广告

逆变化使电网更环保

2020-02-18 14:14:27 安森美半导体工业及云电源公司营销及战略高级经理Ali Husain 阅读:
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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

如果PG&E在发生火灾的危险很高时让客户断电,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。OU2ednc

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)。OU2ednc

OU2ednc

 OU2ednc

Inverter:逆变器OU2ednc

AC Grid:交流电网OU2ednc

图1OU2ednc

 OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

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。OU2ednc

SiC MOSFET是过渡的下一阶段。SiC MOSFET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。SiC MOSFET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。OU2ednc

安森美半导体提供各种IGBT、SiC二极管和SiC MOSFET,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。OU2ednc

总结

随着可再生能源和储能技术的改进和成本的下降,电网的“逆变化”继续以越来越快的速度进行。除了减少碳排放和污染外,逆变器还支持更灵活和更具参与性的电网,使消费者和生产者之间的界限变得模糊。电力公司正确的控制和协调,可提高电力质量,降低升级成本,为用户提供更可靠的服务。电力电子技术是使我们的关键基础设施得以更新的关键使能技术。OU2ednc

  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 被央媒评论,华为力推的增程式混动是落后技术吗? 或许,增程式或者插电式混动技术能够满足当前里程焦虑问题,但待电池技术完全成熟以后新能源电动车市场或将以纯电技术为主流。
  • 发挥系统支撑作用开拓碳中和新蓝图,关键技术助推锂电储 储能正在成为实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要抓手,也是稳定电力系统的重要手段,是实现并保障高比例可再生能源的新型电力系统运行的强力支撑。
  • 电动汽车和充电桩设计提出哪些新的光耦驱动需求? 电动汽车内部存在电池管理、空调和牵引逆变器等各种子系统,工作条件不一,对功率器件及其驱动要求不尽相同。同时,充电桩有交/直流之分,充电功率/速度也不相同。这些不同的子系统和电源系统都会广泛使用光耦器,来进行隔离通信、驱动以及反馈。光耦在传统的工业应用中已非常成熟,那么在电动汽车/充电桩这些新兴应用当中,又有怎样的发展趋势和新的性能需求呢?
  • 独家:美国电动车充电桩标准与安规解读 电动汽车(EV)有可能统治道路——如果充电站给力的话。在率先采用电动汽车的地区,公用事业机构和政府机关已经采取行动,鼓励司机使用电动汽车替换燃油车。
  • 如何开发微型太阳能无线传感器节点 无线传感器节点通过缩减传感器尺寸、简化维护问题和延长电池续航时间来降低实施成本。 本文图文详解了设计无电池设备的最好方法是通过用于通信和能量采集的低功耗蓝牙(BLE)等技术来降低无线传感器系统的平均功耗。
  • 实施安全可靠的汽车应用FPGA解决方案 汽车工业正经历重大的结构化转变。自主驾驶革命增加了电子系统的复杂性和缩短了设计周期。随着人们对安全和燃油效率的关注增加,混合动力车辆和电动车辆的势头越来越猛。 这些车辆的电子系统不仅应满足功能要求,而且还要确保在汽车的整个使用寿命期间无缺陷和故障地安全运行。这些系统中使用的部件必须满足或超过汽车电子协会(AEC)等各种工业团体规定的可靠性标准。安全性关键的汽车应用还应能够防止这些系统功能因为任何未授权访问、篡改或破坏而被改变并导致灾难性结果(包括人命伤亡)。
  • 斯坦福大学开发电动车行驶中无线充电技术 如果电动车在高速公路上行驶时能一面充电,就可以不必担心续航力的问题,而且还有助于降低成本,甚至让电力成为车辆的燃料标准。
  • 从电池供应案例到故障率,车企如何保证动力电池系统性能 本文从多供应商产品管理角度来探讨车企对动力电池系统的管理问题,尤其是在整个车辆完整的生命周期里对这一问题的重要性和影响进行审视。
  • 磁电式能量采集将造福未来的电池、太阳能电池和手机设 随着手机信号塔、移动设备、WiFi、蓝牙、5G等等产生的微波越来越多地充斥着我们的世界,自然而然,科学家们将探讨将这些电磁波转化成能量的方法。犹他州立大学的科学家们发现了一种新方法:在有机半导体内将微波能量转化为电能。
  • 电子工程师:谈谈在大学该学啥没学?啥学了又没用? 更多的老师更专注理论研究,再加上最近几年很多新兴热门专业的诞生,如“生物医学”、“汽车电子”“机器人”等,凭空而降的热门专业老师在哪里?老师们都是被迫临时寒暑假抱佛脚自学成材,开学再教给学生。
  • 电池充电电源噪声的分析和解决思路 设计电池供电的产品时,工程师需要保证电池在实际应用环境中的适用性。相关测试常采用专用电池测试设备,但有时工程师会转而采用标准的通用程控电源对电池充电,并用电子负载对电池放电。
  • EMI 很低的高压充电泵 开关稳压器由于尺寸、输出灵活性和效率优势,成为很多电源转换电路的流行选择。尽管有这些优势,这类电源还必须在其他参数上做出妥协,其中最难的一个就是噪声。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了