可再生能源互聯(lián)網中的微電子技術

　　摘要可再生能源互聯(lián)網對電子系統(tǒng)提出了五大要求:高效性、安全性、可靠性、便利性、寬泛性.為了實現上述要求,可再生能源互聯(lián)網需要多學科、多方面、多層次的創(chuàng)新.微電子技術將會滲透到可再生能源互聯(lián)網的各個層級,是可再生能源互聯(lián)網的重要支撐性技術之一.文章重點圍繞固態(tài)變壓器、分布式儲能技術、信息采集芯片技術、通信芯片技術四個方面,闡述了可再生能源互聯(lián)網中的微電子技術所面臨的特殊要求、技術挑戰(zhàn)及未來可能的發(fā)展趨勢.

　　關鍵詞可再生能源互聯(lián)網微電子固態(tài)變壓器分布式儲能信息采集芯片自供能

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　　1背景介紹

　　能源問題是未來人類面臨的最為嚴峻的挑戰(zhàn)之一.當前人們對能源的需求呈指數形式的增長,若對能源使用方式不加以改變,預計2050年全球能源消耗將增長至20TW,遠超于1TW的可容忍目標[1].傳統(tǒng)的以煤炭、石油等化石燃料為主的能源模式將帶來一系列重大問題,如環(huán)境污染、碳排放的急劇增加、化石能源儲量下降等,從而對可持續(xù)發(fā)展造成很大的障礙.因此,可再生能源是解決能源問題的重要途徑.規(guī)?；目稍偕茉窗ㄌ柲?、風能、潮汐能等.以太陽能為例,如果我們將地球表面1%的面積利用起來,以5%的效率將太陽能轉化為電能,那么一年的能源則可供全球使用40年以上[2].

　　2固態(tài)變壓器

　　2.1固態(tài)變壓器的特征

　　固態(tài)變壓器(SST)是能源互聯(lián)網系統(tǒng)中實現能量轉換的核心部件,為了適應可再生能源互聯(lián)網的特殊要求,它具備了傳統(tǒng)變壓器所不具有的眾多優(yōu)點[4;5]:

　　1)SST不僅可以實現電壓轉換(高壓與低壓之間的轉換),還能夠實現傳統(tǒng)變壓器所不能實現的頻率變換(直流電與交流電之間的變換).SST同時具有交流和直流環(huán)節(jié),可實現直流低壓、直流高壓、交流低壓、交流高壓四種狀態(tài)之間的轉換,從而滿足各種分布式電力設備靈活接入電力系統(tǒng)的需求.

　　2)體積小、重量輕.變壓器中的鐵芯尺寸直接決定了SST的尺寸.由于變壓器鐵芯大小與工作頻率大致成反比,SST通過提高工作頻率大大縮小了體積,減輕重量,從而可以廣泛應用于分布式電力電子設備中,適應可再生能源互聯(lián)網海量裝備的特點.

　　2.2固態(tài)變壓器原理及與傳統(tǒng)變壓器的區(qū)別

　　在電網系統(tǒng)中,變壓器的主要目的是電力變壓:由于輸電線中焦耳損耗正比于電流的平方,遠距離輸電時,就需要用變壓器升高電壓以減小電流.發(fā)電機的輸出電壓一般是610kV,通常根據輸電距離的遠近,用大型電力變壓器將電壓升高到35,110,220kV等高壓.電流經高壓線傳送到企業(yè)用戶時,再用降壓變壓器把電壓降到幾百伏,以保證用電的安全.從發(fā)電、輸配電一直到用電,一般需要經過三到五次的變壓過程,由于其數目多,容量大,在電力系統(tǒng)(包括發(fā)、供、用電)運行中,變壓器的電能損失占發(fā)電量的10%左右.傳統(tǒng)變壓器的主要作用是變壓和隔離,功能單一,鐵芯飽和時,會產生諧波,在投入電網時還會造成較大的勵磁涌流;此外還有過載時電壓下降、非線性負載影響敏感等一系列問題[6].因此,傳統(tǒng)變壓器往往適用于傳統(tǒng)電網的單向輸變電應用,無法應用于可再生能源互聯(lián)網的微電網中,與之相比,SST就具備了與可再生能源互聯(lián)網很好的相容性.

