隨著世界努力應(yīng)對(duì)防止災(zāi)難性氣候變化的挑戰(zhàn)，發(fā)電行業(yè)已被公認(rèn)為是減少碳排放的最重要領(lǐng)域。 因此，美國(guó)半數(shù)以上的州制定了可再生電力的指令，包括加利福尼亞、德克薩斯州和紐約等一些最大的州，而歐盟的《可再生能源指令》也設(shè)定了類(lèi)似的目標(biāo)。尤其由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的間歇性和可變性，可再生能源資源的整合對(duì)公用事業(yè)是個(gè)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在過(guò)去的十年中，風(fēng)能和太陽(yáng)能的成本已急劇下降。在許多情況下它們與化石燃料相比具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是在電網(wǎng)規(guī)模下部署的時(shí)候。商業(yè)和工業(yè)規(guī)模的安裝也是極具經(jīng)濟(jì)效益的，沃爾瑪、塔吉特和亞馬遜等公司已將大量的太陽(yáng)能電池板放置在倉(cāng)庫(kù)和零售點(diǎn)就證明了這一點(diǎn)。隨著海上風(fēng)能和不固定的太陽(yáng)能電池板技術(shù)的不斷發(fā)展，可再生能源的適用點(diǎn)也在不斷擴(kuò)大。

加上不斷擴(kuò)大的住宅太陽(yáng)能容量，公用事業(yè)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是分布式能源的整合不受其控制。一些州對(duì)電表發(fā)電背后的凈計(jì)量或饋電收費(fèi)實(shí)行強(qiáng)制性規(guī)定，這增加了復(fù)雜性并對(duì)公用事業(yè)收入產(chǎn)生影響。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)也與氣候變化有關(guān)：電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和可靠性。最近的加利福尼亞的野火和PG&E的破產(chǎn)，這是極端天氣和氣候變化將如何影響電網(wǎng)的早期跡象。PG&E甚至現(xiàn)在進(jìn)行預(yù)防性大規(guī)模停電以保護(hù)設(shè)備、客戶和森林。

添加到此組合中的另一資源是儲(chǔ)能。儲(chǔ)能可以有多種形式，包括抽水蓄能、大型飛輪、海底加壓氣囊，甚至是起重機(jī)吊起巨大的混凝土塊。這些選項(xiàng)中有許多都需要大規(guī)模構(gòu)建以節(jié)省成本，或需要非常特定的地理特征。

最突出、發(fā)展最快的儲(chǔ)能技術(shù)是電池。電池可高度擴(kuò)展，能用于從家庭規(guī)模到發(fā)電廠規(guī)模。它們也可以幾乎部署在任何位置，而無(wú)需像傳統(tǒng)發(fā)電廠必須進(jìn)行大量的環(huán)境評(píng)估、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和考慮當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。最后，各公司都證實(shí)了能夠在短短六個(gè)月內(nèi)安裝大型電池，這與規(guī)劃和支持化石燃料發(fā)電所需的數(shù)十年時(shí)間形成鮮明對(duì)比。

儲(chǔ)能帶來(lái)許多好處，尤其是在結(jié)合間歇性可再生能源使用的時(shí)候。儲(chǔ)能最明顯的用途是能源套利。當(dāng)電價(jià)低時(shí)，能量被存儲(chǔ)，然后在電價(jià)高時(shí)送回電網(wǎng)。在晴天，當(dāng)光伏（PV）源過(guò)量發(fā)電時(shí)，電力可流入存儲(chǔ)元件，從而可以最大程度地利用這些“必須消耗”的資源。晚上，當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電量下降時(shí)，電池將供應(yīng)丟失的電力，而基本負(fù)荷發(fā)電量將上升。因此，許多大型電池設(shè)施與太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)部署在同一地點(diǎn)。

如果PG&E在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)很高時(shí)讓客戶斷電，則電池和太陽(yáng)能電池板將使家庭和企業(yè)免于停電，從而保持關(guān)鍵流程運(yùn)行和防止食物變質(zhì)。此外，電力運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)在正在協(xié)調(diào)控制分布式能源，作為“虛擬電廠”，根據(jù)需求來(lái)發(fā)電、存儲(chǔ)和送電。在某些情況下，這包括需求響應(yīng)，其中電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段。

