為了實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展，需要提高可再生能源的利用率，降低傳統(tǒng)能源占比。但受限于天氣等因素，可再生能源產(chǎn)生具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。如何解決這一難題，實(shí)現(xiàn)像傳統(tǒng)能源一樣穩(wěn)定的供電效果？?jī)?chǔ)能系統(tǒng)將會(huì)發(fā)揮巨大作用。

電化學(xué)儲(chǔ)能推動(dòng)可再生能源轉(zhuǎn)型

儲(chǔ)能分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能三大類。當(dāng)前以抽水蓄能為代表的物理儲(chǔ)能仍是大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要方式，但以電化學(xué)儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能正在迅速發(fā)展。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于功率范圍較廣、能量密度較高、安裝部署便捷且技術(shù)成熟度較高，更適合與可再生能源搭配，構(gòu)建智慧分布式電網(wǎng)。

在可再生能源的整個(gè)流轉(zhuǎn)過(guò)程中，每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都離不開(kāi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的參與。在發(fā)電側(cè)，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要起到匹配電力生產(chǎn)和消納、減輕電網(wǎng)壓力等作用，其中新能源并網(wǎng)是發(fā)電側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能主要應(yīng)用場(chǎng)景。

在電網(wǎng)側(cè)，儲(chǔ)能系統(tǒng)受到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，接收來(lái)自電力系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度指令，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)頻的需求，最終幫助提高電網(wǎng)響應(yīng)靈活性、發(fā)揮全局性和系統(tǒng)性作用。在用戶側(cè)，企業(yè)用戶借助儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)自發(fā)自用節(jié)省購(gòu)電成本，助力企業(yè)節(jié)能減排。家庭用戶可以將家儲(chǔ)系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)相結(jié)合，將光伏能源直接供給家用電器使用，也能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔芊聪蚴圪u給中央電網(wǎng)。

圖1：分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)（圖源：IEA）

要實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展，就要進(jìn)一步提高可再生能源發(fā)電量；而可再生能源發(fā)電量的提升，也將推動(dòng)全球儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)。

趨勢(shì)分析

據(jù)EIA預(yù)測(cè)，未來(lái)30年全球發(fā)電量將增長(zhǎng)約70%，2050年將達(dá)到4.2萬(wàn)TWh；其中可再生能源將是最主要的電力來(lái)源，約占總發(fā)電量的56%。來(lái)自CNESA預(yù)測(cè)顯示，2027年全球電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)1,138.9GWh，2021至2027年間復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)61%。

圖2：全球發(fā)電量預(yù)測(cè)（圖源：畢馬威分析）

我國(guó)是用電大國(guó)，并且仍有大量傳統(tǒng)制造業(yè)正在轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，這也就意味著中國(guó)的雙碳目標(biāo)的達(dá)成更具緊迫性和挑戰(zhàn)性。2022年1月國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》指出，新型儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要支撐，也是催生國(guó)內(nèi)能源新業(yè)態(tài)、搶占國(guó)際戰(zhàn)略新高地的重要領(lǐng)域。

圖3：全球電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)量   *為預(yù)測(cè)值（圖源：畢馬威分析）

連接器和IGBT在儲(chǔ)能系統(tǒng)中發(fā)揮重要價(jià)值

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，簡(jiǎn)稱BESS）是能量?jī)?chǔ)存的載體，為智能電網(wǎng)提供了平滑過(guò)渡、削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等功能。

無(wú)論是大型儲(chǔ)能系統(tǒng)還是小型家儲(chǔ)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)通常都是模塊化的。典型儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池模組、監(jiān)控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、逆變器、光伏組件、匯流柜和傳感器等部分構(gòu)成，其中成本最高的是電池模組。相比起其它的應(yīng)用器件需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)有一個(gè)獨(dú)特之處在于，對(duì)連接器的數(shù)量、種類和技術(shù)要求更高。

圖4：儲(chǔ)能系統(tǒng)（圖源：Phoenix Contact）

連接器：儲(chǔ)能系統(tǒng)的脈絡(luò)

儲(chǔ)能電池模組的基本元件是電池單元，它們通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)切換的方式，組成一個(gè)個(gè)特定電壓電流的電池組。多個(gè)電池組部署在一個(gè)外殼中，就成為了一個(gè)電池存儲(chǔ)模塊。各個(gè)電池模塊之間又以串聯(lián)的方式連接至高壓箱內(nèi)，再通過(guò)直流母線接入?yún)R流柜中。這部分涉及到的連接器種類包括“插拔式連接器”、“匯流母排連接器”、“穿墻式連接器”和“自鎖式接線端子”等。

而在儲(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間，又需要小電流、高速率和抗干擾的信號(hào)連接器進(jìn)行連接。涉及到的連接器類型包括“插拔式連接器”、“自鎖式接線端子”、“電池極連接器”以及各種電纜。據(jù)嗶哥嗶特產(chǎn)業(yè)研究室調(diào)研，1MW儲(chǔ)能系統(tǒng)中所需要用的連接器多達(dá)1,400套，其中以電池模組中的使用量居多。

圖5：儲(chǔ)能系統(tǒng)中連接器用量（圖源：?jiǎn)舾鐔籼匮芯渴遥?/span>

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)連接器而言，一部分潛在要求是有可靠的絕緣能力，以及對(duì)機(jī)械、熱和化學(xué)影響的抵抗力。另外像導(dǎo)線彎曲半徑、導(dǎo)線芯數(shù)等也有著相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。而諸如母線連接器和電池極連接器等，通常對(duì)于耐壓能力要求更高。

