電力電子使電網(wǎng)更環(huán)保

隨著世界努力應(yīng)對(duì)防止災(zāi)難性氣候變化的挑戰(zhàn)，發(fā)電行業(yè)已被公認(rèn)為是減少碳排放的最重要領(lǐng)域。 因此，美國半數(shù)以上的州制定了可再生電力的指令，包括加利福尼亞、德克薩斯州和紐約等一些最大的州，而歐盟的《可再生能源指令》也設(shè)定了類似的目標(biāo)。尤其由于風(fēng)能和太陽能的間歇性和可變性，可再生能源資源的整合對(duì)公用事業(yè)是個(gè)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在過去的十年中，風(fēng)能和太陽能的成本已急劇下降。在許多情況下它們與化石燃料相比具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是在電網(wǎng)規(guī)模下部署的時(shí)候。商業(yè)和工業(yè)規(guī)模的安裝也是極具經(jīng)濟(jì)效益的，沃爾瑪、塔吉特和亞馬遜等公司已將大量的太陽能電池板放置在倉庫和零售點(diǎn)就證明了這一點(diǎn)。隨著海上風(fēng)能和不固定的太陽能電池板技術(shù)的不斷發(fā)展，可再生能源的適用點(diǎn)也在不斷擴(kuò)大。

加上不斷擴(kuò)大的住宅太陽能容量，公用事業(yè)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是分布式能源的整合不受其控制。一些州對(duì)電表發(fā)電背后的凈計(jì)量或饋電收費(fèi)實(shí)行強(qiáng)制性規(guī)定，這增加了復(fù)雜性并對(duì)公用事業(yè)收入產(chǎn)生影響。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)也與氣候變化有關(guān)：電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和可靠性。最近的加利福尼亞的野火和PG&E的破產(chǎn)，這是極端天氣和氣候變化將如何影響電網(wǎng)的早期跡象。PG&E甚至現(xiàn)在進(jìn)行預(yù)防性大規(guī)模停電以保護(hù)設(shè)備、客戶和森林。

添加到此組合中的另一資源是儲(chǔ)能。儲(chǔ)能可以有多種形式，包括抽水蓄能、大型飛輪、海底加壓氣囊，甚至是起重機(jī)吊起巨大的混凝土塊。這些選項(xiàng)中有許多都需要大規(guī)模構(gòu)建以節(jié)省成本，或需要非常特定的地理特征。

最突出、發(fā)展最快的儲(chǔ)能技術(shù)是電池。電池可高度擴(kuò)展，能用于從家庭規(guī)模到發(fā)電廠規(guī)模。它們也可以幾乎部署在任何位置，而無需像傳統(tǒng)發(fā)電廠必須進(jìn)行大量的環(huán)境評(píng)估、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和考慮當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。最后，各公司都證實(shí)了能夠在短短六個(gè)月內(nèi)安裝大型電池，這與規(guī)劃和支持化石燃料發(fā)電所需的數(shù)十年時(shí)間形成鮮明對(duì)比。

儲(chǔ)能帶來許多好處，尤其是在結(jié)合間歇性可再生能源使用的時(shí)候。儲(chǔ)能最明顯的用途是能源套利。當(dāng)電價(jià)低時(shí)，能量被存儲(chǔ)，然后在電價(jià)高時(shí)送回電網(wǎng)。在晴天，當(dāng)光伏(PV)源過量發(fā)電時(shí)，電力可流入存儲(chǔ)元件，從而可以最大程度地利用這些“必須消耗”的資源。晚上，當(dāng)太陽能發(fā)電量下降時(shí)，電池將供應(yīng)丟失的電力，而基本負(fù)荷發(fā)電量將上升。因此，許多大型電池設(shè)施與太陽能發(fā)電場(chǎng)部署在同一地點(diǎn)。

如果PG&E在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)很高時(shí)讓客戶斷電，則電池和太陽能電池板將使家庭和企業(yè)免于停電，從而保持關(guān)鍵流程運(yùn)行和防止食物變質(zhì)。此外，電力運(yùn)營商現(xiàn)在正在協(xié)調(diào)控制分布式能源，作為“虛擬電廠”，根據(jù)需求來發(fā)電、存儲(chǔ)和送電。在某些情況下，這包括需求響應(yīng)，其中電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段。

