【導讀】微電網已經以某種形式存在了很長時間。在20世shi紀ji初chu
，當dang公gong用yong事shi業ye供gong應ying中zhong斷duan時shi
，為wei了le保bao持chi灌guan溉gai水shui泵beng和he室shi內nei照zhao明ming燈deng的de正zheng常chang運yun行xing而er啟qi用yong了le柴chai油you發fa電dian機ji。盡jin管guan那na個ge時shi候hou可ke能neng還hai沒mei有you微wei電dian網wang的de概gai念nian
，但dan已yi經jing初chu步bu具ju備bei了le微wei電dian網wang架jia構gou，即ji一yi組zu本ben地di互hu聯lian的de負fu荷he和he一yi個ge可ke以yi獨du立li於yu國guo家jia電dian網wang運yun行xing的de能neng源yuan。

圖源：Viktoria Kurpas/shutterstock.com

微電網已經以某種形式存在了很長時間。在20世shi紀ji初chu，當dang公gong用yong事shi業ye供gong應ying中zhong斷duan時shi
，為wei了le保bao持chi灌guan溉gai水shui泵beng和he室shi內nei照zhao明ming燈deng的de正zheng常chang運yun行xing而er啟qi用yong了le柴chai油you發fa電dian機ji。盡jin管guan那na個ge時shi候hou可ke能neng還hai沒mei有you微wei電dian網wang的de概gai念nian，但dan已yi經jing初chu步bu具ju備bei了le微wei電dian網wang架jia構gou
，即ji一yi組zu本ben地di互hu聯lian的de負fu荷he和he一yi個ge可ke以yi獨du立li於yu國guo家jia電dian網wang運yun行xing的de能neng源yuan。

市shi場chang營ying銷xiao人ren員yuan對dui電dian網wang進jin行xing了le分fen類lei命ming名ming
，比bi如ru宏hong電dian網wang用yong於yu主zhu電dian網wang
，毫hao米mi電dian網wang用yong於yu大da型xing安an裝zhuang或huo獨du立li電dian網wang組zu合he
，而er微wei電dian網wang甚shen至zhi納na米mi電dian網wang可ke能neng是shi一yi個ge背bei包bao式shi太tai陽yang能neng電dian池chi板ban
，甚shen至zhi可ke以yi在zai徒tu步bu旅lv行xing中zhong為wei手shou機ji充chong電dian。

微電網是當下備受關注的一個領域，通常用於為農場
、遠程工廠、醫院或軍事場所等設施供電。預計微電網2025年的全球市場規模將達到474億美元，複合年增長率超過10%，可以完全獨立（即孤島）運行、在主電網故障時作為備用電源，甚至在能源供給超過當地需求時為主電網供電。

以下因素促進了微電網的應用：為沒有公用基礎設施的偏遠地區供電，在主電網故障時恢複供電
，以及為減少環境影響
、降低成本而靈活利用當地可再生能源，如水力、太陽能、風能、地源和熱電聯產 (CHP)。隨之而來的安全問題也備受關注
，特別是可能會對主要公共電力係統造成網絡攻擊的數據中心、醫院和軍事基地等關鍵場所。接下來
，我們將介紹微電網和電源轉換布局的類型以及每種布局的優勢。

智能微電網 - 提升效率的關鍵

住宅微電網的布局可能如圖1所(suo)示(shi)，固(gu)定(ding)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)通(tong)過(guo)與(yu)主(zhu)電(dian)網(wang)同(tong)步(bu)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)替(ti)代(dai)公(gong)用(yong)電(dian)網(wang)或(huo)向(xiang)其(qi)饋(kui)電(dian)。大(da)容(rong)量(liang)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)或(huo)磷(lin)酸(suan)鐵(tie)鋰(li)電(dian)池(chi)可(ke)能(neng)會(hui)保(bao)持(chi)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)，以(yi)在(zai)晚(wan)上(shang)進(jin)行(xing)供(gong)電(dian)，或(huo)者(zhe)在(zai)主(zhu)電(dian)源(yuan)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)作(zuo)為(wei)備(bei)用(yong)電(dian)源(yuan)。除(chu)了(le)照(zhao)明(ming)、取暖和廚房/gongyongsheshidengdianxingzhuzhaiyongdianfuhewai，diandongqichechongdianyezhujianchengweileyizhongriyizengchangdefuhe。lixiangqingkuangxia，yinggaiyoutaiyangnengdengxianchangkezaishengnengyuanjinxinggongdian，yiquebaolvsehuanbao。zhinengkongzhikegexinghuaweidianwangdeanzhuang，congtaiyangnengdianchibanzhonghuodezuidaxiaolv，tongshitiaodufuheyijiangyingxiangjiangzhizuidi。duoyudenengliangkeyizitaiyangnengdianchibanshenzhidiandongqichedianchizidongfanhuidaozhudianwang，yongyupinghenggongyongshiyefuzai
，yichuangzaogengduokehuobihuadejiazhi。

圖1：典型的住宅微電網布局 （圖源：貿澤電子）

工廠可能有多個能量來源，因此其微電網布局更加複雜，如圖2所示。工廠的成本效益分析比住宅更為複雜：不僅有因停電造成的生產損失

，也能真實的看到智能環境帶來的額外生產力與能源成本的降低。

圖2：工廠環境中典型的微電網布局 （已獲Rolls-Royce Power Systems AG公司許可使用）

該圖顯示了各種可再生能源（如風能和太陽能）如何借助於智能控製以無線通信方式與傳統發電機組耦合，進而根據需要提供完全獨立的電能和熱量。該係統可以融入工業4.0或工業物聯網 (IIoT) 的概念。它將生產運營與智能數字技術、機器學習和大數據相結合

