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新半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)微電網(wǎng)的發(fā)展有怎樣的幫助

eeDesigner ? 來(lái)源:物聯(lián)網(wǎng)評(píng)論 ? 作者:物聯(lián)網(wǎng)評(píng)論 ? 2022-03-25 17:15 ? 次閱讀

微電網(wǎng)以某種形式存在了很長(zhǎng)時(shí)間。在 20 世紀(jì)初,當(dāng)公用事業(yè)供應(yīng)出現(xiàn)故障時(shí),他啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)以保持灌溉泵和房屋燈正常工作的農(nóng)民可能不認(rèn)識(shí)這個(gè)詞。盡管如此,他仍在建立微電網(wǎng)的定義——一組本地互連的負(fù)載和一個(gè)可以獨(dú)立于國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行的能源。

營(yíng)銷人員像往常一樣喜歡這個(gè)命名法,宏用于主電網(wǎng),毫用于大型安裝或獨(dú)立電網(wǎng)的集合,微型甚至納米電網(wǎng)可能只不過(guò)是一個(gè)背包式太陽(yáng)能電池板頂部徒步旅行時(shí)拿起你的手機(jī)

微電網(wǎng)是當(dāng)今備受關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域,通常為農(nóng)場(chǎng)、偏遠(yuǎn)工廠、醫(yī)院或軍事場(chǎng)所等設(shè)施供電。到 2025 年,全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到 474 億美元左右,年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò) 10%,微電網(wǎng)可以完全獨(dú)立或孤島,在發(fā)生故障時(shí)作為主電網(wǎng)的備用,甚至是當(dāng)本地能源超過(guò)本地需求時(shí),主電網(wǎng)。

使用微電網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)因素是為沒(méi)有公用事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力,抵御主電網(wǎng)故障,以及靈活使用當(dāng)?shù)乜稍偕茉矗缢Α⑻?yáng)能、風(fēng)能、地源和熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP),以減少對(duì)環(huán)境的影響并降低成本。安全性也是一個(gè)日益受到關(guān)注的問(wèn)題,特別是對(duì)于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院和軍事基地等關(guān)鍵設(shè)施而言,對(duì)主要公用事業(yè)供應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊是真正可能的。在這里,我們將回顧微電網(wǎng)的類型和電力轉(zhuǎn)換安排以及每種類型的好處。

智能微電網(wǎng)是效率的關(guān)鍵

國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)布置可能如圖 1 所示,固定太陽(yáng)能電池板通過(guò)與主電網(wǎng)同步的逆變器替換或貢獻(xiàn)公用電力。大容量鋰離子或磷酸鐵鋰電池可能會(huì)保持充電狀態(tài),并可在天黑后提供電源,或者在主電源出現(xiàn)故障時(shí)提供備用電源。除了照明、供暖和廚房/公用設(shè)備等典型的家庭負(fù)載外,電動(dòng)汽車充電也越來(lái)越多地出現(xiàn)。理想情況下,它應(yīng)該來(lái)自當(dāng)?shù)氐目稍偕茉矗缣?yáng)能,以保持其綠色證書。智能控制,個(gè)性化微電網(wǎng)安裝,從太陽(yáng)能電池板中獲得最大效率,同時(shí)調(diào)度負(fù)載以最小化影響。多余的能量可以從太陽(yáng)能電池板甚至電動(dòng)汽車電池自動(dòng)返回到主電網(wǎng),

圖 1:典型的國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)布置。(來(lái)源:貿(mào)澤電子

一家工廠將有一個(gè)更復(fù)雜的微電網(wǎng)布置,可能有多種能源, 如圖 2 所示。工廠環(huán)境的成本效益分析比國(guó)內(nèi)情況更復(fù)雜。; 停電期間的生產(chǎn)損失是一項(xiàng)真正的成本,而智能環(huán)境帶來(lái)的額外生產(chǎn)力和更低的能源成本是真正的好處。

工廠環(huán)境中的典型微電網(wǎng)布置。

圖 2:工廠環(huán)境中的典型微電網(wǎng)布置。(圖片經(jīng)勞斯萊斯動(dòng)力系統(tǒng)公司許可轉(zhuǎn)載)

該圖顯示了各種可再生能源(如風(fēng)能和太陽(yáng)能)如何與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組相結(jié)合,在需要時(shí)提供完全獨(dú)立的電力和加熱,所有這些都在無(wú)線通信的智能控制下。該系統(tǒng)可以與工業(yè)4.0集成或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 概念。這將物理生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)與智能數(shù)字技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)相結(jié)合,為專注于制造和供應(yīng)鏈管理的公司創(chuàng)建一個(gè)更全面、更緊密連接的生態(tài)系統(tǒng)。在家庭和工業(yè)應(yīng)用中都必須仔細(xì)考慮微電網(wǎng)架構(gòu),不僅要考慮功能,還要考慮電效率,以實(shí)現(xiàn)所希望的節(jié)能。

