Преимущества новых технологий для микросетей
Источник изображения: Виктория Курпас / shutterstock.com
Автор Пол Ли из Mouser Electronics
Изменено: 18 марта 2021 г. (первоначально опубликовано 17 августа 2020 г.)
Микросети в той или иной форме существуют уже давно. Фермер, который включил свой дизельный генератор в начале 20-го века, чтобы поддерживать ирригационные насосы и домашнее освещение, работающие при отключении коммунального хозяйства, возможно, не распознал этот термин. Тем не менее, он настраивал то, что сейчас называется микросетью - группой локально связанных нагрузок и источника энергии, который может работать независимо от национальной сети.
Маркетологи, как обычно, повеселились с номенклатурой, с макро-, используемым для основной сети, милли- для более крупных установок или набором независимых сетей, микро- и даже нано-сетки, которые могут быть не более чем установленной на рюкзаке солнечной панелью. Поднимите свой мобильный телефон в поход.
Микросеть сегодня представляет собой область повышенного интереса, как правило, для питания таких объектов, как ферма, удаленная фабрика, больница или военный объект. Учитывая, что в 2025 году мировой рынок будет составлять около 47,4 миллиарда долларов США при совокупном ежегодном темпе роста более 10 процентов, микросеть может быть полностью независимой или изолированной, резервной для основной сети в случае сбоя или даже одной из составляющих основная сеть, когда энергия из местных источников превышает местные потребности.
Движущие силы для использования микросетей - это мощность для удаленных мест, где отсутствует коммунальная инфраструктура, устойчивость к сбоям основной сети и гибкость в использовании местных возобновляемых источников энергии, таких как гидро-, солнечная, ветровая, наземная и комбинированная тепло и электроэнергия. (ТЭЦ), для меньшего воздействия на окружающую среду и снижения затрат. Безопасность также вызывает растущую озабоченность, особенно для критически важных объектов, таких как центры обработки данных, больницы и военные базы, где кибератаки на основные системы электроснабжения являются реальной возможностью. Здесь мы рассмотрим типы микросетей и устройств преобразования энергии, а также преимущества каждого из них.
Умная микросеть - ключ к эффективности
Схема домашней микросети может выглядеть как на Рисунке 1,с фиксированными солнечными панелями, заменяющими или обеспечивающими электроэнергию через инвертор, синхронизированный с основной сетью. Литий-ионный или литий-железо-фосфатный аккумулятор большой емкости может оставаться заряженным и быть доступным для обеспечения питания после наступления темноты или резервного питания в случае сбоя основного питания. Наряду с типичными бытовыми нагрузками, такими как освещение, отопление и кухонное / коммунальное оборудование, все чаще используется подзарядка электромобилей. В идеале, это должно быть из местного возобновляемого источника энергии, такого как солнечная, чтобы сохранить свои экологические качества. Интеллектуальное управление, персонализирующее установку микросетей, обеспечивает максимальную эффективность солнечных панелей при планировании нагрузок с минимальным воздействием. Избыточная энергия может автоматически возвращаться в основную сеть либо от солнечных батарей, либо даже от батареи электромобиля,
Рисунок 1: Типичная домашняя микросеть.
Завод будет иметь более сложную схему микросети, возможно, с несколькими источниками энергии, как на рисунке 2 . Анализ затрат и выгод для производственной среды более сложен, чем для домашней ситуации. ; Потери производства во время отключения электроэнергии - это реальные затраты, а дополнительная производительность и снижение затрат на электроэнергию за счет интеллектуальной среды - реальные преимущества.
Рисунок 2: Типичная схема микросети в заводской среде. (Изображение воспроизводится с разрешения Rolls-Royce Power Systems AG)
На схеме показано, как различные возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, могут быть объединены с традиционными генераторными установками, чтобы обеспечить полную независимость в электроэнергии и обогреве, когда это необходимо, и все это под интеллектуальным контролем с помощью беспроводной связи. Система может интегрироваться с Индустрией 4.0.или концепция промышленного Интернета вещей (IIoT). Это объединяет физическое производство и операции с интеллектуальными цифровыми технологиями, машинным обучением и большими данными, чтобы создать более целостную экосистему с лучшими связями для компаний, которые сосредоточены на производстве и управлении цепочками поставок. Как в бытовых, так и в промышленных приложениях необходимо уделить внимание архитектуре микросетей не только с точки зрения функциональности, но и с точки зрения электрического КПД, чтобы добиться желаемой экономии энергии.
