儲能產業大發展利好哪些元器件產品？
發布時間：2023-7-31 10:39
發布者：eechina
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來源：貿澤電子 為了實現低碳可持續發展，需要提高可再生能源的利用率，降低傳統能源占比。但受限于天氣等因素，可再生能源產生具有間歇性和不穩定性的特點。如何解決這一難題，實現像傳統能源一樣穩定的供電效果？儲能系統將會發揮巨大作用。 電化學儲能推動可再生能源轉型 儲能分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類。當前以抽水蓄能為代表的物理儲能仍是大型儲能系統的主要方式，但以電化學儲能為代表的新型儲能正在迅速發展。電化學儲能系統的優勢在于功率范圍較廣、能量密度較高、安裝部署便捷且技術成熟度較高，更適合與可再生能源搭配，構建智慧分布式電網。 在可再生能源的整個流轉過程中，每個關鍵節點都離不開儲能系統的參與。在發電側，儲能系統主要起到匹配電力生產和消納、減輕電網壓力等作用，其中新能源并網是發電側電化學儲能主要應用場景。 在電網側，儲能系統受到電網的實時監控，接收來自電力系統的統一調度指令，以實現電網側調峰調頻的需求，最終幫助提高電網響應靈活性、發揮全局性和系統性作用。在用戶側，企業用戶借助儲能系統可以通過自發自用節省購電成本，助力企業節能減排。家庭用戶可以將家儲系統與光伏系統相結合，將光伏能源直接供給家用電器使用，也能夠將多余的電能反向售賣給中央電網。 
圖1：分布式儲能系統（圖源：IEA） 要實現低碳可持續發展，就要進一步提高可再生能源發電量；而可再生能源發電量的提升，也將推動全球儲能市場規�？焖僭鲩L。 趨勢分析 據EIA預測，未來30年全球發電量將增長約70%，2050年將達到4.2萬TWh；其中可再生能源將是最主要的電力來源，約占總發電量的56%。來自CNESA預測顯示，2027年全球電化學儲能產業裝機規模將達1,138.9GWh，2021至2027年間復合增長率將高達61%。
圖2：全球發電量預測（圖源：畢馬威分析） 我國是用電大國，并且仍有大量傳統制造業正在轉型升級過程中，這也就意味著中國的雙碳目標的達成更具緊迫性和挑戰性。2022年1月國家發改委和國家能源局聯合發布的《“十四五”新型儲能發展實施方案》指出，新型儲能是構建新型電力系統的重要技術和基礎裝備，是實現碳達峰、碳中和目標的重要支撐，也是催生國內能源新業態、搶占國際戰略新高地的重要領域。
圖3：全球電化學儲能裝機量 *為預測值（圖源：畢馬威分析） 連接器和IGBT在儲能系統中發揮重要價值 電池儲能系統（Battery Energy Storage System，簡稱BESS）是能量儲存的載體，為智能電網提供了平滑過渡、削峰填谷、調頻調壓等功能。 無論是大型儲能系統還是小型家儲系統，其結構通常都是模塊化的。典型儲能系統主要由儲能電池模組、監控系統、電池管理系統、逆變器、光伏組件、匯流柜和傳感器等部分構成，其中成本最高的是電池模組。相比起其它的應用器件需求，儲能系統有一個獨特之處在于，對連接器的數量、種類和技術要求更高。
圖4：儲能系統（圖源：Phoenix Contact） 連接器：儲能系統的脈絡 儲能電池模組的基本元件是電池單元，它們通過并聯和串聯切換的方式，組成一個個特定電壓電流的電池組。多個電池組部署在一個外殼中，就成為了一個電池存儲模塊。各個電池模塊之間又以串聯的方式連接至高壓箱內，再通過直流母線接入匯流柜中。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。 而在儲能系統各個子系統之間，又需要小電流、高速率和抗干擾的信號連接器進行連接。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。據嗶哥嗶特產業研究室調研，1MW儲能系統中所需要用的連接器多達1,400套，其中以電池模組中的使用量居多。
