隨著全世界努力因應預防災難性氣候變化的挑戰,發電產業一直被認為是減少碳排放的最重要領域。因此,美國有半數以上的州都制定了再生電力指令,包括加州、德州和紐約州等最大的州,而歐盟(EU)的《再生能源指令》(Renewable Energy Directive)也設定了類似的目標。再生能源資源的整合對於公用事業是一項日益嚴峻的挑戰,特別是由於風力和太陽能的間歇性和多變性。

過去十年來,風力和太陽能的成本已急劇下降,在許多情況下,其價格甚至低到可以與石化燃料競爭,尤其是以電網規模部署時。商業和工業規模的安裝也極具經濟效益,例如在美國,包括Wallmart、Target和亞馬遜(Amazon)等業者將大量的太陽能板安裝在其倉庫和零售點就是最佳寫照。隨著離岸風力發電以及浮動式太陽能板發電技術不斷進展,再生能源的適用點也在不斷擴大。

加上不斷擴增的住宅太陽能容量,公用事業面臨的另一個挑戰是——分散式能源的整合不再受其控制。美國有些州規定強制實施淨計量或躉購制度(FIT)以支撐電錶發電,這增加了複雜度,也對於公用事業收入產生影響。

另一個主要的挑戰也與氣候變化有關:電網基礎設施的安全性和可靠性。最近在加州發生的野火以及太平洋瓦斯與電力公司(PG&E)提出破產重整計畫,就是極端天氣和氣候變化將如何影響電力網路的早期跡象。PG&E甚至現在進行預防性大規模停電以保護設備、客戶和森林。

添加到此組合中的另一資源是能源儲存。儲能可以有多種形式,包括抽水蓄能、大型儲能飛輪、海底加壓油囊,甚至是起重機吊起巨大混凝土塊。這些選項中有許多都需要大規模建構以節省成本,或需要非常特定的地理特性。

最突出、發展最快的儲能技術是電池。 電池可高度擴展,能用於從家庭到發電廠等不同的規模。它們幾乎可以部署在任何位置,而無需像傳統發電廠一樣必須進行大量的環境評估、基礎設施建設以及考慮當地法規。最後,不同的公司都證實了能夠在短短六個月內安裝大型電池,這與規劃並支持石化燃料發電所需的數十年時間形成鮮明對比。

儲能帶來許多好處,尤其是結合間歇性再生能源使用時。儲能最明顯的用途是能源套利。 當電價低時儲存能量,然後在電價高時送回電網。在陽光充沛期間,當光伏(PV)來源過量發電時,電力可流入儲能元件,從而可以最大程度地利用這些「必須消耗」的能源。 夜晚,當太陽能發電量下降時,電池將供應損耗的電力,而基本負載發電量將上升。因此,許多大型電池設施與太陽能發電場部署在同一地點。

如果PG&E在面臨發生火災的高風險時讓客戶斷電,那麼電池和太陽能板將有助於使家庭和企業免於停電,從而保持關鍵的流程持續運行並防止食物變質。此外,電力營運商現在正在協調控制分散式能源,作為「虛擬電廠」(virtual power plant),根據需求來發電、儲存和送電。在某些情況下,這包括需求回應,其中電力負載轉移到非高峰時段。

將風力、PV和電池連接到電網的關鍵介面是逆變器。簡單地說,逆變器將直流電(DC)轉換為交流電(AC),並同步至電網的60Hz電氣頻率。圖1顯示太陽能板連接到電網的簡化圖,重點顯示逆變器的結構。逆變器有多種不同的形式,包括單向、雙向以及多級逆變器的多拓撲結構,每一拓撲在特定情況下各有利弊。逆變器的關鍵元件是電源開關,圖中顯示為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。

inverter, onsemi

圖1:太陽能板連接至電網以及逆變器結構之示意圖

逆變器採用微處理器、適當的檢測和反饋以及正確的演算法,可以為電網提供各種服務,而不僅僅是儲存和釋放電能。例如透過支援電壓、調節頻率和降低諧波來保持電力品質。分散式能源可以減少輸電和配電網路的負荷,因為電能在靠近發電的地方使用。這可以減少電網的緊張和擁擠,甚至延遲升級電力線。

當大量的電力通過逆變器時,AC和DC電源之間的轉換必須非常高效。事實上,商用逆變器的峰值效率在96-98%。然而,電網營運商想要更高的能效,特別是在公用事業規模上,因為能效的微小變化仍意味著很大的電力。

為了達到這些能效水準,功率元件必須具有非常低的損耗。 如今,IGBT已成為這些應用的主力開關。IGBT的傳導電流約幾百安培,可阻斷幾千伏特的電壓,它由矽製成,採用製造手機和資料中心高性能運算晶片所使用的類似製程。

然而,新材料有望實現更高的性能、更高的能效和更高的可靠性。 具體地說,碳化矽(SiC)是未來的材料。SiC功率電子元件比類似的矽元件具有更低的傳導和開關損耗。此過渡的第一階段涉及低階二極體,如圖1所示,該二極體反向並聯連接至IGBT。將矽二極體替換為SiC二極體可降低損耗,並減少開關期間的過沖,從而減少了逆變器上的應力。 儘管SiC二極體比矽二極體更昂貴,但較小的散熱片和系統尺寸可降低整體系統成本。

SiC MOSFET是過渡的下一階段。SiC MOSFET的開關速度比矽IGBT快得多,因此它們用於太陽能發電系統的升壓級帶來更大的優勢。通常,使用DC-DC轉換器增加太陽能板的輸出電壓。SiC MOSFET更快地開關,因而減小了升壓級中昂貴的被動元件(如電感器)尺寸,並提高了效率。

安森美半導體(ON Semiconductor)提供各種IGBT、SiC二極體和SiC MOSFET,以滿足各種逆變器對電壓和電流的要求。最普遍的是電源模組,將許多不同的電源開關和二極體封裝在一起,以實現小尺寸、易於設計和高效散熱。除了主要的功率電子元件,安森美半導體還提供了閘極驅動器、電氣隔離和高性能運算放大器(op-amp)使系統完整。

總結

隨著再生能源和儲能技術的改善以及成本下降,電網的「逆變化」(inverterization)持續以越來越快的速度進行。除了減少碳排放和污染外,逆變器還支持更靈活和更具參與性的電網,使消費者和生產者之間的界限變得模糊。電力公司正確的控制和協調,可提高電力品質、降低升級成本,並為使用者提供更可靠的服務。電力電子技術是使我們的關鍵基礎設施得以更新的關鍵。