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聚焦光储充,半导体助力中国可再生能源发展

  我国能源结构具有富煤、缺油、少气的特点,煤炭占能源消费的56%,煤电占电力的52%左右,"一煤独大"的能源禀赋一定程度上制约了二氧化碳减排目标的实现。目前我国在光伏、风电领域已达到全球较高水平,但随着发电量的增加,弃光、弃风、限电等问题也就相对凸显。近年来,我国弃光、弃风限电形势虽有所缓解,但短期内仍然难以得到彻底解决。
  在德州仪器(以下简称"TI")主办的绿色能源峰会上,TI技术经理周敏捷认为,弃光、弃风等问题是在早期储能设备还没有大规模推广、大规模配套没有跟上新能源发电设备所带来的。要解决这些问题,很重要的一点是在发电侧大规模地安装配套新能源发电的储能设备。
  德州仪器技术经理周敏捷
  要存储更多的能量,首先要增加储能设备系统的数量。而限制增加储能设备系统的因素有多方面,其中与技术息息相关的有两个方面。
  一是早期储能系统存在整体相对安全性、稳定性不足,以及使用寿命较短等问题,这就导致了储能系统使用成本居高不下,如电芯用几年性能就会严重衰减,投入产出比较低,这限制了那时企业对储能设备的投资热情。
  在技术层面,对电芯状态的监测和保护尚不到位,缺乏高精度、高可靠性的电池管理系统(BMS) 对电池状态的监测,在异常出现时,没有随时报错的功能,这使得储能电池在使用过程中,可能由于充放电不均衡使得电池寿命损失非常严重。而现在TI的技术可以对电池状态监测做到非常高的精度,在一些整体方案上甚至能实现主动均衡技术,如此对电池的均衡保护做得更好,相应的电池寿命会越来越长。可将电池衰减一半的时间大大延长,最终使得电池寿命倍增,相当于投入产出比增加,电池的利用率更高。
  二是早期BMS系统缺乏简便的通信系统,同样会拉高整体系统的成本。例如早期BMS系统为实现状态的监测和均衡,可能使用非常多的微控制单元(MCU),每一个BMS的模拟前端(AFE)在做均衡时,都通过一个MCU把信息的状态,通过总线等传出去,这大大增加了储能系统的成本,这也是早年整个储能系统成本偏高的原因之一。
  目前由于TI的一些BMS方案,使整个系统大幅简化,因为在每个电芯单元的监测系统上不需要去设置一个MCU和总线收发器来完成数据通信,只要通过自带的菊花链系统就可以把电芯的各个状态汇报出去,使得每一个电芯的监测系统和成本得到了极大的简化和降低,最终得到了整个BMS储能系统的成本降低的效果。这有利于在风、光发电场附近布置更多的储能设备,实现了成本不变的情况下布置更多的储能设备,进一步降低了弃风弃光率。
  周敏捷表示,电池之外的储能技术,只要是电和控制的相关领域技术,TI都有很多相关匹配的芯片。电池储能领域的芯片,一是BMS对电芯保护和监测的产品,二是对电池电压进行直流对交流的逆变,或者交流对直流的转换,这些都是对电池储能配套的一些产品。其它诸如飞轮储能,是机械能转换为电能的技术,TI除了电池相关的芯片之外,本身具有非常多的和电机控制相关的芯片,比如和交流直流转换,或者直流到交流逆变的C2000™平台等等。在那些技术领域,TI一直以来都有比较充分的各种模拟和数字芯片。这些芯片技术可以在除电池储能技术之外的技术方面使用。所以,TI在所有的工业领域都有比较完善的布局,除了电芯以外,在机械能储能转换方面也有像DC/DC、DC/AC以及电池驱动、各种MCU这些相关的芯片支持,布局也同样完善。
  德州仪器中国深圳区销售经理郑越
  除大规模集中式发电外,随着国家对于生态环境的重视,分布式光伏近年也是国内新能源发展的热点。德州仪器中国深圳区销售经理郑越表示,集中式光伏和分布式光伏的特点不同,集中式光伏通常建在沙漠或者戈壁,充分利用荒漠地区丰富和相对稳定的太阳能资源构建大型光伏电站,接入高压输电系统供给远距离负荷。
  对分布式光伏而言,主要是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。分布式光伏的特点是光伏面板较少,整体电流小,对安装的难度系数要求有所下降,安装灵活度也更高。此外,由于光伏面板每一天太阳照射的角度,天气,还有面板的朝向,都会影响到发电的效率,在光伏系统里,MPPT(最大功率点的追踪)可以实现根据每天照射角度与发电功率不同,找到最佳功率点。此技术在分布式光伏里应用非常广泛,因为一个逆变器控制光伏面板越少,就可以更好地对每块面板进行追踪,进而可以理解为发电效率更高。
  TI在光伏领域还有不少独特的技术,在光伏领域最主要的是C2000™平台,第三代C2000™,通过集成更多的外设,可以支持更复杂的电路拓扑,更灵活的PWM输出,更高精度的电流电压采样,最重要的是成本还降低,头部客户都已开始跟进研发并有产品问世。除C2000™以外,TI还在很多模拟器件上均有非常多的投入和布局,例如光伏逆变器领域比较关心的是大功率管如何进行驱动,电气化隔离如何能保证质量好,能够经受十年、十五年甚至更长时间的使用,这些都需要高可靠性和更高性价比的器件。TI的隔离驱动,隔离电流采样以及数字隔离器,都采用的是二氧化硅绝缘技术。二氧化硅作为电介质而言,它本身会比其他的隔离层它的稳定性更高,可靠性更强。
  而C2000™和隔离器件,以及其他相关模拟器件,如高精度的运放,在电池管理系统和辅助电源的解决方案,都是在300毫米晶圆上生产的。这不但可以降低生产成本,还能提升供应的灵活度,为客户提供供应稳定,更有性价比的产品。
  文 | 王长尧
  End
  见习编辑 | 李泽民

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