
他表示，1500V的系統(tǒng)電壓是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的電壓標(biāo)準(zhǔn)。在材料、電池效率、制造工藝不斷更新?lián)Q代的情況下，這種方式有望實(shí)現(xiàn)更高的儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓。
對(duì)此，Big-Bit資訊《磁性元件與電源》特邀邵磊與我們一同分享高電壓儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)電感變壓器的要求。
▲邵磊正在演講中
1500V成儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的主流電壓
“現(xiàn)在儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓等級(jí)大部分是在1500V”，邵磊對(duì)記者說(shuō)道。
儲(chǔ)能需要大型集裝箱，一個(gè)儲(chǔ)能站裝機(jī)容量可以高達(dá)幾十MW、幾百M(fèi)W，所以儲(chǔ)能的功率會(huì)很大。而電壓越高，能耗就越低。邵磊表示：“在這種情況下，需要并10kV、35kV的電網(wǎng)，電會(huì)通過(guò)電池存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)逆變器以后再直接通過(guò)變壓器并網(wǎng)。這種一般都是并到高壓系統(tǒng)，然后通過(guò)電力傳輸，再傳輸?shù)接脩��！?/P>
▲儲(chǔ)能集裝箱
儲(chǔ)能系統(tǒng)1500V技術(shù)方案來(lái)源于光伏系統(tǒng)，根據(jù)CPIA統(tǒng)計(jì)，2021年國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)中直流電壓等級(jí)為1500V的市場(chǎng)占比約49.4%，預(yù)期未來(lái)會(huì)逐步提高至近80%。1500V的儲(chǔ)能系統(tǒng)將有利于提高與光伏系統(tǒng)的適配度。
目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率逐步提升，儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)也漸趨成熟。1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)將系統(tǒng)中直流電壓所用的線纜、BMS硬件模塊、變流器等部件的耐壓從不超過(guò)1000V提高到不超過(guò)1500V。
與1000V儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池系統(tǒng)能量密度與功率密度均提升了35%以上。相同容量電站，設(shè)備更少，電池系統(tǒng)、PCS、BMS及線纜等設(shè)備成本大幅降低，基建和土地成本也同步減少。據(jù)測(cè)算，相較儲(chǔ)能傳統(tǒng)方案，1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)僅初始投資成本就降低了10%以上。
據(jù)邵磊介紹，天邦達(dá)的高壓儲(chǔ)能BMS系統(tǒng)主要應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、家庭高壓儲(chǔ)能、UPS儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域，滿足 1500V以內(nèi)電池系統(tǒng)應(yīng)用及安規(guī)要求。該儲(chǔ)能系統(tǒng)采用3+X級(jí)安全架構(gòu)，提供實(shí)時(shí)、全面、精確的電池性能數(shù)據(jù)，精確SOX估算，且能夠通過(guò)CAN/RS485/LAN接口/干接點(diǎn)與PCS、EMS等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和控制，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期高效、可靠和安全運(yùn)行。
