逆变化使电网更环保

寂静回声

作者：Ali Husain，安森美半导体工业及云电源公司营销及战略高级经理
随着世界努力应对防止灾难性气候变化的挑战，发电行业已被公认为是减少碳排放的最重要领域。因此，美国半数以上的州制定了可再生电力的指令，包括加利福尼亚、德克萨斯州和纽约等一些最大的州，而欧盟的《可再生能源指令》也设定了类似的目标。尤其由于风能和太阳能的间歇性和可变性，可再生能源资源的整合对公用事业是个日益严峻的挑战。

在过去的十年中，风能和太阳能的成本已急剧下降。在许多情况下它们与化石燃料相比具有竞争优势，尤其是在电网规模下部署的时候。商业和工业规模的安装也是极具经济效益的，沃尔玛、塔吉特和亚马逊等公司已将大量的太阳能电池板放置在仓库和零售点就证明了这一点。随着海上风能和不固定的太阳能电池板技术的不断发展，可再生能源的适用点也在不断扩大。

加上不断扩大的住宅太阳能容量，公用事业面临的另一个挑战是分布式能源的整合不受其控制。一些州对电表发电背后的净计量或馈电收费实行强制性规定，这增加了复杂性并对公用事业收入产生影响。


另一个主要挑战也与气候变化有关：电网基础设施的安全性和可靠性。最近的加利福尼亚的野火和PG&E的破产，这是极端天气和气候变化将如何影响电网的早期迹象。PG&E甚至现在进行预防性大规模停电以保护设备、客户和森林。

添加到此组合中的另一资源是储能。储能可以有多种形式，包括抽水蓄能、大型飞轮、海底加压气囊，甚至是起重机吊起巨大的混凝土块。这些选项中有许多都需要大规模构建以节省成本，或需要非常特定的地理特征。

最突出、发展最快的储能技术是电池。电池可高度扩展，能用于从家庭规模到发电厂规模。它们也可以几乎部署在任何位置，而无需像传统发电厂必须进行大量的环境评估、基础设施建设和考虑当地法规。最后，各公司都证实了能够在短短六个月内安装大型电池，这与规划和支持化石燃料发电所需的数十年时间形成鲜明对比。

储能带来许多好处，尤其是在结合间歇性可再生能源使用的时候。储能最明显的用途是能源套利。当电价低时，能量被存储，然后在电价高时送回电网。在晴天，当光伏（PV）源过量发电时，电力可流入存储元件，从而可以最大程度地利用这些“必须消耗”的资源。晚上，当太阳能发电量下降时，电池将供应丢失的电力，而基本负荷发电量将上升。因此，许多大型电池设施与太阳能发电场部署在同一地点。

如果PG&E在发生火灾的危险时刻让客户断电，则电池和太阳能电池板将使家庭和企业免于停电，从而保持关键流程运行和防止食物变质。此外，电力运营商现在正在协调控制分布式能源，作为“虚拟电厂”，根据需求来发电、存储和送电。在某些情况下，这包括需求响应，其中电力负荷转移到非高峰时段。

将风能、光伏和电池源连接到电网的关键接口是逆变器。简单地说，逆变器将直流电源转换为交流电，并同步至电网的60Hz电气频率。图1显示出了连接到电网的太阳能电池板的简化图，重点显示逆变器的结构。逆变器有多种风格，包括单向和双向以及多级逆变器的多拓扑结构，每一拓扑在特定情况下各有利弊。逆变器的关键器件是电源开关，图中显示为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。



逆变器采用微处理器、适当的检测和反馈及正确的算法，可以为电网提供各种服务，而不仅仅是存储和释放电能。一个例子是以电压支持、频率调节和谐波降低来保持电力质量。分布式能源可以减少输电和配电网络的负荷，因为电能在靠近发电的地方使用。这可以减少电网的紧张和拥挤，甚至推迟电力线的升级。

当大量的电力通过逆变器时，交流和直流电源之间的转换必须非常高效。事实上，商用逆变器的峰值效率在96-98%。但电网运营商想要更高的能效，特别是在公用事业规模上，因为能效的微小变化仍意味着大量的电力。

为了达到这些能效水平，功率器件必须具有非常低的损耗。如今，IGBT已成为这些应用的主力开关。但IGBT的传导电流为几百安培，阻断几千伏特的电压，它是采用类似于制造手机和数据中心高性能计算芯片所使用的工艺，由硅制成的。

然而，新材料有望实现更高的性能、更高的能效和更高的可靠性。具体地说，碳化硅（SiC）是未来的材料。SiC功率电子器件比类似的硅器件具有更低的传导和开关损耗。过渡的第一阶段涉及低级二极管，如图1所示，该二极管反向并联连接至IGBT。将硅二极管替换为SiC二极管可降低损耗并减少开关期间的过冲，从而减少了逆变器上的应力。尽管SiC二极管比硅二极管更昂贵，但较小的散热器和系统尺寸可降低整体系统成本。SiCMOSFET是过渡的下一阶段。

SiCMOSFET的开关速度比硅IGBT快得多，因此它们用于太阳能发电系统的升压级带来更大的优势。通常，使用DC-DC转换器增加太阳能电池板的输出电压。SiCMOSFET可更快地开关，因而减小了升压级中昂贵的无源器件如电感器的尺寸，并提高了效率。

安森美半导体提供各种IGBT、SiC二极管和SiCMOSFET，可满足各种逆变器对电压和电流的要求。最受欢迎的是电源模块，将许多不同的电源开关和二极管封装在一起，以实现小尺寸，易于设计和高效散热。除主要的功率电子器件外，安森美半导体还提供门极驱动器、伽伐尼隔离和高性能运算放大器使系统完整。