電子行業(yè)科創(chuàng)中心系列白皮書 -關(guān)于電子行業(yè)電壓暫降、全電能質(zhì)量治理及儲能的六種解決方案的分析

客戶關(guān)愛中心熱線：4008101315施耐德電氣(中國)有限公司北京市朝陽區(qū)望京東路6號施耐德由氣大后郵編：100102傳真：(010)84501130電子行業(yè)科創(chuàng)中心系列白皮書十五關(guān)于電子行業(yè)電壓暫降、全電能質(zhì)量治理及儲能的六種解決方案的分析 0 UPS的兩個重要新功能:E變換運行模式和儲能功能 0新型電力系統(tǒng)架構(gòu)下電子半導(dǎo)體工廠的儲能解決方案 總結(jié)：六種電壓暫降、電能質(zhì)量治理和儲能系統(tǒng)解決方案 概過本文介紹了電子行業(yè)的六種電壓暫降、全電能質(zhì)量治壓暫降治理、全電能質(zhì)量治理、系統(tǒng)扛峰增容、電網(wǎng)需求響應(yīng)、需量控制、峰谷電價套利、余量存儲等功能，提高半導(dǎo)體工廠的供電質(zhì)量和供電可用性，提高變電壓暫降，電能質(zhì)量，儲能系統(tǒng)，供電可用性，雙碳目標(biāo)，降低電費。鋰電池，能型UPS,效率，占地面積，扛峰增容，需求響應(yīng)，需量控制，峰谷電價套利，余量存儲態(tài)震蕩)、中斷、電壓暫降/欠電壓、電壓暫升/過電壓、波形畸變(直流偏置、諧波、諧間波、毛刺、噪音)、電壓波動、頻擾動類別影響可能的原因數(shù)據(jù)丟失(或損壞)甚至設(shè)備的損毀，閃電、接地不良電故障排除以及靜電放電(ESD)電壓浪涌抑制器35-50%之間變速驅(qū)動器(ASD)中斷中斷清理和重新開機相關(guān)的花費，數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)損壞、宕機自然界天氣、動物自動重合閘、市電故障、斷路器跳閘、部件故障不間斷電源(UPS)余系統(tǒng)和能量存儲的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)電壓暫降電壓暫降丟失、工業(yè)加工過程中出錯流過高的負(fù)載(大電機，電力調(diào)節(jié)器、UPS系統(tǒng)停機、數(shù)據(jù)丟失、電力調(diào)節(jié)器、UPS電壓暫升電壓暫升數(shù)據(jù)錯誤、電燈閃爍、電氣觸點剝蝕、電子產(chǎn)品中的半導(dǎo)體損壞以及(特別是重負(fù)載)急遽電力調(diào)節(jié)器、UPS、電源供應(yīng)變壓器接頭設(shè)電力調(diào)節(jié)器、UPS、擾動類別影響可能的原因流、令人討厭的跳閘問題排查并更換有故障的設(shè)備N電動機驅(qū)動器、燈具鎮(zhèn)流器以及大型的傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)源電燈閃爍、發(fā)熱、通信干擾電弧裝置、滾軋機、攪拌線性馬達的周波變換器可將供電電壓轉(zhuǎn)換為頻率低于或電力調(diào)節(jié)器、濾波器焊機在正常運行條件下導(dǎo)致的周期性電壓擾動電力電子設(shè)備、控制電路、地使系統(tǒng)更易受到噪音的影地、遠(yuǎn)離EMI/RFI源、電壓波動電壓波動白熾燈閃爍，系統(tǒng)停機、重新配線、移動敏感負(fù)載的位置、電源調(diào)節(jié)器、UPS電機的運行效率低，電機速度的提高和/或額外的電流閃爍·2020年前三季度，全國50個主要城市，城市地區(qū)平均供電可靠率為99.977%,農(nóng)村地區(qū)為99.938%?！す收贤ｋ娬急?1.6%,計劃停電占比48.4%。但每年會出現(xiàn)多少次的電壓暫降，目前沒有明確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，總體來講，電壓暫降的次數(shù)數(shù)倍甚至十倍于中斷，回路里面大型設(shè)備的啟動、負(fù)載設(shè)備的局部短路、外部供電線路的局部短路(刮風(fēng)，樹枝，動物),都會造成電壓暫降。為解決電壓暫降和中斷、以及全電能質(zhì)量問題，傳統(tǒng)的設(shè)計方案主要思路·針對重要工藝設(shè)備如光刻機等，主要采用UPS電源進行點對點(或點對多)的保護。這樣做有它的歷史性的合理原因。早期的動態(tài)或者靜態(tài)的UPS電源(兩個功率變換部件),能解決全部電能質(zhì)量問題，但占地面積大、效率低(90%)、成本高昂，因此，只在重要工藝設(shè)備進行有針對性的配置。而電壓暫降產(chǎn)品是一種靜態(tài)的功率變換設(shè)備，僅一個功率變換部件，占地面積小、效率高(98%,平常是市電直供)相對早期的UPS產(chǎn)品而言成本較低，雖然不能解決所有電能質(zhì)量問題，但是能解決占比最大的電壓暫降和短時間中斷等問題，因此主要被設(shè)但是進入新世紀(jì)以后，20多年來，電能質(zhì)量治理的市場及產(chǎn)品發(fā)生了巨大變化。2000年以后，隨著互聯(lián)網(wǎng)IT及數(shù)據(jù)中心的大發(fā)展，UPS行業(yè)迎來了長足的進步，新技術(shù)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)量大增，全球市場規(guī)模高達百億美金級別。