對(duì)于連接器的另外一部分要求來(lái)自安裝維護(hù)人員。通常運(yùn)維人員需要對(duì)電池組進(jìn)行反復(fù)的插拔，為了提高效率和安全性，就要求連接器能夠?qū)崿F(xiàn)快速插拔，能夠從各個(gè)角度插入，并且在一些需要區(qū)分正負(fù)極的場(chǎng)景中提供明確的標(biāo)識(shí)，避免接反短路高溫導(dǎo)致的線纜融化。

圖6：儲(chǔ)能電池所需連接器（圖源：Phoenix Contact）

那么選擇什么樣的連接器才能夠滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求呢？連接器廠商Phoenix Contact已經(jīng)根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合自身的連接技術(shù)特長(zhǎng)，提供了一系列全面的連接器產(chǎn)品組合。在此我們?yōu)榇蠹彝扑]兩款，第一款是“LPC 2.5帶操作桿的可插拔接線端子”，在貿(mào)澤電子的料號(hào)為“1110629”。

圖7：LPC 2.5帶操作桿的可插拔接線端子（圖源：Phoenix Contact）

 該接線端子有幾大優(yōu)勢(shì)：

● 一是電壓范圍高達(dá)300V，因此適用于光伏、儲(chǔ)能和充電等高壓場(chǎng)景。

● 二是采用免工具桿連接技術(shù)，閉合操作桿即可實(shí)現(xiàn)插拔式連接，在連接和釋放帶/不帶套管的導(dǎo)線時(shí)可節(jié)省大量時(shí)間。

● 三是操作桿位置一目了然，能可靠提供有關(guān)接線區(qū)域是打開(kāi)或是關(guān)閉的反饋信息。這些特性使其非常適用于需要大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接的場(chǎng)景。

此外，該器件使用內(nèi)置的測(cè)試元件，可快速方便地進(jìn)行測(cè)試，螺栓法蘭能保證高度的機(jī)械穩(wěn)定性。

另一款為大家推薦的連接器為“電池匯流條連接器”，該器件在貿(mào)澤電子的料號(hào)為“1155597”。

圖8：電池匯流條連接器（圖源：Phoenix Contact）

該電池匯流條連接器可以直接連接支架匯流條上的電池模塊，安裝便捷；在未插入時(shí)也可確保電池模塊具有防觸電保護(hù)，安全可靠；適用于高達(dá)1,500V的應(yīng)用，模塊化設(shè)計(jì)支持40A至200A的標(biāo)稱電流范圍；采用內(nèi)置接口的彈簧籠連接，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)接線，簡(jiǎn)化了儲(chǔ)能裝置中滑入式系統(tǒng)的安裝。此外，Phoenix Contact的電池匯流條連接系統(tǒng)還可為電池提供反向極性保護(hù)和觸摸安全連接。

IGBT逆變器：儲(chǔ)能系統(tǒng)的心臟

如果將連接器比喻成儲(chǔ)能系統(tǒng)的脈絡(luò)，那么逆變器就是儲(chǔ)能系統(tǒng)的心臟，它直接控制著電網(wǎng)和電池之間的能量轉(zhuǎn)換，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中逆變器成本占比僅次于電池。儲(chǔ)能逆變器可以將交流電轉(zhuǎn)換成直流電儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)；當(dāng)發(fā)生斷電的情況后，逆變器又能將蓄電池內(nèi)的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供用戶使用。此外，儲(chǔ)能逆變器能夠?yàn)橛脩籼峁╇娋W(wǎng)電能與蓄電池電能之間的雙向轉(zhuǎn)換，方便用戶進(jìn)行并網(wǎng)和離網(wǎng)。

圖9：BESS簡(jiǎn)化框圖（圖源：IEEE Access 8-188861）

逆變器中最關(guān)鍵、價(jià)值最高的組件就是IBGT，承載著變壓、變頻、交變轉(zhuǎn)換等功能。而要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)高效可靠的功率轉(zhuǎn)換，則要求IGBT有著超高的耐壓等級(jí)、極低的導(dǎo)通阻抗和更快的關(guān)斷速度等。

在整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，逆變器的設(shè)計(jì)部分可以說(shuō)是最具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槟孀兤鞯霓D(zhuǎn)換效率決定了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能效，進(jìn)而影響到了客戶的收益回報(bào)率。而要實(shí)現(xiàn)高能效的逆變器設(shè)計(jì)，一方面要選擇新的拓?fù)潆娐?，另一方面就是要選擇高能效的IGBT和MOSFET器件。

在此為大家推薦一款來(lái)自Vishay的IGBT功率模塊，非常適用于逆變器、開(kāi)關(guān)模式電源和UPS等應(yīng)用，該器件在貿(mào)澤電子的料號(hào)為“VS-GT90SA120U”。

Vishay IGBT功率模塊采用溝道PT IGBT技術(shù)，結(jié)合了Hexfred和Fret PT二極管技術(shù)。通過(guò)INT-A-PAK等功能可在需要高電壓和大電流的板上實(shí)現(xiàn)有限高度要求的設(shè)計(jì)。此外，該模塊內(nèi)部還集成了熱敏電阻，具有極低內(nèi)部電感和低開(kāi)關(guān)損耗，支持高效率的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。

圖10：Vishay IGBT功率模塊（圖源：Vishay）

結(jié)語(yǔ)

從人類的發(fā)展規(guī)律來(lái)看，生產(chǎn)力水平和能源消耗量成正相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)繼續(xù)提高生產(chǎn)力水平，則必然需要進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)變革，提高可再生能源利用率。而可再生能源的利用率提高，勢(shì)必會(huì)加速儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的背后，連接器和IBGT作為其中的關(guān)鍵器件，將會(huì)進(jìn)一步迎來(lái)新的市場(chǎng)空間。

來(lái)源：貿(mào)澤電子