【導讀】微電網已經以某種形式存在了很長時間。在20世紀初，當公用事業供應中斷時，為了保持灌溉水泵和室內照明燈的正常運行而啟用了柴油發電機。盡管那個時候可能還沒有微電網的概念，但已經初步具備了微電網架構，即一組本地互聯的負荷和一個可以獨立于國家電網運行的能源。
圖源：Viktoria Kurpas/shutterstock.com
微電網已經以某種形式存在了很長時間。在20世紀初，當公用事業供應中斷時，為了保持灌溉水泵和室內照明燈的正常運行而啟用了柴油發電機。盡管那個時候可能還沒有微電網的概念，但已經初步具備了微電網架構，即一組本地互聯的負荷和一個可以獨立于國家電網運行的能源。
市場營銷人員對電網進行了分類命名，比如宏電網用于主電網，毫米電網用于大型安裝或獨立電網組合，而微電網甚至納米電網可能是一個背包式太陽能電池板，甚至可以在徒步旅行中為手機充電。
微電網是當下備受關注的一個領域，通常用于為農場、遠程工廠、醫院或軍事場所等設施供電。預計微電網2025年的全球市場規模將達到474億美元，復合年增長率超過10%，可以完全獨立（即孤島）運行、在主電網故障時作為備用電源，甚至在能源供給超過當地需求時為主電網供電。
以下因素促進了微電網的應用：為沒有公用基礎設施的偏遠地區供電，在主電網故障時恢復供電，以及為減少環境影響、降低成本而靈活利用當地可再生能源，如水力、太陽能、風能、地源和熱電聯產 (CHP)。隨之而來的安全問題也備受關注，特別是可能會對主要公共電力系統造成網絡攻擊的數據中心、醫院和軍事基地等關鍵場所。接下來，我們將介紹微電網和電源轉換布局的類型以及每種布局的優勢。
智能微電網 - 提升效率的關鍵
住宅微電網的布局可能如圖1所示，固定太陽能電池板通過與主電網同步的逆變器替代公用電網或向其饋電。大容量鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池可能會保持充電狀態，以在晚上進行供電，或者在主電源出現故障時作為備用電源。除了照明、取暖和廚房/公用設施等典型住宅用電負荷外，電動汽車充電也逐漸成為了一種日益增長的負荷。理想情況下，應該由太陽能等現場可再生能源進行供電，以確保綠色環保。智能控制可個性化微電網的安裝，從太陽能電池板中獲得最大效率，同時調度負荷以將影響降至最低。多余的能量可以自太陽能電池板甚至電動汽車電池自動返回到主電網，用于平衡公用事業負載，以創造更多可貨幣化的價值。
圖1：典型的住宅微電網布局 （圖源：貿澤電子）
工廠可能有多個能量來源，因此其微電網布局更加復雜，如圖2所示。工廠的成本效益分析比住宅更為復雜：不僅有因停電造成的生產損失，也能真實的看到智能環境帶來的額外生產力與能源成本的降低。
圖2：工廠環境中典型的微電網布局 （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（如風能和太陽能）如何借助于智能控制以無線通信方式與傳統發電機組耦合，進而根據需要提供完全獨立的電能和熱量。該系統可以融入工業4.0或工業物聯網 (IIoT) 的概念。它將生產運營與智能數字技術、機器學習和大數據相結合，為專注于制造業和供應鏈管理的公司創造了一個更全面、更互聯的生態系統。在住宅和工業應用中，必須要注意微電網架構，這不僅關乎著可以提供的功能，還涉及到與節能有關的效率問題。
電源轉換效率對投資回報至關重要
即使在圖1相對簡單的住宅安裝環境中，電源轉換也有多個階段：為了提取盡可能多的能量，必須使用具有最大功率點跟蹤 (MPPT) 的智能DC-DC轉換器將太陽能電池板直流輸出轉換為蓄電池能量，并由逆變器將電池直流電轉換為交流電，而電池充電器則會確保電池在沒有太陽能輸入時保持滿電狀態，雙向轉換器通過交流電向電動汽車電池充電，并在需要時進行反向電力傳輸（通常在夜間進行）。其他電源也有電源轉換需求，例如帶有感應發電機的風力渦輪機會輸出變頻變幅交流電，并轉換為與市電兼容的電壓。當然，在工業環境中，情況會更加復雜。
所有這些電源轉換階段會以熱量的形式損失部分能量，這就意味著成本增加，資本回報周期變長，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，以用于社區等場所。然而這種方法并不適用于所有場所，我們可以嘗試在冷卻系統中投入更多的能量和成本來提取熱量，進而避免對電源轉換電子設備造成壓力。
運用新型半導體技術控制成本、尺寸和功耗
微電網中的各種電源轉換階段都會使用半導體開關技術對輸入直流或整流交流電壓進行高頻斬波，然后再借助于相對較小的變壓器通過整流器將電壓恢復到直流，或通過濾波器恢復到交流。半導體器件開關動作的脈寬調制 (PWM) 可以實現恒定的直流或50/60Hz交流輸出。
對于功率較高的情況，半導體開關的選擇直到最近還一直局限于絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，為了達到一定的效率，必須相對緩慢地進行開關。IGBT在關閉時不產生損耗，在打開時有一些傳導損耗，但在兩種狀態之間切換時會產生數千瓦的瞬態功耗（圖3）。每秒切換的次數越多（頻率越高），功耗也就越高。因此，開關頻率最多只能達到幾十kHz，也就帶來了一些其他影響；而變壓器和其他磁性元件（如濾波器）必須很大，相應的成本也較高。
圖3：在半導體開關切換期間，可能會產生很高的功耗 （圖源：貿澤電子）
提高開關頻率以節約尺寸和成本，一直是電源轉換器設計人員所追求的目標，因此也會考慮使用以MOSFET為代表的其他具有較低開關損耗的半導體器件。然而，這些器件的額定功率有限，傳導損耗可能會高于IGBT，比如MOSFET消耗的功率即為導通電阻乘以電流值的平方。IGBT表現出相對恒定的壓降，因此功耗與電流近似成正比。在電流較大時，MOSFET可能會產生損耗，如果再考慮到能量損失和更大、更昂貴的冷卻系統，則高頻率操作的優勢將不復存在。
隨著新一代開關技術寬禁帶 (WBG) 的面世，我們得以在不影響效率的情況下，進一步提升開關速度。該器件由碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 制成，相較于傳統硅開關，速度更快，瞬態損耗更小。極低的導通電阻和固有的抗高溫能力，讓采用WBG技術的設備尺寸更小、效率更高，這不僅與器件本身特性有關，還因為更高的開關頻率可以縮小變壓器、濾波器等相關元件的尺寸。這一切都直接體現在采購和運營成本降低，回報快，環境足跡減少。CREE、GaN Systems、UnitedSiC、Transphorm等公司在WBG半導體領域表現不俗，其產品均可在貿澤電子購得。
結語
微電網具有獨立性、靈活性、安全性以及最大限度地利用本地可再生能源的優勢，可以為農場、遠程工廠、醫院或軍事場所等設施供電。多功能性和可持續發展性將推動微電網市場規模不斷增長，預計到2025年將增至約474億美元。
（來源：貿澤電子，作者：Paul Lee）
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