Эффективность преобразования энергии критична для окупаемости
Даже в относительно простой домашней установке, показанной на Рисунке 1, электронное преобразование энергии имеет несколько этапов: выходной постоянный ток солнечных панелей должен быть преобразован в напряжение аккумуляторной батареи с помощью интеллектуального преобразователя постоянного тока в постоянный с отслеживанием максимальной мощности (MPPT) для извлечения максимальной энергии, инвертор преобразует постоянный ток батареи в переменный ток. линейного напряжения, зарядное устройство гарантирует, что аккумулятор поддерживает полную емкость, когда солнечная энергия недоступна, а двунаправленный преобразователь заряжает аккумулятор электромобиля от переменного тока, но передает мощность в обратном направлении, обычно ночью. Другие возможные источники энергии имеют свои требования к преобразованию мощности, такие как ветряная турбина с индукционным генератором, который выдает переменный ток переменной частоты и амплитуды, преобразованный в уровни, совместимые с энергосистемой. В промышленной среде, конечно, сложность намного выше.
Все эти ступени преобразования энергии теряют часть энергии в виде тепла, что означает потерю денег и более длительный срок окупаемости, поэтому эффективность является серьезной проблемой. В некоторых ситуациях тепло можно рекуперировать, возможно, для использования в общественных местах. Возможности ограничены, поэтому более вероятно, что в системах охлаждения будет потрачено еще больше энергии и затрат на отвод тепла и избежание нагрузки на электронику преобразования энергии.
Новые полупроводники контролируют стоимость, размер и экономию
Различные каскады преобразования мощности в микросети используют методы переключения режимов - полупроводниковые переключатели прерывают входное постоянное или выпрямленное переменное напряжение с высокой частотой, за которым следует относительно небольшой трансформатор для масштабирования напряжения обратно до постоянного тока через выпрямители или до переменного тока через фильтры. . Регулирование выходов на постоянный постоянный ток или переменный ток 50/60 Гц достигается за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) действия переключения полупроводников.
При более высоких мощностях выбор полупроводникового переключателя до недавнего времени ограничивался биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые должны переключаться относительно медленно для достижения приемлемой эффективности: IGBT не рассеивают мощность, когда они выключены, и имеют некоторую потерю проводимости, когда они включены, но при переходе между двумя состояниями они могут принимать переходную мощность, которая может измеряться в киловаттах ( рисунок 3 ). Чем больше переходов в секунду (частота), тем выше рассеяние. По этой причине частоты переключения составляли самое большее несколько десятков кГц, и это имеет значение в дальнейшем; трансформаторы и другие магнитные компоненты, такие как фильтры, должны быть большими и, следовательно, дорогостоящими.
Рисунок 3: Рассеивание мощности может быть большим во время переключения полупроводникового переключателя. (Источник: Mouser Electronics)
Повышение частоты коммутации было целью проектировщиков силовых преобразователей для последующей экономии размера и затрат, поэтому были рассмотрены другие полупроводниковые устройства, которые демонстрируют более низкие коммутационные потери, главным претендентом на которые являются полевые МОП-транзисторы. Однако эти устройства имеют ограниченную номинальную мощность, а потери проводимости могут быть выше, чем у IGBT-МОП-транзисторов, сопротивление в открытом состоянии которых рассеивает мощность пропорционально квадрату значения тока. IGBT демонстрируют относительно постоянное падение напряжения, поэтому рассеивание примерно пропорционально току. Следовательно, при высоких токах полевые МОП-транзисторы могут давать потери, а преимущества работы на более высоких частотах сводятся на нет, если учесть потерю энергии и необходимость более крупного и дорогостоящего охлаждения.
Стало доступно новое поколение переключателей, полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG), демонстрирующие постепенное улучшение скорости переключения без снижения эффективности. Устройства, изготовленные из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), могут переключаться так быстро, как традиционный кремний, что любое переходное рассеяние минимально. В сочетании с очень низким сопротивлением в открытом состоянии и присущей ему высокотемпературной способностью оборудование, разработанное с использованием технологии WBG, меньше и более эффективно не только из-за самих устройств, но и потому, что более высокая частота переключения позволяет использовать меньшие связанные компоненты, такие как трансформаторы и фильтры. Все это напрямую связано с низкими затратами на приобретение и эксплуатацию, быстрой окупаемостью и меньшим воздействием на окружающую среду. Такие компании какCREE , GaN Systems , UnitedSiC , Transphorm и многие другие активно работают в области полупроводников WBG с устройствами, доступными от Mouser Electronics .
Заключение
Микросети обладают преимуществами независимости, устойчивости, безопасности и способности максимально использовать местные возобновляемые источники энергии. Микросети могут обеспечивать питание таких объектов, как ферма, удаленная фабрика, больница или военный объект. Их универсальность и постоянное развитие являются причинами того, что рост индустрии микросетей к 2025 году достигнет примерно 47,4 млрд долларов США.
Пол Ли является автором более 200 статей и блогов по вопросам питания, а также книги по методам проектирования источников питания «Объяснение источников питания». В качестве дипломированного инженера и со степенью в области электроники Ли владел компанией по производству источников питания, а позже работал инженером в Murata Power Solutions. В настоящее время он является внештатным писателем и руководит Европейской ассоциацией производителей блоков питания. Ли живет в Оксфордшире, Великобритания, является членом Королевского фотографического общества и имеет лицензию на радиолюбительство.