可再生能源互联网中的微电子技术

　　摘要可再生能源互联网对电子系统提出了五大要求:高效性、安全性、可靠性、便利性、宽泛性.为了实现上述要求,可再生能源互联网需要多学科、多方面、多层次的创新.微电子技术将会渗透到可再生能源互联网的各个层级,是可再生能源互联网的重要支撑性技术之一.文章重点围绕固态变压器、分布式储能技术、信息采集芯片技术、通信芯片技术四个方面,阐述了可再生能源互联网中的微电子技术所面临的特殊要求、技术挑战及未来可能的发展趋势.

　　关键词可再生能源互联网微电子固态变压器分布式储能信息采集芯片自供能

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　　1背景介绍

　　能源问题是未来人类面临的最为严峻的挑战之一.当前人们对能源的需求呈指数形式的增长,若对能源使用方式不加以改变,预计2050年全球能源消耗将增长至20TW,远超于1TW的可容忍目标[1].传统的以煤炭、石油等化石燃料为主的能源模式将带来一系列重大问题,如环境污染、碳排放的急剧增加、化石能源储量下降等,从而对可持续发展造成很大的障碍.因此,可再生能源是解决能源问题的重要途径.规模化的可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能等.以太阳能为例,如果我们将地球表面1%的面积利用起来,以5%的效率将太阳能转化为电能,那么一年的能源则可供全球使用40年以上[2].

　　2固态变压器

　　2.1固态变压器的特征

　　固态变压器(SST)是能源互联网系统中实现能量转换的核心部件,为了适应可再生能源互联网的特殊要求,它具备了传统变压器所不具有的众多优点[4;5]:

　　1)SST不仅可以实现电压转换(高压与低压之间的转换),还能够实现传统变压器所不能实现的频率变换(直流电与交流电之间的变换).SST同时具有交流和直流环节,可实现直流低压、直流高压、交流低压、交流高压四种状态之间的转换,从而满足各种分布式电力设备灵活接入电力系统的需求.

　　2)体积小、重量轻.变压器中的铁芯尺寸直接决定了SST的尺寸.由于变压器铁芯大小与工作频率大致成反比,SST通过提高工作频率大大缩小了体积,减轻重量,从而可以广泛应用于分布式电力电子设备中,适应可再生能源互联网海量装备的特点.

　　2.2固态变压器原理及与传统变压器的区别

　　在电网系统中,变压器的主要目的是电力变压:由于输电线中焦耳损耗正比于电流的平方,远距离输电时,就需要用变压器升高电压以减小电流.发电机的输出电压一般是610kV,通常根据输电距离的远近,用大型电力变压器将电压升高到35,110,220kV等高压.电流经高压线传送到企业用户时,再用降压变压器把电压降到几百伏,以保证用电的安全.从发电、输配电一直到用电,一般需要经过三到五次的变压过程,由于其数目多,容量大,在电力系统(包括发、供、用电)运行中,变压器的电能损失占发电量的10%左右.传统变压器的主要作用是变压和隔离,功能单一,铁芯饱和时,会产生谐波,在投入电网时还会造成较大的励磁涌流;此外还有过载时电压下降、非线性负载影响敏感等一系列问题[6].因此,传统变压器往往适用于传统电网的单向输变电应用,无法应用于可再生能源互联网的微电网中,与之相比,SST就具备了与可再生能源互联网很好的相容性.

　　分布式储能技术

　　3.1分布式储能技术的特征

　　为了适应新能源革命的需要,可再生能源必定会成为能源互联网的重要元素.可再生能源的间歇性和分散性使得电网的稳定运行离不开分布式储能系统.分布式储能技术能缓解电能供需不平衡问题并增强系统稳定性,吸收可再生能源电量.分布式储能为可再生能源通过微电网接入大电网提供可靠的稳定支撑[19].分布式储能技术主要包括分布式储能器、电池智能管理和信息采集两大部分.电池智能管理和信息采集系统通过准确实时测量电池的信息,动态智能地管理电池,合理调用能量以保证分布式储能器的安全.配合使用的储能器需要拥有较高的比能量和比功率及长循环寿命才能进入实际产业应用.分布式储能在微电网中的主要作用如图8所示,主要包括以下几点:

　　1)提高电网运行的稳定性.能量存储使得分布式发电机即使在负荷波动较大的情况下也能够输出稳定而高质量的电压.可靠的分布式发电装置与分布式储能装置结合是解决电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断的有效途径之一.

　　2)解决分布式电网发电的波动性间歇性问题.例如太阳能发电在夜间难以产生足够的电量,风力发电的产能随风的强度波动较大等.这样的非持续的、不稳定的电能供给需要系统中的储能管理系统来调节输出,利用储能器中的电量使输出电压稳定.

　　3.2分布式储能器

　　传统电力储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能等.其中,蓄电池储能由于技术相对成熟,尤其是铅酸蓄电池已在各个行业得到了广泛应用,是其他储能技术没有重大突破前的主要手段.随着可再生能源的推广应用,传统电力储能技术很难走进家庭和用户单元,高效、小型的储能器和储能管理系统是分布式储能技术的进一步需求.锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等优点,已成为各类电子产品的主要电源,也成为了新能源汽车的主流技术路线.然而锂离子电池在分布式储能器中的应用上还存在很多问题,如循环寿命是否达到要求、电池安全性如何保证、电池电解液存在爆炸风险等.

　　4信息采集芯片技术

　　4.1信息采集芯片技术的特征

　　信息技术的深度融合是可再生能源互联网区别于传统电网的关键特征之一,同时也是可再生能源互联网实现能源共享与高效运行的必要保证.基于微电子技术的新型信息采集芯片是可再生能源互联网的重要支撑,是信息技术在可再生能源互联网中深度融合的集中体现.图10展示了信息采集芯片在能源互联网中的支撑作用.

　　4.2信息采集芯片技术的挑战及发展方向

　　适应能源互联网的需求,基于CMOS技术的新型信息采集芯片面临的技术挑战主要有四方面,主要包括芯片自供能技术、低功耗技术、工况多样性及高集成度.

　　5通信芯片技术

　　可再生能源互联网是由可再生电网与信息网络高度融合而成,安全可靠的通信是可再生能源互联网高效运行的保障.现有的互联网通信技术,包括有线通信和无线通信,可胜任可再生能源互联网的日常运行,然而互联网非物理隔离、高度开放、易受攻击,因此将电力网络完全暴露在开放的互联网之下,是不安全、不可靠的.因此,在某些对安全性要求高的特殊应用中,需要建立另一套与互联网物理隔离的通信体系,保障信息传输的安全可靠.电力线通信(powerlinecommunication,PLC)则是一个较好的选择.电力线路和电力网络本身相对封闭,与互联网物理隔离、不易受攻击、安全可靠,因此可以以电力线为载体,通过PLC实现对可再生能源互联网的控制.

　　参考文献

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

　　2ZhangLX.Statusandprospectsofrenewablepowergeneration.JElectricPower,2008,23:30–32[张丽香.可再生能源发电的发展现状及前景.电力学报,2008,23:30–32]

　　3ChaYB,ZhangT,TanSR,etal.UnderstandingandthinkingoftheenergyInternet.NationalDefenseSciTechnol,2008,33:1–6[查亚兵,张涛,谭树人,等.关于能源互联网的认识与思考.国防科技,2012,33:1–6]

　　黄如,叶乐,廖怀林

《可再生能源互联网中的微电子技术》

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