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用半导体重新定义电网
[作者 意法半導體]   2023年09月25日 星期一 浏览人次: [2681]

世界各国政府和电力公司已经认识到,传统电网将会被更高效、灵活、智能的能源分配网路取代;而电力线通讯解决方案可优化电力输送,并促进跨电网的双向通讯,从而实现最终用户能源管理、最大限度地减少电力中断,并仅仅传输所需的电力。


电力的产生和分配方式正在发生变化,智慧电网技术的出现正在促进可再生能源和储能与一百多年来没有发生重大变化的电网的融合。半导体技术处於智慧电网转型的最前沿,他们正在帮助改善公用事业公司和客户、电网及其营运商之间共享的用电资讯,它们使电网能够更加敏感地管理电力供应和需求。


:能源网际网路的形成

智慧电网架构的基本特徵是能量可以流出和流入电网。在网络中的每个节点都可能充当源(提供电力)或汇(消耗电力),例如智慧电网节点可以整合太阳能电池板。


当阳光不够明亮时,节点会依靠网格自动弥补不足。相反的,当通过节点的太阳能资源产生多馀的电力时,电网可以将其吸走,从而可供其他节点使用。节点处可能有电池储备,可以储存能量以供日後使用。通过使用基於本地半导体的智能,可以管理该电池储备的运行,从而相应地从电网获取或放回电网。



图1 : 智慧电网架构的基本特徵是能量可以流出和流入电网。
图1 : 智慧电网架构的基本特徵是能量可以流出和流入电网。

:汽车电气化的影响

由於家庭中的电气和电子产品数量不断增加,全球电力消耗正在增加。除此之外,电动汽车(EV)的采用自然会增加电力需求。电动汽车充电点充当智慧电网的节点。当电动汽车在充电时,会吸取电力来补充电池,它们还可以充当电源,电动汽车电池在夜间闲置时向电网供电。


智慧电网通过电网和电动汽车电池之间广泛的数位通讯,使电动汽车成为电力资源。通过这种方式,电动汽车可以提供固定储能系统可以提供的许多电网服务。


电网稳定

在智慧电网和传统电网中,电力均以一定频率(通常为50或60Hz)的交流电压通过电力线传输。虽然传统电网通常只有一种电源,但现在有多种电源。每个电源以相同的频率向电网提供电力至关重要。它们还必须完全同相,以免造成线路不稳定,从而可能导致停电。


由於最近快速、强大的数位半导体发展,现在可以立即控制和修改高功率线上承载的大量功率。如果没有这一关键贡献,就不可能维持整个电网的恒定频率。


需求控制

智慧电网的关键属性之一是能够自动强制降低节点功耗。当需求水平较高或可再生能源可用性较低时,就会这样做。当有更多的可再生电力输入时,可以将更多的电力输送到节点。除此之外,电池储存有助於平衡电力峰值,因此储存的能量可用於在任何给定时间抵消有限的可再生能源输入。通过这两种机制,可以降低对化石燃料的依赖,让可再生资源在发电中发挥更大的作用。


帮助客户做出更可持续的选择

正在讨论的新电网实施,不仅对电力公司来说更加智能,而且还让消费者变得更加聪明。通过智慧电表,消费者可以实时了解他们的消费情况、电力成本以及可再生电力的可用性,从而使他们能够改变自己的行为。这样子,他们不仅可以省钱,还可以从可再生能源中获取电力。


能源岛和微电网

一组家庭或企业可以加入形成一个微电网,只有一个接入点接入智慧电网。汇集太阳能电池阵列和电池系统等昂贵的资产,可以节省基础设施成本。微电网安排也适用於较大的公司综合体,例如大学校园或医院。


有了本地电池储存,对电网电力的需求就会减少。这代表着对可持续发展的巨大贡献。基於电池储存和可再生资源,微电网可以尽可能地「脱离电网」运行,从而减轻配电网络的压力。


使用数位设备管理智慧电网运行

智慧电网的复杂功能需要许多电子元件:用於监控电流、电压、温度等关键叁数的传感器。向控制单元提供数据的安全通讯晶片以及控制单元中的微控制器,这些微控制器可以对智慧电网功能进行实时调整。


实现许多这些基本智慧电网功能所需的半导体元件通常可以组合起来。这种整合度更高的单晶片系统(SoC)解决方案,比起拥有众多独立组件的解决方案更小且更易於实施。通常此类SoC会结合复杂的演算法,使各个部分相互协调运行,从而提高电网的效率。


数位通讯交换也可以通过电力线本身进行,以到达任何电网节点,而不需要专用且昂贵的通讯基础设施。该过程称为电力线通讯(PLC)。



图2 : 数位通讯交换可以通过电力线本身进行,以到达任何电网节点。
图2 : 数位通讯交换可以通过电力线本身进行,以到达任何电网节点。

意法半导体是PLC调制解调器生产商,为智慧电网部署提供核心技术。ST也是无线通讯领域的主要生产商,在探索新兴物联网(IoT)方法的同时,率先采用PLC和无线混合解决方案。


先进半导体解决智能计量挑战

事实上,ST凭藉多年的经验,提高了从发电到配电和消费的整个能源链效率。ST提供电力线通讯解决方案,可优化电力输送并促进跨电网的双向通讯,从而实现最终用户能源管理、最大限度地减少电力中断并仅传输所需的电力;并且提供能源、水、热力和天然气的智能计量解决方案。全球部署的超过1.5亿台智慧电表采用ST的半导体器件,ST积极为所有主要工业和标准化智慧电网计画做出贡献。


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