近年來(lái)，陽(yáng)光電源、上能電氣、華為、寧德時(shí)代、科陸、南瑞繼保、雙一力儲(chǔ)能、科華恒盛、錦浪科技等企業(yè)已經(jīng)相繼發(fā)布1500V相關(guān)儲(chǔ)能，搶占儲(chǔ)能市場(chǎng)，并且這種趨勢(shì)還在逐年加速。
高壓儲(chǔ)能對(duì)電感變壓器提出的要求
對(duì)光伏儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，升高電壓是減少線損的有力舉措。從整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的視角來(lái)看的話，更高的輸入、輸出電壓等級(jí)具有三個(gè)方面的好處：一是有助于減小交直流側(cè)線損和變壓器低壓側(cè)繞組帶來(lái)的損耗；二是儲(chǔ)能系統(tǒng)效率預(yù)期將增加 1.5-2%；三是儲(chǔ)能系統(tǒng)功率密度提升，體積減小，運(yùn)輸、維護(hù)等方面工作量也減少，有利于光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的降低。
隨著儲(chǔ)能電壓等級(jí)的抬高，對(duì)電子變壓器、電感器的爬電距離、安全間隙、耐壓等級(jí)都提出了要求。邵磊表示，接下來(lái)希望能夠有更高標(biāo)準(zhǔn)的，更高耐壓且安規(guī)做得更好的產(chǎn)品出現(xiàn)。他說(shuō)道：“現(xiàn)在很多電子變壓器、電感器里面的繞線很難做到自動(dòng)化，在加工過(guò)程中可能會(huì)有很多破損，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低，廠家做好產(chǎn)品之后需要做耐壓測(cè)試。”
對(duì)此，邵磊提出了幾點(diǎn)變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
- 變壓器安規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算：確定繞組之間的絕緣類型、繞組之間的安規(guī)距離、繞組之間耐壓的選取、擋帶寬度、材料類別、材料的溫度等級(jí)等 ；
- 變壓器材料控制：針對(duì)變壓器不同繞組之間所要隔離的電路特點(diǎn)，確定可行的保護(hù)方法：對(duì)于需要采取雙重保護(hù)的電路可以采用：基本絕緣+保護(hù)接地，雙重絕緣，加強(qiáng)絕緣等三種方式構(gòu)成；根據(jù)絕緣跨接的電路類型，根據(jù)(GB4943-2001) 確定最經(jīng)濟(jì)的絕緣類型；
- 承認(rèn)書查檢表：在設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的控制，主要對(duì)電磁元件內(nèi)部使用的所有參與絕緣功能的絕緣材料；
- 設(shè)計(jì)更改的控制：對(duì)于絕緣隔離的變壓器、電感類器件，這些磁性元件本身滿足基本絕緣、附加絕緣、加強(qiáng)絕緣，這些磁性元件的組成材料和結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格的控制，而且不允許隨意變更。
除變壓器外，還需對(duì)骨架、膠帶、擋帶、套管、漆包線、浸漆、灌封物等進(jìn)行控制。
天邦達(dá)主要做儲(chǔ)能的直流側(cè)方面電池管理和配套電源產(chǎn)品，該儲(chǔ)能方案需要用到比較多的是隔離變壓器。隔離包括通訊隔離和電源隔離。
邵磊說(shuō)道：“現(xiàn)在磁隔離用的相對(duì)比較多。僅僅是BMS直流側(cè)，還不算電源、逆變器這一塊，可能就用到十幾個(gè)變壓器。如果儲(chǔ)能系統(tǒng)用主動(dòng)均衡方案的話，應(yīng)該需要用到接近100個(gè)變壓器�！�
天邦達(dá)的儲(chǔ)能產(chǎn)品方案中，BMS需要自己搭配輔助電源，或者是小型的隔離變壓器。而儲(chǔ)能PCS需要用到標(biāo)準(zhǔn)化模塊，如一個(gè)100kW的PCS里面就有電感、變壓器，因?yàn)镻CS里面還要做交直流的轉(zhuǎn)換，這種功率就比較大，一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要用到一個(gè)或兩個(gè)電感變壓器。
2000V儲(chǔ)能系統(tǒng)成趨勢(shì)
