【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。

shichangyingxiaorenyuanduidianwangjinxinglefenleimingming，biruhongdianwangyongyuzhudianwang，haomidianwangyongyudaxinganzhuanghuodulidianwangzuhe，erweidianwangshenzhinamidianwangkenengshiyigebeibaoshitaiyangnengdianchiban，shenzhikeyizaitubulvxingzhongweishoujichongdian。

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/公gong用yong設she施shi等deng典dian型xing住zhu宅zhai用yong電dian負fu荷he外wai，電dian動dong汽qi車che充chong電dian也ye逐zhu漸jian成cheng為wei了le一yi種zhong日ri益yi增zeng長chang的de負fu荷he。理li想xiang情qing況kuang下xia

，應ying該gai由you太tai陽yang能neng等deng現xian場chang可ke再zai生sheng能neng源yuan進jin行xing供gong電dian，以yi確que保bao綠lv色se環huan保bao。智zhi能neng控kong製zhi可ke個ge性xing化hua微wei電dian網wang的de安an裝zhuang
，從cong太tai陽yang能neng電dian池chi板ban中zhong獲huo得de最zui大da效xiao率lv，同tong時shi調tiao度du負fu荷he以yi將jiang影ying響xiang降jiang至zhi最zui低di。多duo餘yu的de能neng量liang可ke以yi自zi太tai陽yang能neng電dian池chi板ban甚shen至zhi電dian動dong汽qi車che電dian池chi自zi動dong返fan回hui到dao主zhu電dian網wang
，用yong於yu平ping衡heng公gong用yong事shi業ye負fu載zai，以yi創chuang造zao更geng多duo可ke貨huo幣bi化hua的de價jia值zhi。

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-DCzhuanhuanqijiangtaiyangnengdianchibanzhiliushuchuzhuanhuanweixudianchinengliang，bingyounibianqijiangdianchizhiliudianzhuanhuanweijiaoliudian，erdianchichongdianqizehuiquebaodianchizaimeiyoutaiyangnengshurushibaochimandianzhuangtai，shuangxiangzhuanhuanqitongguojiaoliudianxiangdiandongqichedianchichongdian，bingzaixuyaoshijinxingfanxiangdianlichuanshu（通常在夜間進行）。qitadianyuanyeyoudianyuanzhuanhuanxuqiu
，lirudaiyouganyingfadianjidefengliwolunjihuishuchubianpinbianfujiaoliudian，bingzhuanhuanweiyushidianjianrongdedianya。dangran
，zaigongyehuanjingzhong，qingkuanghuigengjiafuza。

suoyouzhexiedianyuanzhuanhuanjieduanhuiyireliangdexingshisunshibufennengliang，zhejiuyiweizhechengbenzengjia
，zibenhuibaozhouqibianchang，yincixiaolvyejiubiandegengjiazhongyaole。zaimouxieqingkuangxia，keyihuishoureliang
，yiyongyushequdengchangsuo。ranerzhezhongfangfabingbushiyongyusuoyouchangsuo，womenkeyichangshizailengquexitongzhongtourugengduodenenglianghechengbenlaitiqureliang，jinerbimianduidianyuanzhuanhuandianzishebeizaochengyali。

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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