碳中和背景下,功率半导体是否能在储能产业分一杯羹?

浏览量:288 | 2022年04月25日

2015年,世界卫生组织将“全球气候变暖”认定为人类在21世纪将面临的最大威胁。而温室气体的排放,尤其是化石燃料燃烧后产生的二氧化碳的无节制排放,被认为是全球气候变暖的最主要原因。

 

根据ourworlddata.org的数据显示,全球在2019年的碳排放达到了367亿吨。2020年,中国的碳排放量已超过100亿吨。但是,根据国家统计局公开的信息显示,我国2021年的发电量达到了81121.8亿千瓦时。其中,以煤炭作为主燃料的火力发电量依然占据首位——总量攀升至57702.7亿千瓦时,约为我国全社会发电量的71.13%;水力发电量排第二,2021年产生的电力为11840.2亿千瓦时,约为全国总发电量的14.6%;风力发电排第三,2021年产生的电力为5667亿千瓦时,占比6.99%;核能发电量为4075.2亿千瓦时,占比5.02%;太阳能发电量为1836.6亿千瓦时,占比2.26%。

那么,为什么在国家大力倡导新能源发电和低碳环保的背景下,火电的发电占比持续居高不下,新能源发电的占比却始终停留在低位呢?

 

一是成本优势,中国的煤电仍然是各种发电方式中成本最低的一种。二是火电的调峰能力,由于国内的制造型工业较多,负荷的峰谷跨度很大,需要大量的调节容量。在所有的发电方式中,可用于调节的几乎只有火电。这是因为火电的发电原料可以大量存储,其次,火电的调节速度快,另外,火电受地理和气象条件的影响小。相反,新能源发电的能源来自于自然,不但无法控制发电功率,其发电量受气候和地理因素影响较大,完全无法用于调节。而另一种清洁能源——核能,由于其固有的发电特性,核电的输出功率难以快速调节,并且发电功率基本保持恒定。所以,综合成本因素和调节能力,火电仍然在电力系统中占主导地位。不过,预计到2030年,我国风电和太阳能发电的总装机占比将达到近50%,2060年达到近80%,这就需要加快构建以新能源为主体的新型电力系统。

 

典型的日发电曲线

 

在“碳达峰”和“碳中和”的大背景下,火电的占比一定也会有一个“达峰”和“中和”的过程,而电力系统的调节能力也需要另一种解决方案——储能。

 

虽然电能不能通过电容和电感等元件大量存储,但是电能可以与其他形式的能量相互转换。目前,电力系统中大量使用的储能方式是抽水蓄能。但是,抽水蓄能的效率仅能达到60%,电能在存储过程中会损失将近一半。光热储能由于其简单的实现方案,也在电力系统中有一定程度上的应用,但是这种解决方案也受到储能效率的限制。其次,人们熟知的化学储能,即电池,由于成本和储能密度的因素,无法大量在电力系统中使用。但是,近年来,化学电池在电动汽车和新能源行业的带动下,产业规模迅速扩大,技术不断成熟,成本逐步降低。为储能系统的大规模应用,创造了前所未有的机遇。

 

通过储能装置实现“削峰填谷”

 

目前,商业化的储能装置主要应用在两个领域,即光伏发电输出端和商业负荷输入端。

 

光伏发电的输出端并联储能装置后,可以显著增加光伏工作在最大功率点的时间,以增加输出功率,同时,储能装置的并网逆变器可以通过控制算法实现发电机的特性,极大地减少了光伏系统向电网输送的不可控功率。在容量允许的范围内,储能装置的逆变器还可以参与电网的一次调频和无功补偿,用以提升电网的稳定性和可靠性。另外,在商业负荷前端并联储能设备,对负荷“削峰填谷”,可以减少电价,也可以参与一次调频和无功补偿,不但能降低用户的用电成本,还能提高电网的电能质量和运行安全。

 

目前市场上的光伏系统和储能系统均采用组串式拓扑,其直流母线电压范围为1000V到1500V,逆变器拓扑可以用两电平三相全桥电路,中性点嵌位三电平三相桥电路或者T型三电平三相桥电路,功率器件主要采用1200V和1700V的IGBT模块。

 

中性点钳位(NTC)三电平三相桥电路

 

T型三电平三相桥电路

 

近年来,随着功率半导体器件的发展,尤其是以碳化硅材料为主导的第三代半导体的出现,极大地提升了逆变器的性能。与IGBT相比,碳化硅器件的功率模块可以大大降低开关损耗和导通损耗,从而提升整体转换效率。而光伏逆变器和储能逆变器,由于其特殊的运行环境,使得碳化硅器件更适合这两种应用。

 

光伏逆变器和储能逆变器均工作在环境较为恶劣的户外,夏天时环境温度可达40度以上。同时,户外的空气质量较差,粉尘和腐蚀性气体会影响电路的可靠性。因此,光伏逆变器一般有电路封闭在密闭空间中、采用自然冷却,避免使用风扇等要求。碳化硅的工作结温最高可达175摄氏度,比IGBT提高了50度。所以,碳化硅功率器件更适合光伏逆变器和储能逆变器的应用需求。

 

派恩杰半导体有限公司是一家第三代半导体功率器件设计和方案商,自2018年成立以来,已推出各个电压等级与载流能力的碳化硅MOSFET,公司近期在大力发展基于碳化硅的功率模块。

 

在储能及光伏领域,派恩杰半导体的1700V,40mOhm的P3M17040K4可以应用于1000V直流母线的两电平并网逆变器和光伏或储能DC/DC变换器中。而派恩杰半导体的1200V,17mOhm,25mOhm,40mOhm和80mOhm可用于1500V直流母线三电平并网逆变器和光伏或储能DC/DC变换器。

 

针对更大功率的需求,派恩杰半导体在陆续推出各个电流等级的功率模块,62mm,1200V,400A的半桥功率模块已通过整机运行测试,证明其能够胜任各类光伏和储能领域的应用。另外,派恩杰半导体的P3M1711K0K3可以用于光伏和储能应用中的直流母线辅助电源。

 

派恩杰半导体具有车规级资质,产品的可靠性在各大品牌中首屈一指,也适用于储能、光伏之类的工业应用领域。目前,派恩杰P3M12025K3、4;P3M12080K3、4以及P3M12040K3、4已经在很多光伏、储能头部客户的项目中采用。

 

总而言之,“碳中和”的目标想要达成,必然要求大量新能源和储能装置并网,以抵消或者取代火电的占比。这为光伏产业,储能产业,电源产业和功率半导体产业创造了巨大的商机。