功率轉(zhuǎn)換效率對(duì)回報(bào)至關(guān)重要

即使在國(guó)內(nèi)比較簡(jiǎn)單的安裝圖1,電子功率轉(zhuǎn)換有多個(gè)階段:太陽(yáng)能電池板的輸出直流必須使用具有最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 的智能 DC-DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為蓄電池電壓,以提取最大能量,逆變器將電池直流轉(zhuǎn)換為交流線電壓,電池充電器確保電池在太陽(yáng)能輸入不可用時(shí)保持滿容量,雙向轉(zhuǎn)換器從交流電為電動(dòng)汽車電池充電,但通常在夜間反向傳輸電力。其他可能的電源有其功率轉(zhuǎn)換要求,例如帶有輸出可變頻率和振幅交流電的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī),轉(zhuǎn)換為與公用事業(yè)兼容的水平。當(dāng)然,在工業(yè)環(huán)境中,復(fù)雜性要高得多。

所有這些功率轉(zhuǎn)換階段都會(huì)以熱量的形式損失一些能量,這代表了金錢損失和更長(zhǎng)的投資回收期,因此效率是一個(gè)主要問(wèn)題。在某些情況下,可以回收熱量,也許供社區(qū)使用。機(jī)會(huì)是有限的,因此更有可能在冷卻系統(tǒng)中花費(fèi)更多的能量和成本來(lái)提取熱量并避免對(duì)功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的壓力。

半導(dǎo)體控制成本、尺寸、節(jié)省

微電網(wǎng)中的各種功率轉(zhuǎn)換階段都使用開(kāi)關(guān)模式技術(shù)——半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)以高頻斬波輸入直流或整流交流電壓,然后通過(guò)一個(gè)相對(duì)較小的變壓器將電壓通過(guò)整流器縮放回直流,或通過(guò)濾波器轉(zhuǎn)換為交流. 通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)動(dòng)作的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 實(shí)現(xiàn)將輸出調(diào)節(jié)為恒定直流或 50/60Hz 交流。

在更高的功率下,半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的選擇直到最近還僅限于絕緣柵雙極晶體管 (IGBT),它必須以相對(duì)緩慢的速度進(jìn)行開(kāi)關(guān)才能獲得可接受的效率:IGBT 在關(guān)閉時(shí)不消耗功率,而在開(kāi)啟時(shí)有一些傳導(dǎo)損耗,但當(dāng)它們?cè)趦煞N狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí),它們可以承受以千瓦為單位的瞬態(tài)功率(圖 3)。每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)(頻率)越多,耗散就越高。出于這個(gè)原因,開(kāi)關(guān)頻率最多只有幾十 kHz,這會(huì)產(chǎn)生影響。變壓器和其他磁性元件(如濾波器)必須很大,因此成本很高。

在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間,功耗可能很高。

圖 3:半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功耗可能很高。(來(lái)源:貿(mào)澤電子)

提高開(kāi)關(guān)頻率一直是功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)目標(biāo),以實(shí)現(xiàn)尺寸和成本節(jié)約,因此其他半導(dǎo)體器件被認(rèn)為具有較低的開(kāi)關(guān)損耗,主要競(jìng)爭(zhēng)者是 MOSFET。然而,這些器件的額定功率有限,并且傳導(dǎo)損耗可能高于 IGBT——MOSFET 表現(xiàn)出導(dǎo)通電阻,其功耗與電流值的平方成正比。IGBT 表現(xiàn)出相對(duì)恒定的壓降,因此功耗與電流大致成正比。因此,在大電流下,MOSFET 可能有損耗,并且當(dāng)考慮到能量損失和所需的更大、更昂貴的冷卻時(shí),更高頻率運(yùn)行的好處就被否定了。

新一代開(kāi)關(guān)——寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體已經(jīng)問(wèn)世,在不影響效率的情況下,開(kāi)關(guān)速度有了顯著提高。這些器件采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 制造,開(kāi)關(guān)速度比傳統(tǒng)硅快,任何瞬態(tài)損耗都極小。結(jié)合非常低的導(dǎo)通電阻和固有的高溫能力,采用 WBG 技術(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)備更小、更高效,這不僅是因?yàn)樵O(shè)備本身,還因?yàn)楦叩拈_(kāi)關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)更小的相關(guān)組件,例如變壓器和濾波器。這一切都直接體現(xiàn)在低采購(gòu)和運(yùn)行成本、快速回報(bào)和更小的環(huán)境足跡。公司如CREE、GaN Systems、UnitedSiC、Transphorm和許多其他公司在 WBG 半導(dǎo)體領(lǐng)域都很活躍,這些器件可從Mouser Electronics獲得。

結(jié)論

微電網(wǎng)具有獨(dú)立性、彈性、安全性和最大限度地利用本地可再生能源的能力。微電網(wǎng)可以為農(nóng)場(chǎng)、偏遠(yuǎn)工廠、醫(yī)院或軍事場(chǎng)所等設(shè)施供電。它們的多功能性和持續(xù)發(fā)展是微電網(wǎng)行業(yè)到 2025 年增長(zhǎng)達(dá)到約 474 億美元的原因。

審核編輯:符乾江

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