微電網(wǎng)以某種形式存在了很長時(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)立于國家電網(wǎng)運(yùn)行的能源。

營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)可能只不過是一個(gè)背包式太陽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、偏遠(yuǎn)工廠、醫(yī)院或軍事場所等設(shè)施供電。到 2025 年，全球市場預(yù)計(jì)將達(dá)到 474 億美元左右，年復(fù)合增長率超過 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?，如水力、太陽能、風(fēng)能、地源和熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)，以減少對環(huán)境的影響并降低成本。安全性也是一個(gè)日益受到關(guān)注的問題，特別是對于數(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

國內(nèi)微電網(wǎng)布置可能如圖 1 所示，固定太陽能電池板通過與主電網(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)汽車充電也越來越多地出現(xiàn)。理想情況下，它應(yīng)該來自當(dāng)?shù)氐目稍偕茉矗缣柲?，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：典型的國內(nèi)微電網(wǎng)布置。（來源：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)境帶來的額外生產(chǎn)力和更低的能源成本是真正的好處。

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)換效率對回報(bào)至關(guān)重要

即使在國內(nèi)比較簡單的安裝圖1，電子功率轉(zhuǎn)換有多個(gè)階段：太陽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的投資回收期，因此效率是一個(gè)主要問題。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提取熱量并避免對功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的壓力。

新半導(dǎo)體控制成本、尺寸、節(jié)省

微電網(wǎng)中的各種功率轉(zhuǎn)換階段都使用開關(guān)模式技術(shù)——半導(dǎo)體開關(guān)以高頻斬波輸入直流或整流交流電壓，然后通過一個(gè)相對較小的變壓器將電壓通過整流器縮放回直流，或通過濾波器轉(zhuǎn)換為交流. 通過半導(dǎo)體開關(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)，它必須以相對緩慢的速度進(jìn)行開關(guān)才能獲得可接受的效率：IGBT 在關(guān)閉時(shí)不消耗功率，而在開啟時(shí)有一些傳導(dǎo)損耗，但當(dāng)它們在兩種狀態(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。

圖 3：半導(dǎo)體開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功耗可能很高。（來源：貿(mào)澤電子）

提高開關(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)為具有較低的開關(guān)損耗，主要競爭者是 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。

新一代開關(guān)——寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體已經(jīng)問世，在不影響效率的情況下，開關(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_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、偏遠(yuǎn)工廠、醫(yī)院或軍事場所等設(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 年增長達(dá)到約 474 億美元的原因。

審核編輯：符乾江