用微電網(wǎng)高效地離網(wǎng)

聚焦微電網(wǎng)

我不是生存主義者，我為拯救地球所做的努力在宏偉的計(jì)劃中微不足道。盡管如此，離網(wǎng)似乎越來越有吸引力——獨(dú)立于來自潛在不可持續(xù)來源的國家電網(wǎng)能源。這是無私的原因，但也有可能節(jié)省一些成本——以及環(huán)境效益——然后保證我可以繼續(xù)在鍵盤上寫博客，而不是在斷電時(shí)用筆寫博客。流行的術(shù)語是微電網(wǎng)—它可能只是一個(gè)通用電源 (UPS) 或國家電網(wǎng)的微型版本，具有自己的本地能源，例如太陽能、風(fēng)能、水力，或綁在健身自行車上的舊汽車交流發(fā)電機(jī)，以及本地負(fù)載例如照明、HVAC 或支持博客的筆記本電腦。如果我能健身、減肥和用消耗的能量寫作，我會(huì)特別高興。

這個(gè)術(shù)語是營銷人員的游樂場(chǎng)——盡管背包式太陽能電池板的納米電網(wǎng)，為手機(jī)充電是一個(gè)有趣的想法——微電網(wǎng)是更重要的事情，并且正在成為一個(gè)大市場(chǎng)：到 2025 年全球?qū)⑦_(dá)到 470 億美元，根據(jù)一些分析。大多數(shù)安裝都是在國內(nèi)進(jìn)行的，通常太陽能只是饋入當(dāng)?shù)氐慕涣麟?(AC) 電源并稍微減少水電費(fèi)。更復(fù)雜的安排包括一個(gè)電池，它可以存儲(chǔ)廉價(jià)的公用事業(yè)夜間能源或白天多余的太陽能，甚至可以通過上網(wǎng)電價(jià) (FIT) 返還一些現(xiàn)金將能源傳回主電網(wǎng)。電池還可以滿足日落后的所有夜間需求，當(dāng)然，還可以提供緊急備用。

潛在的環(huán)境效益、成本節(jié)約、在停電時(shí)維持運(yùn)營的能力是推動(dòng)人們對(duì)微電網(wǎng)裝置感興趣的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。然而，采用取決于寬帶隙半導(dǎo)體的日益使用所帶來的高效功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備。在這里，我們將探索使用碳化硅或氮化鎵的寬帶隙半導(dǎo)體如何提供一種使微電網(wǎng)節(jié)能的解決方案。

使用微電網(wǎng)優(yōu)化電力使用和節(jié)約

電動(dòng)汽車安裝

我們?cè)S多擁有電動(dòng)汽車的人都必須考慮充電機(jī)制——關(guān)鍵是為了節(jié)約能源，因此微電網(wǎng)中來自本地可再生能源的電力絕對(duì)符合事物的精神。EV 電池是一個(gè)很大的充電負(fù)載，因此精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將以最便宜的費(fèi)率時(shí)間首先使用多余的本地能源，其次使用公用電源。但是如果你真的離開了電網(wǎng)并且沒有遠(yuǎn)行，汽車可能會(huì)閑置很長時(shí)間。公用事業(yè)公司會(huì)付錢給你，讓你在高峰需求時(shí)將部分能源返回主電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。請(qǐng)記住，為此您需要一個(gè)雙向充電器。

鄰里微電網(wǎng)安裝

微電網(wǎng)還可以應(yīng)用于具有獨(dú)立電源的社區(qū)，該電源可以在家庭之間共享和計(jì)量電力。這些可能已經(jīng)并網(wǎng)，但也可能完全“孤島”，因?yàn)楣秒娏嚯x遙遠(yuǎn)或根本無法獲得，例如在發(fā)展中國家。

更大的微電網(wǎng)裝置

大型裝置也可以從微電網(wǎng)中受益。醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、工廠和軍事場(chǎng)所意識(shí)到了抗斷電、更便宜的本地電源以及越來越多地通過網(wǎng)絡(luò)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全性的優(yōu)勢(shì)。在這些微電網(wǎng)實(shí)施中，使系統(tǒng)智能化對(duì)于從資本投資中獲得最快回報(bào)至關(guān)重要。當(dāng)微電網(wǎng)的運(yùn)行與工廠的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 等站點(diǎn)范圍內(nèi)的效率計(jì)劃相結(jié)合時(shí)，安裝會(huì)取得最佳效果。隨著一切都經(jīng)過優(yōu)化、互連并能夠渡過停電，生產(chǎn)力得到提高，能源和成本也得到改善。

微電網(wǎng)必須高效

如果說微電網(wǎng)有缺點(diǎn)，那可能是需要各種功率轉(zhuǎn)換階段，如太陽能 DC-AC 逆變器和最大功率點(diǎn)跟蹤控制器、雙向電池充電器和風(fēng)力渦輪機(jī) AC-AC 轉(zhuǎn)換器。由于目的是節(jié)省能源和資金，因此這些轉(zhuǎn)換階段應(yīng)該盡可能高效。但是，有一個(gè)歷史性的權(quán)衡。基于舊技術(shù) IGBT 的功率轉(zhuǎn)換使用以相對(duì)較低頻率運(yùn)行的開關(guān)模式技術(shù)。這可以提高效率，但低頻要求使用大型相關(guān)組件，尤其是昂貴的變壓器和濾波電感器。更快的開關(guān)使磁性元件更小，合適的組件以 MOSFET 的形式有效地做到這一點(diǎn)，但功率相對(duì)較低。這對(duì)國內(nèi)的UPS來說很好，

SiC 和 GaN 寬帶隙半導(dǎo)體

解決方案是使用碳化硅或氮化鎵作為基礎(chǔ)材料的新型寬帶隙半導(dǎo)體。這些開關(guān)速度非?？?，因此可以提高頻率，從而使磁性元件體積小且價(jià)格便宜。即便如此，損失仍然非常低，因此冷卻裝置更小、更輕，當(dāng)然也更便宜。SiC 和 GaN 器件可以很容易地并聯(lián)和堆疊在級(jí)聯(lián)排列中，以獲得數(shù)百安培和千伏的額定值，幾乎可以在任何功率水平上與 IGBT 競(jìng)爭。

權(quán)力下放

分散發(fā)電是必然趨勢(shì)。它充分利用了當(dāng)?shù)氐目稍偕茉?，提高了彈性，并降低了消費(fèi)者的總體成本。隨著越來越多的人在家工作，保持這些筆記本電腦的供電和工作效率也是當(dāng)務(wù)之急。寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)是使其實(shí)用化的關(guān)鍵。

結(jié)論

最大限度地利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉础⒐?jié)約成本、獨(dú)立性、彈性和安全性的承諾促使許多人采用微電網(wǎng)，并且預(yù)計(jì)到 2025 年微電網(wǎng)市場(chǎng)將達(dá)到約 474 億美元。然而，微電網(wǎng)可能無法證明能效或成本效益，具體取決于設(shè)計(jì)中使用的組件。寬帶隙半導(dǎo)體提供了一種解決方案。SiC 和 GaN 寬帶隙半導(dǎo)體提供極快的開關(guān)速度、低損耗，并且可以并聯(lián)和堆疊以在幾乎任何功率水平上與 IGBT 競(jìng)爭。

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