十五年前，600V 的系統(tǒng)電壓是組件的主流產(chǎn)品。五年前至今，1500V 的系統(tǒng)電壓成為了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)。隨著儲(chǔ)能技術(shù)、材料技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及電池的效率、材料的絕緣等級(jí)、制造工業(yè)技術(shù)都有了突飛猛進(jìn)，讓更高的儲(chǔ)能系統(tǒng)高電壓成為可能。
▲光伏儲(chǔ)能
2000V及以上安規(guī)器件主要應(yīng)用于高壓、高功率的電力電子設(shè)備中，如高壓變頻驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器、新能源儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
目前，2000V及以上儲(chǔ)能安規(guī)器件的發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面：
材料研究：多晶硅、氮化硅等新材料的應(yīng)用，以提高器件的開(kāi)關(guān)速度、抗擊穿能力和導(dǎo)通特性；
結(jié)構(gòu)優(yōu)化：如增加JBS（約束區(qū)耗盡型結(jié)）工藝，減少摻雜，增加結(jié)構(gòu)電場(chǎng)均勻性等措施以提高器件的可靠性和安全性；
封裝技術(shù)：采用全塑封和全鼓形封裝的技術(shù)，以提高器件的抗?jié)衩粜院涂拐饎?dòng)能力。
邵磊表示，儲(chǔ)能電壓將從1500V提升到2000V，儲(chǔ)能系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的絕緣耐壓水平需要提高，因此2000V儲(chǔ)能電壓等級(jí)將會(huì)是電站系統(tǒng)中各關(guān)鍵構(gòu)件的一個(gè)新的挑戰(zhàn)，對(duì)器件的耐壓等級(jí)、絕緣強(qiáng)度提出了更高的要求。
此外，高電壓組串設(shè)計(jì)及材料的選型提出更高的技術(shù)要求。需要通過(guò)提升系統(tǒng)電氣間隙、爬電距離等安規(guī)性能，以及提升線纜絕緣耐壓特性。邵磊說(shuō)道：“現(xiàn)在電子變壓器、電感器的耐壓等級(jí)我們最高要求是能做到6400V DC�！�
記者了解到，越來(lái)越多整機(jī)企業(yè)開(kāi)始在大功率應(yīng)用中使用膜包壓方線。因?yàn)橄啾绕胀ぐ�，膜包壓方線可有效縮小電子變壓器、電感器的體積，50%重疊率可以實(shí)現(xiàn)5000V耐壓，電壓的穩(wěn)定性取得明顯改善。
目前，市面上已經(jīng)有一些廠家推出了2000V安規(guī)器件， 如ABB、Infineon、ST、 Mitsubishi及國(guó)內(nèi)頭部廠家。未來(lái)，隨著新材料、新工藝 和新封裝技術(shù)的不斷應(yīng)用，2000V及以上的安規(guī)器件將具備更高的可靠性和性價(jià)比，以推動(dòng)儲(chǔ)能新能源邁向更高的電壓等級(jí)而鋪路。
結(jié)語(yǔ)
建設(shè)儲(chǔ)能不僅可以實(shí)現(xiàn)峰谷套利，還可以平抑電網(wǎng)供需波動(dòng)，儲(chǔ)能已成為眾多資本競(jìng)相布局的市場(chǎng)。
當(dāng)下，1500V的高壓儲(chǔ)能是主流，并且延續(xù)向更高電壓演進(jìn)的態(tài)勢(shì)。高電壓儲(chǔ)能能夠在一定程度上減少損耗和降低成本，儲(chǔ)能市場(chǎng)前景廣闊。
不過(guò)儲(chǔ)能在目前仍需克服一些技術(shù)難題，例如，如何提高儲(chǔ)能效率、確保儲(chǔ)能的安全性和可靠性都是當(dāng)前儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)面臨的重要問(wèn)題。就電子變壓器、電感器而言，對(duì)材料的選型、變壓器工業(yè)設(shè)計(jì)也都提出了要求，還需要提高爬電距離、安全間隙和耐壓等級(jí)，確保絕緣性強(qiáng)，耐電壓等級(jí)高。
我們也期待在儲(chǔ)能行業(yè)快速發(fā)展的過(guò)程中，電子變壓器、電感器企業(yè)在提高自身產(chǎn)品性能的同時(shí)，也能夠加強(qiáng)與儲(chǔ)能企業(yè)的溝通，通過(guò)不斷優(yōu)化電感變壓器的設(shè)計(jì)，以滿足儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)各方共贏的局面。 |
