摘要可再生能源互聯網對電子系統提出了五大要求:高效性、安全性、可靠性、便利性、寬泛性.為了實現上述要求,可再生能源互聯網需要多學科、多方面、多層次的創新.微電子技術將會滲透到可再生能源互聯網的各個層級,是可再生能源互聯網的重要支撐性技術之一.文章重點圍繞固態變壓器、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網中的微電子技術所面臨的特殊要求、技術挑戰及未來可能的發展趨勢.

　　關鍵詞可再生能源互聯網微電子固態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,從而對可持續發展造成很大的障礙.因此,可再生能源是解決能源問題的重要途徑.規模化的可再生能源包括太陽能、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固態變壓器

　　2.1固態變壓器的特征

　　固態變壓器(SST)是能源互聯網系統中實現能量轉換的核心部件,為了適應可再生能源互聯網的特殊要求,它具備了傳統變壓器所不具有的眾多優點[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節,可實現直流低壓、直流高壓、交流低壓、交流高壓四種狀態之間的轉換,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網海量裝備的特點.

　　2.2固態變壓器原理及與傳統變壓器的區別

　　在電網系統中,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(包括發、供、用電)運行中,變壓器的電能損失占發電量的10%左右.傳統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,傳統變壓器往往適用于傳統電網的單向輸變電應用,無法應用于可再生能源互聯網的微電網中,與之相比,SST就具備了與可再生能源互聯網很好的相容性.

　　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定運行離不開分布式儲能系統.分布式儲能技術能緩解電能供需不平衡問題并增強系統穩定性,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通過準確實時測量電池的信息,動態智能地管理電池,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壽命才能進入實際產業應用.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)提高電網運行的穩定性.能量存儲使得分布式發電機即使在負荷波動較大的情況下也能夠輸出穩定而高質量的電壓.可靠的分布式發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)解決分布式電網發電的波動性間歇性問題.例如太陽能發電在夜間難以產生足夠的電量,風力發電的產能隨風的強度波動較大等.這樣的非持續的、不穩定的電能供給需要系統中的儲能管理系統來調節輸出,利用儲能器中的電量使輸出電壓穩定.

　　3.2分布式儲能器

　　傳統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、循環壽命長等優點,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網區別于傳統電網的關鍵特征之一,同時也是可再生能源互聯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網的重要支撐,是信息技術在可再生能源互聯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網中的支撐作用.

　　4.2信息采集芯片技術的挑戰及發展方向

　　適應能源互聯網的需求,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網高效運行的保障.現有的互聯網通信技術,包括有線通信和無線通信,可勝任可再生能源互聯網的日常運行,然而互聯網非物理隔離、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.可再生能源發電的發展現狀及前景.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.關于能源互聯網的認識與思考.國防科技,2012,33:1–6]

　　黃如,葉樂,廖懷林