整個行業(yè)成熟興旺如下圖所示，二十年以來，以施耐德產(chǎn)品線為例，UPS產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)歷了工頻機、高頻機、模塊化、新運行模式、儲能等多個階段?；旧厦?-5年一代新產(chǎn)品。UPS產(chǎn)品總的趨勢包括：·占地面積和重量不斷減小。功率密度從100kW(600寬標(biāo)準(zhǔn)柜)提高到250-500kW甚至更高密度?！るp變換模式下的效率從90%提升到了最高97.5%,E變換模式效率高達99%,超過了電壓暫降98%的效率。mM民出現(xiàn)在，國內(nèi)外部分用戶已經(jīng)改變了設(shè)計思路：·在占地面積富余的場景下，針對整體電子廠房的管理與保護，采用成本更低效率高達99%。還能解決包括中斷在內(nèi)的全電能·在占地面積確實受限的場景下，針對廠務(wù)或供電主回路，繼續(xù)采用非儲能型電壓暫降產(chǎn)品或采用帶超級電容或鋰電池的如圖所示，在UPS和電壓暫降產(chǎn)品領(lǐng)域，主要使用了四種儲能器件，包括飛輪、超級電容、鋰電池、閥控鉛酸電池(及其他鎳鉻等電池)。EE延時時間10-60秒1-10秒>5分鐘>5分鐘高高高高能量密度Wh/kg復(fù)雜程度高低低占地面積小大小中高高中低15年低低低環(huán)境影響小中中高飛輪和超級電容響應(yīng)速度快，循環(huán)次數(shù)多，壽命長，但成本高昂，適用于延時時間比較短的備用場景，2秒鐘-數(shù)十秒鐘。飛輪的隨著鋰電池技術(shù)的進步，儲能市場蓬勃發(fā)展，產(chǎn)量加大，其成本進一步降低。重量和占地面積僅為鉛酸電池的30-40%。鋰電池日歷壽命10-15年，在3-10分鐘場景能夠釋放出90-95%的容量，適合這種短時間的備用場景。另外鋰電池循環(huán)次數(shù)6000-1萬鉛酸電池在8-15分鐘放電時間內(nèi)只能釋放20-35%的容量，更適合15分鐘及以上備用延時場景。鋰電池鋰電池時效率97%以上2012年，施耐德公司申請了E變換運行模式的技術(shù)專利，并在2014年進入市場商用。該模式是傳統(tǒng)雙變換模式與旁路ECO模如圖所示：逆變器與市電旁路并聯(lián)工作，共同給負(fù)載供電。系統(tǒng)控制逆變器提供負(fù)載需要的諧波電流(無功功率),從而市電旁路僅需要提供基波電流(有功功率)。當(dāng)市電出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)立即關(guān)斷旁路可控硅電子開關(guān)，由逆變器100%給負(fù)載供電。其獨特的控制技術(shù)該模式下，還具有10%充電功率。如需要大功率充電，整流器將啟動，提供最高30-80%的充電功率，以滿足儲能的需求?！じ呖捎眯裕吖╇娰|(zhì)量。市電正常時市電和逆變器一起給負(fù)載供電。市電故障或超出設(shè)定范圍時，由逆變器100%為負(fù)載供電，·高效率低TCO。由于逆變器僅調(diào)節(jié)諧波電流，處理的能量低，系統(tǒng)效率高達99%。系統(tǒng)TCO低。500KVAUPS在半載時年度損耗(含制冷)=(1%+1%/3)*500*50%*24*365=2.9萬度電，10年損耗為29萬度電。相比96%效率的UPS,10年節(jié)省87·長壽命。由于能量沒有經(jīng)過兩次100%的轉(zhuǎn)換，功率器件(IGBT,電容，電感)疲勞老化程度低，溫升低，器件可用性提高，壽命延長(10-15年，更換功率模塊后可達20-25年)?！じ咝阅苤笜?biāo)。由于逆變器提供了負(fù)載需要的諧波電流，市電僅提供基波電流，因此輸入功率因數(shù)0.99,輸入諧波含量<3%。同2016年，施耐德推出儲能功能，使得UPS可以構(gòu)建成儲能系統(tǒng)。UPS儲能技術(shù)的主要核心包括三點：·兼容鋰電池，具有6000甚至1萬次循環(huán)壽命，以保證每天都可以進行1次甚至3次的深度充放電工作。而鉛酸電池只能叫備·充電功率高，從原來的10-20%,提高到35-80%,以保證儲能能量快速恢復(fù)。·具有將輸入市電功率+電池功率=負(fù)載功率的能力，交流+直流，實現(xiàn)聯(lián)合供電。將市電交流功率和鋰電池存儲直流功率+起來，一起給負(fù)載供電，負(fù)載功率=最低67%市電功率+最大33%電池功率，使得同時，利用此功能，還可以在每天負(fù)載峰值的時段(持續(xù)0.5-2小時),由鋰電池彌補市電變壓器不足的容量，實現(xiàn)扛峰增容功能，同樣的變壓器，可以設(shè)計帶更高的額定負(fù)載。(負(fù)載曲線是24小時變化的，在額定負(fù)載值上下波動)隨著國家雙碳政策的倡導(dǎo)和指引，半導(dǎo)體工廠廠區(qū)面積較大，可以搭建本地分布式光伏系統(tǒng)，并可以通過搭建鋰電池儲能系統(tǒng)，如圖所示，PCS雙向變換器+鋰電池方案，與UPS+鋰電池方案的分析。鋰電池新型UPS的E變換運行模式和儲能功能，使得UPS+鋰電池的架構(gòu)，可以構(gòu)成效率高達99%的電壓暫降+全電能質(zhì)量治理+儲電壓暫降產(chǎn)品(或超級電容)(或鋰電