【導(dǎo)讀】微電網(wǎng)已經(jīng)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)中斷時(shí)，為了保持灌溉水泵和室內(nèi)照明燈的正常運(yùn)行而啟用了柴油發(fā)電機(jī)。盡管那個(gè)時(shí)候可能還沒(méi)有微電網(wǎng)的概念，但已經(jīng)初步具備了微電網(wǎng)架構(gòu)，即一組本地互聯(lián)的負(fù)荷和一個(gè)可以獨(dú)立于國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行的能源。
圖源：Viktoria Kurpas/shutterstock.com
微電網(wǎng)已經(jīng)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)中斷時(shí)，為了保持灌溉水泵和室內(nèi)照明燈的正常運(yùn)行而啟用了柴油發(fā)電機(jī)。盡管那個(gè)時(shí)候可能還沒(méi)有微電網(wǎng)的概念，但已經(jīng)初步具備了微電網(wǎng)架構(gòu)，即一組本地互聯(lián)的負(fù)荷和一個(gè)可以獨(dú)立于國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行的能源。
市場(chǎng)營(yíng)銷人員對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行了分類命名，比如宏電網(wǎng)用于主電網(wǎng)，毫米電網(wǎng)用于大型安裝或獨(dú)立電網(wǎng)組合，而微電網(wǎng)甚至納米電網(wǎng)可能是一個(gè)背包式太陽(yáng)能電池板，甚至可以在徒步旅行中為手機(jī)充電。
微電網(wǎng)是當(dāng)下備受關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，通常用于為農(nóng)場(chǎng)、遠(yuǎn)程工廠、醫(yī)院或軍事場(chǎng)所等設(shè)施供電。預(yù)計(jì)微電網(wǎng)2025年的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到474億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)10%，可以完全獨(dú)立（即孤島）運(yùn)行、在主電網(wǎng)故障時(shí)作為備用電源，甚至在能源供給超過(guò)當(dāng)?shù)匦枨髸r(shí)為主電網(wǎng)供電。
以下因素促進(jìn)了微電網(wǎng)的應(yīng)用：為沒(méi)有公用基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，在主電網(wǎng)故障時(shí)恢復(fù)供電，以及為減少環(huán)境影響、降低成本而靈活利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉?，如水力、太?yáng)能、風(fēng)能、地源和熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP)。隨之而來(lái)的安全問(wèn)題也備受關(guān)注，特別是可能會(huì)對(duì)主要公共電力系統(tǒng)造成網(wǎng)絡(luò)攻擊的數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院和軍事基地等關(guān)鍵場(chǎng)所。接下來(lái)，我們將介紹微電網(wǎng)和電源轉(zhuǎn)換布局的類型以及每種布局的優(yōu)勢(shì)。
智能微電網(wǎng) - 提升效率的關(guān)鍵
住宅微電網(wǎng)的布局可能如圖1所示，固定太陽(yáng)能電池板通過(guò)與主電網(wǎng)同步的逆變器替代公用電網(wǎng)或向其饋電。大容量鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池可能會(huì)保持充電狀態(tài)，以在晚上進(jìn)行供電，或者在主電源出現(xiàn)故障時(shí)作為備用電源。除了照明、取暖和廚房/公用設(shè)施等典型住宅用電負(fù)荷外，電動(dòng)汽車充電也逐漸成為了一種日益增長(zhǎng)的負(fù)荷。理想情況下，應(yīng)該由太陽(yáng)能等現(xiàn)場(chǎng)可再生能源進(jìn)行供電，以確保綠色環(huán)保。智能控制可個(gè)性化微電網(wǎng)的安裝，從太陽(yáng)能電池板中獲得最大效率，同時(shí)調(diào)度負(fù)荷以將影響降至最低。多余的能量可以自太陽(yáng)能電池板甚至電動(dòng)汽車電池自動(dòng)返回到主電網(wǎng)，用于平衡公用事業(yè)負(fù)載，以創(chuàng)造更多可貨幣化的價(jià)值。
圖1：典型的住宅微電網(wǎng)布局 （圖源：貿(mào)澤電子）
工廠可能有多個(gè)能量來(lái)源，因此其微電網(wǎng)布局更加復(fù)雜，如圖2所示。工廠的成本效益分析比住宅更為復(fù)雜：不僅有因停電造成的生產(chǎn)損失，也能真實(shí)的看到智能環(huán)境帶來(lái)的額外生產(chǎn)力與能源成本的降低。
圖2：工廠環(huán)境中典型的微電網(wǎng)布局 （已獲Rolls-Royce Power Systems AG公司許可使用）
該圖顯示了各種可再生能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）如何借助于智能控制以無(wú)線通信方式與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組耦合，進(jìn)而根據(jù)需要提供完全獨(dú)立的電能和熱量。該系統(tǒng)可以融入工業(yè)4.0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的概念。它將生產(chǎn)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，為專注于制造業(yè)和供應(yīng)鏈管理的公司創(chuàng)造了一個(gè)更全面、更互聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)。在住宅和工業(yè)應(yīng)用中，必須要注意微電網(wǎng)架構(gòu)，這不僅關(guān)乎著可以提供的功能，還涉及到與節(jié)能有關(guān)的效率問(wèn)題。