將風(fēng)能、光伏和電池源連接到電網(wǎng)的關(guān)鍵接口是逆變器。簡(jiǎn)單地說，逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電，并同步至電網(wǎng)的60Hz電氣頻率。圖1顯示出了連接到電網(wǎng)的太陽能電池板的簡(jiǎn)化圖，重點(diǎn)顯示逆變器的結(jié)構(gòu)。逆變器有多種風(fēng)格，包括單向和雙向以及多級(jí)逆變器的多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一拓?fù)湓谔囟ㄇ闆r下各有利弊。逆變器的關(guān)鍵器件是電源開關(guān)，圖中顯示為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

Inverter：逆變器

AC Grid：交流電網(wǎng)

圖1

逆變器采用微處理器、適當(dāng)?shù)臋z測(cè)和反饋及正確的算法，可以為電網(wǎng)提供各種服務(wù)，而不僅僅是存儲(chǔ)和釋放電能。一個(gè)例子是以電壓支持、頻率調(diào)節(jié)和諧波降低來保持電力質(zhì)量。分布式能源可以減少輸電和配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，因?yàn)殡娔茉诳拷l(fā)電的地方使用。這可以減少電網(wǎng)的緊張和擁擠，甚至推遲電力線的升級(jí)。

當(dāng)大量的電力通過逆變器時(shí)，交流和直流電源之間的轉(zhuǎn)換必須非常高效。事實(shí)上，商用逆變器的峰值效率在96-98%。但電網(wǎng)運(yùn)營商想要更高的能效，特別是在公用事業(yè)規(guī)模上，因?yàn)槟苄У奈⑿∽兓砸馕吨罅康碾娏Α?

為了達(dá)到這些能效水平，功率器件必須具有非常低的損耗。如今，IGBT已成為這些應(yīng)用的主力開關(guān)。但I(xiàn)GBT的傳導(dǎo)電流為幾百安培，阻斷幾千伏特的電壓，它是采用類似于制造手機(jī)和數(shù)據(jù)中心高性能計(jì)算芯片所使用的工藝，由硅制成的。

然而，新材料有望實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的能效和更高的可靠性。具體地說，碳化硅(SiC)是未來的材料。SiC功率電子器件比類似的硅器件具有更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。過渡的第一階段涉及低級(jí)二極管，如圖1所示，該二極管反向并聯(lián)連接至IGBT。將硅二極管替換為SiC二極管可降低損耗并減少開關(guān)期間的過沖，從而減少了逆變器上的應(yīng)力。盡管SiC二極管比硅二極管更昂貴，但較小的散熱器和系統(tǒng)尺寸可降低整體系統(tǒng)成本。

SiC MOSFET是過渡的下一階段。SiC MOSFET的開關(guān)速度比硅IGBT快得多，因此它們用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的升壓級(jí)帶來更大的優(yōu)勢(shì)。通常，使用DC-DC轉(zhuǎn)換器增加太陽能電池板的輸出電壓。SiC MOSFET可更快地開關(guān)，因而減小了升壓級(jí)中昂貴的無源器件如電感器的尺寸，并提高了效率。

安森美半導(dǎo)體提供各種IGBT、SiC二極管和SiC MOSFET，可滿足各種逆變器對(duì)電壓和電流的要求。最受歡迎的是電源模塊，將許多不同的電源開關(guān)和二極管封裝在一起，以實(shí)現(xiàn)小尺寸，易于設(shè)計(jì)和高效散熱。除主要的功率電子器件外，安森美半導(dǎo)體還提供門極驅(qū)動(dòng)器、伽伐尼隔離和高性能運(yùn)算放大器使系統(tǒng)完整。

總結(jié)

隨著可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的改進(jìn)和成本的下降，電網(wǎng)的“逆變化”繼續(xù)以越來越快的速度進(jìn)行。除了減少碳排放和污染外，逆變器還支持更靈活和更具參與性的電網(wǎng)，使消費(fèi)者和生產(chǎn)者之間的界限變得模糊。電力公司正確的控制和協(xié)調(diào)，可提高電力質(zhì)量，降低升級(jí)成本，為用戶提供更可靠的服務(wù)。電力電子技術(shù)是使我們的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施得以更新的關(guān)鍵使能技術(shù)。