，為專注於製造業和供應鏈管理的公司創造了一個更全麵
、更互聯的生態係統。在住宅和工業應用中
，必須要注意微電網架構，這不僅關乎著可以提供的功能
，還涉及到與節能有關的效率問題。

電源轉換效率對投資回報至關重要

即使在圖1相對簡單的住宅安裝環境中
，電源轉換也有多個階段：為了提取盡可能多的能量
，必須使用具有最大功率點跟蹤 (MPPT) 的智能DC-DC轉zhuan換huan器qi將jiang太tai陽yang能neng電dian池chi板ban直zhi流liu輸shu出chu轉zhuan換huan為wei蓄xu電dian池chi能neng量liang，並bing由you逆ni變bian器qi將jiang電dian池chi直zhi流liu電dian轉zhuan換huan為wei交jiao流liu電dian，而er電dian池chi充chong電dian器qi則ze會hui確que保bao電dian池chi在zai沒mei有you太tai陽yang能neng輸shu入ru時shi保bao持chi滿man電dian狀zhuang態tai，雙shuang向xiang轉zhuan換huan器qi通tong過guo交jiao流liu電dian向xiang電dian動dong汽qi車che電dian池chi充chong電dian，並bing在zai需xu要yao時shi進jin行xing反fan向xiang電dian力li傳chuan輸shu（通常在夜間進行）。qitadianyuanyeyoudianyuanzhuanhuanxuqiu，lirudaiyouganyingfadianjidefengliwolunjihuishuchubianpinbianfujiaoliudian，bingzhuanhuanweiyushidianjianrongdedianya。dangran，zaigongyehuanjingzhong
，qingkuanghuigengjiafuza。

所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)階(jie)段(duan)會(hui)以(yi)熱(re)量(liang)的(de)形(xing)式(shi)損(sun)失(shi)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)，這(zhe)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)成(cheng)本(ben)增(zeng)加(jia)，資(zi)本(ben)回(hui)報(bao)周(zhou)期(qi)變(bian)長(chang)
，因(yin)此(ci)效(xiao)率(lv)也(ye)就(jiu)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)重(zhong)要(yao)了(le)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)

，可(ke)以(yi)回(hui)收(shou)熱(re)量(liang)，以(yi)用(yong)於(yu)社(she)區(qu)等(deng)場(chang)所(suo)。然(ran)而(er)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)並(bing)不(bu)適(shi)用(yong)於(yu)所(suo)有(you)場(chang)所(suo)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)嚐(chang)試(shi)在(zai)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)中(zhong)投(tou)入(ru)更(geng)多(duo)的(de)能(neng)量(liang)和(he)成(cheng)本(ben)來(lai)提(ti)取(qu)熱(re)量(liang)，進(jin)而(er)避(bi)免(mian)對(dui)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)造(zao)成(cheng)壓(ya)力(li)。

運用新型半導體技術控製成本、尺寸和功耗

weidianwangzhongdegezhongdianyuanzhuanhuanjieduandouhuishiyongbandaotikaiguanjishuduishuruzhiliuhuozhengliujiaoliudianyajinxinggaopinzhanbo，ranhouzaijiezhuyuxiangduijiaoxiaodebianyaqitongguozhengliuqijiangdianyahuifudaozhiliu
，huotongguolvboqihuifudaojiaoliu。bandaotiqijiankaiguandongzuodemaikuantiaozhi (PWM) 可以實現恒定的直流或50/60Hz交流輸出。

對於功率較高的情況，半導體開關的選擇直到最近還一直局限於絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，為了達到一定的效率
，必須相對緩慢地進行開關。IGBT在關閉時不產生損耗，在打開時有一些傳導損耗，但在兩種狀態之間切換時會產生數千瓦的瞬態功耗（圖3）。每秒切換的次數越多（頻率越高），功耗也就越高。因此
，開關頻率最多隻能達到幾十kHz，也就帶來了一些其他影響
；而變壓器和其他磁性元件（如濾波器）必須很大
，相應的成本也較高。

圖3：在半導體開關切換期間，可能會產生很高的功耗 （圖源：貿澤電子）

提高開關頻率以節約尺寸和成本，一直是電源轉換器設計人員所追求的目標，因此也會考慮使用以MOSFET為代表的其他具有較低開關損耗的半導體器件。然而，這些器件的額定功率有限
，傳導損耗可能會高於IGBT
，比如MOSFET消耗的功率即為導通電阻乘以電流值的平方。IGBT表現出相對恒定的壓降，因此功耗與電流近似成正比。在電流較大時，MOSFET可能會產生損耗
，如果再考慮到能量損失和更大、更昂貴的冷卻係統，則高頻率操作的優勢將不複存在。

隨著新一代開關技術寬禁帶 (WBG) 的麵世，我們得以在不影響效率的情況下，進一步提升開關速度。該器件由碳化矽 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 製成

，相較於傳統矽開關，速度更快，瞬態損耗更小。極低的導通電阻和固有的抗高溫能力，讓采用WBG技術的設備尺寸更小、效率更高，這不僅與器件本身特性有關，還因為更高的開關頻率可以縮小變壓器、濾波器等相關元件的尺寸。這一切都直接體現在采購和運營成本降低，回報快，環境足跡減少。CREE、GaN Systems

、UnitedSiC
、Transphorm等公司在WBG半導體領域表現不俗，其產品均可在貿澤電子購得。

結語

微電網具有獨立性、靈活性、安全性以及最大限度地利用本地可再生能源的優勢，可以為農場、遠程工廠、醫院或軍事場所等設施供電。多功能性和可持續發展性將推動微電網市場規模不斷增長，預計到2025年將增至約474億美元。

（來源：貿澤電子
，作者：Paul Lee）

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