將風(fēng)能、光伏和電池源連接到電網(wǎng)的關(guān)鍵接口是逆變器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電，并同步至電網(wǎng)的60Hz電氣頻率。圖1顯示出了連接到電網(wǎng)的太陽(yáng)能電池板的簡(jiǎn)化圖，重點(diǎn)顯示逆變器的結(jié)構(gòu)。逆變器有多種風(fēng)格，包括單向和雙向以及多級(jí)逆變器的多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一拓?fù)湓谔囟ㄇ闆r下各有利弊。逆變器的關(guān)鍵器件是電源開(kāi)關(guān)，圖中顯示為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

圖1

逆變器采用微處理器、適當(dāng)?shù)臋z測(cè)和反饋及正確的算法，可以為電網(wǎng)提供各種服務(wù)，而不僅僅是存儲(chǔ)和釋放電能。一個(gè)例子是以電壓支持、頻率調(diào)節(jié)和諧波降低來(lái)保持電力質(zhì)量。分布式能源可以減少輸電和配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，因?yàn)殡娔茉诳拷l(fā)電的地方使用。這可以減少電網(wǎng)的緊張和擁擠，甚至推遲電力線的升級(jí)。

當(dāng)大量的電力通過(guò)逆變器時(shí)，交流和直流電源之間的轉(zhuǎn)換必須非常高效。事實(shí)上，商用逆變器的峰值效率在96-98%。但電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商想要更高的能效，特別是在公用事業(yè)規(guī)模上，因?yàn)槟苄У奈⑿∽兓砸馕吨罅康碾娏Α?/p>

為了達(dá)到這些能效水平，功率器件必須具有非常低的損耗。如今，IGBT已成為這些應(yīng)用的主力開(kāi)關(guān)。但I(xiàn)GBT的傳導(dǎo)電流為幾百安培，阻斷幾千伏特的電壓，它是采用類(lèi)似于制造手機(jī)和數(shù)據(jù)中心高性能計(jì)算芯片所使用的工藝，由硅制成的。

然而，新材料有望實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的能效和更高的可靠性。具體地說(shuō)，碳化硅（SiC）是未來(lái)的材料。SiC功率電子器件比類(lèi)似的硅器件具有更低的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。過(guò)渡的第一階段涉及低級(jí)二極管，如圖1所示，該二極管反向并聯(lián)連接至IGBT。將硅二極管替換為SiC二極管可降低損耗并減少開(kāi)關(guān)期間的過(guò)沖，從而減少了逆變器上的應(yīng)力。盡管SiC二極管比硅二極管更昂貴，但較小的散熱器和系統(tǒng)尺寸可降低整體系統(tǒng)成本。

SiC MOSFET是過(guò)渡的下一階段。SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比硅IGBT快得多，因此它們用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的升壓級(jí)帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)。通常，使用DC-DC轉(zhuǎn)換器增加太陽(yáng)能電池板的輸出電壓。SiC MOSFET可更快地開(kāi)關(guān)，因而減小了升壓級(jí)中昂貴的無(wú)源器件如電感器的尺寸，并提高了效率。

安森美半導(dǎo)體提供各種IGBT、SiC二極管和SiC MOSFET，可滿足各種逆變器對(duì)電壓和電流的要求。最受歡迎的是電源模塊，將許多不同的電源開(kāi)關(guān)和二極管封裝在一起，以實(shí)現(xiàn)小尺寸，易于設(shè)計(jì)和高效散熱。除主要的功率電子器件外，安森美半導(dǎo)體還提供門(mén)極驅(qū)動(dòng)器、伽伐尼隔離和高性能運(yùn)算放大器使系統(tǒng)完整。

總結(jié)

隨著可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的改進(jìn)和成本的下降，電網(wǎng)的“逆變化”繼續(xù)以越來(lái)越快的速度進(jìn)行。除了減少碳排放和污染外，逆變器還支持更靈活和更具參與性的電網(wǎng)，使消費(fèi)者和生產(chǎn)者之間的界限變得模糊。電力公司正確的控制和協(xié)調(diào)，可提高電力質(zhì)量，降低升級(jí)成本，為用戶提供更可靠的服務(wù)。電力電子技術(shù)是使我們的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施得以更新的關(guān)鍵使能技術(shù)。