電源轉(zhuǎn)換效率對(duì)投資回報(bào)至關(guān)重要
即使在圖1相對(duì)簡(jiǎn)單的住宅安裝環(huán)境中，電源轉(zhuǎn)換也有多個(gè)階段：為了提取盡可能多的能量，必須使用具有最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 的智能DC-DC轉(zhuǎn)換器將太陽(yáng)能電池板直流輸出轉(zhuǎn)換為蓄電池能量，并由逆變器將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電，而電池充電器則會(huì)確保電池在沒(méi)有太陽(yáng)能輸入時(shí)保持滿電狀態(tài)，雙向轉(zhuǎn)換器通過(guò)交流電向電動(dòng)汽車電池充電，并在需要時(shí)進(jìn)行反向電力傳輸（通常在夜間進(jìn)行）。其他電源也有電源轉(zhuǎn)換需求，例如帶有感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)會(huì)輸出變頻變幅交流電，并轉(zhuǎn)換為與市電兼容的電壓。當(dāng)然，在工業(yè)環(huán)境中，情況會(huì)更加復(fù)雜。
所有這些電源轉(zhuǎn)換階段會(huì)以熱量的形式損失部分能量，這就意味著成本增加，資本回報(bào)周期變長(zhǎng)，因此效率也就變得更加重要了。在某些情況下，可以回收熱量，以用于社區(qū)等場(chǎng)所。然而這種方法并不適用于所有場(chǎng)所，我們可以嘗試在冷卻系統(tǒng)中投入更多的能量和成本來(lái)提取熱量，進(jìn)而避免對(duì)電源轉(zhuǎn)換電子設(shè)備造成壓力。
運(yùn)用新型半導(dǎo)體技術(shù)控制成本、尺寸和功耗
微電網(wǎng)中的各種電源轉(zhuǎn)換階段都會(huì)使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)對(duì)輸入直流或整流交流電壓進(jìn)行高頻斬波，然后再借助于相對(duì)較小的變壓器通過(guò)整流器將電壓恢復(fù)到直流，或通過(guò)濾波器恢復(fù)到交流。半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作的脈寬調(diào)制 (PWM) 可以實(shí)現(xiàn)恒定的直流或50/60Hz交流輸出。
對(duì)于功率較高的情況，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的選擇直到最近還一直局限于絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，為了達(dá)到一定的效率，必須相對(duì)緩慢地進(jìn)行開(kāi)關(guān)。IGBT在關(guān)閉時(shí)不產(chǎn)生損耗，在打開(kāi)時(shí)有一些傳導(dǎo)損耗，但在兩種狀態(tài)之間切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)千瓦的瞬態(tài)功耗（圖3）。每秒切換的次數(shù)越多（頻率越高），功耗也就越高。因此，開(kāi)關(guān)頻率最多只能達(dá)到幾十kHz，也就帶來(lái)了一些其他影響；而變壓器和其他磁性元件（如濾波器）必須很大，相應(yīng)的成本也較高。
圖3：在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)切換期間，可能會(huì)產(chǎn)生很高的功耗 （圖源：貿(mào)澤電子）
提高開(kāi)關(guān)頻率以節(jié)約尺寸和成本，一直是電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員所追求的目標(biāo)，因此也會(huì)考慮使用以MOSFET為代表的其他具有較低開(kāi)關(guān)損耗的半導(dǎo)體器件。然而，這些器件的額定功率有限，傳導(dǎo)損耗可能會(huì)高于IGBT，比如MOSFET消耗的功率即為導(dǎo)通電阻乘以電流值的平方。IGBT表現(xiàn)出相對(duì)恒定的壓降，因此功耗與電流近似成正比。在電流較大時(shí)，MOSFET可能會(huì)產(chǎn)生損耗，如果再考慮到能量損失和更大、更昂貴的冷卻系統(tǒng)，則高頻率操作的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。
隨著新一代開(kāi)關(guān)技術(shù)寬禁帶 (WBG) 的面世，我們得以在不影響效率的情況下，進(jìn)一步提升開(kāi)關(guān)速度。該器件由碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 制成，相較于傳統(tǒng)硅開(kāi)關(guān)，速度更快，瞬態(tài)損耗更小。極低的導(dǎo)通電阻和固有的抗高溫能力，讓采用WBG技術(shù)的設(shè)備尺寸更小、效率更高，這不僅與器件本身特性有關(guān)，還因?yàn)楦叩拈_(kāi)關(guān)頻率可以縮小變壓器、濾波器等相關(guān)元件的尺寸。這一切都直接體現(xiàn)在采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)成本降低，回報(bào)快，環(huán)境足跡減少。CREE、GaN Systems、UnitedSiC、Transphorm等公司在WBG半導(dǎo)體領(lǐng)域表現(xiàn)不俗，其產(chǎn)品均可在貿(mào)澤電子購(gòu)得。
結(jié)語(yǔ)
微電網(wǎng)具有獨(dú)立性、靈活性、安全性以及最大限度地利用本地可再生能源的優(yōu)勢(shì)，可以為農(nóng)場(chǎng)、遠(yuǎn)程工廠、醫(yī)院或軍事場(chǎng)所等設(shè)施供電。多功能性和可持續(xù)發(fā)展性將推動(dòng)微電網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年將增至約474億美元。
（來(lái)源：貿(mào)澤電子，作者：Paul Lee）
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