借助新技术推进微电网建设
作者: Paul Lee，贸泽电子专稿
图源：Viktoria Kurpas/shutterstock.com
微电网已经以某种形式存在了很长时间。在20世纪初，当公用事业供应中断时，为了保持灌溉水泵和室内照明灯的正常运行而启用了柴油发电机。尽管那个时候可能还没有微电网的概念，但已经初步具备了微电网架构，即一组本地互联的负荷和一个可以独立于国家电网运行的能源。
市场营销人员对电网进行了分类命名，比如宏电网用于主电网，毫米电网用于大型安装或独立电网组合，而微电网甚至纳米电网可能是一个背包式太阳能电池板，甚至可以在徒步旅行中为手机充电。
微电网是当下备受关注的一个领域，通常用于为农场、远程工厂、医院或军事场所等设施供电。预计微电网2025年的全球市场规模将达到474亿美元，复合年增长率超过10%，可以完全独立（即孤岛）运行、在主电网故障时作为备用电源，甚至在能源供给超过当地需求时为主电网供电。
以下因素促进了微电网的应用：为没有公用基础设施的偏远地区供电，在主电网故障时恢复供电，以及为减少环境影响、降低成本而灵活利用当地可再生能源，如水力、太阳能、风能、地源和热电联产 (CHP)。随之而来的安全问题也备受关注，特别是可能会对主要公共电力系统造成网络攻击的数据中心、医院和军事基地等关键场所。接下来，我们将介绍微电网和电源转换布局的类型以及每种布局的优势。
智能微电网 - 提升效率的关键
住宅微电网的布局可能如图1所示，固定太阳能电池板通过与主电网同步的逆变器替代公用电网或向其馈电。大容量锂离子电池或磷酸铁锂电池可能会保持充电状态，以在晚上进行供电，或者在主电源出现故障时作为备用电源。除了照明、取暖和厨房/公用设施等典型住宅用电负荷外，电动汽车充电也逐渐成为了一种日益增长的负荷。理想情况下，应该由太阳能等现场可再生能源进行供电，以确保绿色环保。智能控制可个性化微电网的安装，从太阳能电池板中获得最大效率，同时调度负荷以将影响降至最低。多余的能量可以自太阳能电池板甚至电动汽车电池自动返回到主电网，用于平衡公用事业负载，以创造更多可货币化的价值。
图1：典型的住宅微电网布局 （图源：贸泽电子）
工厂可能有多个能量来源，因此其微电网布局更加复杂，如图2所示。工厂的成本效益分析比住宅更为复杂：不仅有因停电造成的生产损失，也能真实的看到智能环境带来的额外生产力与能源成本的降低。
图2：工厂环境中典型的微电网布局 （已获Rolls-Royce Power Systems AG公司许可使用）
该图显示了各种可再生能源（如风能和太阳能）如何借助于智能控制以无线通信方式与传统发电机组耦合，进而根据需要提供完全独立的电能和热量。该系统可以融入工业4.0或工业物联网 (IIoT) 的概念。它将生产运营与智能数字技术、机器学习和大数据相结合，为专注于制造业和供应链管理的公司创造了一个更全面、更互联的生态系统。在住宅和工业应用中，必须要注意微电网架构，这不仅关乎着可以提供的功能，还涉及到与节能有关的效率问题。
电源转换效率对投资回报至关重要
即使在图1相对简单的住宅安装环境中，电源转换也有多个阶段：为了提取尽可能多的能量，必须使用具有最大功率点跟踪 (MPPT) 的智能DC-DC转换器将太阳能电池板直流输出转换为蓄电池能量，并由逆变器将电池直流电转换为交流电，而电池充电器则会确保电池在没有太阳能输入时保持满电状态，双向转换器通过交流电向电动汽车电池充电，并在需要时进行反向电力传输（通常在夜间进行）。其他电源也有电源转换需求，例如带有感应发电机的风力涡轮机会输出变频变幅交流电，并转换为与市电兼容的电压。当然，在工业环境中，情况会更加复杂。
所有这些电源转换阶段会以热量的形式损失部分能量，这就意味着成本增加，资本回报周期变长，因此效率也就变得更加重要了。在某些情况下，可以回收热量，以用于社区等场所。然而这种方法并不适用于所有场所，我们可以尝试在冷却系统中投入更多的能量和成本来提取热量，进而避免对电源转换电子设备造成压力。
运用新型半导体技术控制成本、尺寸和功耗
微电网中的各种电源转换阶段都会使用半导体开关技术对输入直流或整流交流电压进行高频斩波，然后再借助于相对较小的变压器通过整流器将电压恢复到直流，或通过滤波器恢复到交流。半导体器件开关动作的脉宽调制 (PWM) 可以实现恒定的直流或50/60Hz交流输出。
对于功率较高的情况，半导体开关的选择直到最近还一直局限于绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，为了达到一定的效率，必须相对缓慢地进行开关。IGBT在关闭时不产生损耗，在打开时有一些传导损耗，但在两种状态之间切换时会产生数千瓦的瞬态功耗（图3）。每秒切换的次数越多（频率越高），功耗也就越高。因此，开关频率最多只能达到几十kHz，也就带来了一些其他影响；而变压器和其他磁性元件（如滤波器）必须很大，相应的成本也较高。
图3：在半导体开关切换期间，可能会产生很高的功耗 （图源：贸泽电子）
提高开关频率以节约尺寸和成本，一直是电源转换器设计人员所追求的目标，因此也会考虑使用以MOSFET为代表的其他具有较低开关损耗的半导体器件。然而，这些器件的额定功率有限，传导损耗可能会高于IGBT，比如MOSFET消耗的功率即为导通电阻乘以电流值的平方。IGBT表现出相对恒定的压降，因此功耗与电流近似成正比。在电流较大时，MOSFET可能会产生损耗，如果再考虑到能量损失和更大、更昂贵的冷却系统，则高频率操作的优势将不复存在。
随着新一代开关技术宽禁带 (WBG) 的面世，我们得以在不影响效率的情况下，进一步提升开关速度。该器件由碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 制成，相较于传统硅开关，速度更快，瞬态损耗更小。极低的导通电阻和固有的抗高温能力，让采用WBG技术的设备尺寸更小、效率更高，这不仅与器件本身特性有关，还因为更高的开关频率可以缩小变压器、滤波器等相关元件的尺寸。这一切都直接体现在采购和运营成本降低，回报快，环境足迹减少。CREE、GaN Systems、UnitedSiC、Transphorm等公司在WBG半导体领域表现不俗，其产品均可在贸泽电子购得。
结语
微电网具有独立性、灵活性、安全性以及最大限度地利用本地可再生能源的优势，可以为农场、远程工厂、医院或军事场所等设施供电。多功能性和可持续发展性将推动微电网市场规模不断增长，预计到2025年将增至约474亿美元。
作者简介
Paul Lee曾发表过200多篇关于电源主题的文章和博客文章，以及一本关于电源设计技术的书《Power Supplies Explained》。作为一名拥有电子专业学位的特许工程师，Lee曾拥有一家电源制造企业，随后还担任过Murata Power Solutions的工程主管。目前，他是一名自由撰稿人，并负责管理欧洲电源制造商协会。Lee居住在英国牛津郡，是英国皇家摄影协会的会员，并拥有业余无线电执照。