　　分布式儲能技術

　　3.1分布式儲能技術的特征

　　為了適應新能源革命的需要,可再生能源必定會成為能源互聯(lián)網的重要元素.可再生能源的間歇性和分散性使得電網的穩(wěn)定運行離不開分布式儲能系統(tǒng).分布式儲能技術能緩解電能供需不平衡問題并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性,吸收可再生能源電量.分布式儲能為可再生能源通過微電網接入大電網提供可靠的穩(wěn)定支撐[19].分布式儲能技術主要包括分布式儲能器、電池智能管理和信息采集兩大部分.電池智能管理和信息采集系統(tǒng)通過準確實時測量電池的信息,動態(tài)智能地管理電池,合理調用能量以保證分布式儲能器的安全.配合使用的儲能器需要擁有較高的比能量和比功率及長循環(huán)壽命才能進入實際產業(yè)應用.分布式儲能在微電網中的主要作用如圖8所示,主要包括以下幾點:

　　1)提高電網運行的穩(wěn)定性.能量存儲使得分布式發(fā)電機即使在負荷波動較大的情況下也能夠輸出穩(wěn)定而高質量的電壓.可靠的分布式發(fā)電裝置與分布式儲能裝置結合是解決電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時供電中斷的有效途徑之一.

　　2)解決分布式電網發(fā)電的波動性間歇性問題.例如太陽能發(fā)電在夜間難以產生足夠的電量,風力發(fā)電的產能隨風的強度波動較大等.這樣的非持續(xù)的、不穩(wěn)定的電能供給需要系統(tǒng)中的儲能管理系統(tǒng)來調節(jié)輸出,利用儲能器中的電量使輸出電壓穩(wěn)定.

　　3.2分布式儲能器

　　傳統(tǒng)電力儲能技術主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、蓄電池儲能、飛輪儲能等.其中,蓄電池儲能由于技術相對成熟,尤其是鉛酸蓄電池已在各個行業(yè)得到了廣泛應用,是其他儲能技術沒有重大突破前的主要手段.隨著可再生能源的推廣應用,傳統(tǒng)電力儲能技術很難走進家庭和用戶單元,高效、小型的儲能器和儲能管理系統(tǒng)是分布式儲能技術的進一步需求.鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度大、無記憶效應、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,已成為各類電子產品的主要電源,也成為了新能源汽車的主流技術路線.然而鋰離子電池在分布式儲能器中的應用上還存在很多問題,如循環(huán)壽命是否達到要求、電池安全性如何保證、電池電解液存在爆炸風險等.

　　4信息采集芯片技術

　　4.1信息采集芯片技術的特征

　　信息技術的深度融合是可再生能源互聯(lián)網區(qū)別于傳統(tǒng)電網的關鍵特征之一,同時也是可再生能源互聯(lián)網實現能源共享與高效運行的必要保證.基于微電子技術的新型信息采集芯片是可再生能源互聯(lián)網的重要支撐,是信息技術在可再生能源互聯(lián)網中深度融合的集中體現.圖10展示了信息采集芯片在能源互聯(lián)網中的支撐作用.

　　4.2信息采集芯片技術的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

　　適應能源互聯(lián)網的需求,基于CMOS技術的新型信息采集芯片面臨的技術挑戰(zhàn)主要有四方面,主要包括芯片自供能技術、低功耗技術、工況多樣性及高集成度.

　　5通信芯片技術

　　可再生能源互聯(lián)網是由可再生電網與信息網絡高度融合而成,安全可靠的通信是可再生能源互聯(lián)網高效運行的保障.現有的互聯(lián)網通信技術,包括有線通信和無線通信,可勝任可再生能源互聯(lián)網的日常運行,然而互聯(lián)網非物理隔離、高度開放、易受攻擊,因此將電力網絡完全暴露在開放的互聯(lián)網之下,是不安全、不可靠的.因此,在某些對安全性要求高的特殊應用中,需要建立另一套與互聯(lián)網物理隔離的通信體系,保障信息傳輸的安全可靠.電力線通信(powerlinecommunication,PLC)則是一個較好的選擇.電力線路和電力網絡本身相對封閉,與互聯(lián)網物理隔離、不易受攻擊、安全可靠,因此可以以電力線為載體,通過PLC實現對可再生能源互聯(lián)網的控制.

　　參考文獻

　　1DanEA.Meetingtherenewableenergychallenge:whatwillittaketoreachsolarPV’sultimatepotential.In:ProceedingsofIEEE4thWorldConferenceonPhotovoltaicEnergyConversion,Hawaii,2006.5–15

　　2ZhangLX.Statusandprospectsofrenewablepowergeneration.JElectricPower,2008,23:30–32[張麗香.可再生能源發(fā)電的發(fā)展現狀及前景.電力學報,2008,23:30–32]

　　3ChaYB,ZhangT,TanSR,etal.UnderstandingandthinkingoftheenergyInternet.NationalDefenseSciTechnol,2008,33:1–6[查亞兵,張濤,譚樹人,等.關于能源互聯(lián)網的認識與思考.國防科技,2012,33:1–6]

　　黃如,葉樂,廖懷林

《可再生能源互聯(lián)網中的微電子技術》

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