圖5：儲能系統中連接器用量（圖源：嗶哥嗶特研究室） 對于儲能系統內連接器而言，一部分潛在要求是有可靠的絕緣能力，以及對機械、熱和化學影響的抵抗力。另外像導線彎曲半徑、導線芯數等也有著相應的標準。而諸如母線連接器和電池極連接器等，通常對于耐壓能力要求更高。 對于連接器的另外一部分要求來自安裝維護人員。通常運維人員需要對電池組進行反復的插拔，為了提高效率和安全性，就要求連接器能夠實現快速插拔，能夠從各個角度插入，并且在一些需要區分正負極的場景中提供明確的標識，避免接反短路高溫導致的線纜融化。
圖6：儲能電池所需連接器（圖源：Phoenix Contact） 那么選擇什么樣的連接器才能夠滿足儲能系統的要求呢？連接器廠商Phoenix Contact已經根據儲能系統應用特點，結合自身的連接技術特長，提供了一系列全面的連接器產品組合。在此我們為大家推薦兩款，第一款是“LPC 2.5帶操作桿的可插拔接線端子”，在貿澤電子的料號為“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勢： 一是電壓范圍高達300V，因此適用于光伏、儲能和充電等高壓場景。 二是采用免工具桿連接技術，閉合操作桿即可實現插拔式連接，在連接和釋放帶/不帶套管的導線時可節省大量時間。 三是操作桿位置一目了然，能可靠提供有關接線區域是打開或是關閉的反饋信息。這些特性使其非常適用于需要大量現場設備連接的場景。 此外，該器件使用內置的測試元件，可快速方便地進行測試，螺栓法蘭能保證高度的機械穩定性。 另一款為大家推薦的連接器為“電池匯流條連接器”，該器件在貿澤電子的料號為“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；在未插入時也可確保電池模塊具有防觸電保護，安全可靠；適用于高達1,500V的應用，模塊化設計支持40A至200A的標稱電流范圍；采用內置接口的彈簧籠連接，無需現場接線，簡化了儲能裝置中滑入式系統的安裝。此外，Phoenix Contact的電池匯流條連接系統還可為電池提供反向極性保護和觸摸安全連接。 IGBT逆變器：儲能系統的心臟 如果將連接器比喻成儲能系統的脈絡，那么逆變器就是儲能系統的心臟，它直接控制著電網和電池之間的能量轉換，在儲能系統中逆變器成本占比僅次于電池。儲能逆變器可以將交流電轉換成直流電儲存在蓄電池內；當發生斷電的情況后，逆變器又能將蓄電池內的直流電轉換成交流電供用戶使用。此外，儲能逆變器能夠為用戶提供電網電能與蓄電池電能之間的雙向轉換，方便用戶進行并網和離網。
圖9：BESS簡化框圖（圖源：IEEE Access 8-188861） 逆變器中最關鍵、價值最高的組件就是IBGT，承載著變壓、變頻、交變轉換等功能。而要實現儲能系統高效可靠的功率轉換，則要求IGBT有著超高的耐壓等級、極低的導通阻抗和更快的關斷速度等。 在整個儲能系統的設計中，逆變器的設計部分可以說是最具有挑戰性的，因為逆變器的轉換效率決定了整個儲能系統的能效，進而影響到了客戶的收益回報率。而要實現高能效的逆變器設計，一方面要選擇新的拓撲電路，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自Vishay的IGBT功率模塊，非常適用于逆變器、開關模式電源和UPS等應用，該器件在貿澤電子的料號為“VS-GT90SA120U”。 Vishay IGBT功率模塊采用溝道PT IGBT技術，結合了Hexfred和Fret PT二極管技術。通過INT-A-PAK等功能可在需要高電壓和大電流的板上實現有限高度要求的設計。此外，該模塊內部還集成了熱敏電阻，具有極低內部電感和低開關損耗，支持高效率的電源轉換設計。
圖10：Vishay IGBT功率模塊（圖源：Vishay） 結語 從人類的發展規律來看，生產力水平和能源消耗量成正相關。要實現可持續發展的同時繼續提高生產力水平，則必然需要進行能源結構變革，提高可再生能源利用率。而可再生能源的利用率提高，勢必會加速儲能產業的發展。在儲能產業大力發展的背后，連接器和IBGT作為其中的關鍵器件，將會進一步迎來新的市場空間。 |
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