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以半導體重新定義電網
 

【作者: 意法半導體】   2023年08月24日 星期四

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在邁向智慧電網發展的過程中,半導體技術能夠讓電網的反應更加敏銳,進而有效地管理電力供應和需求。


發電和配電的方式正在轉變。智慧電網技術的出現促進了再生能源、儲能,以及電網之間的整合。而電網這過去的一百多年來並未發生過重大變化。



圖1 : 半導體在重新設計和改造的電網系統中發揮著關鍵作用,推動了智慧電網的出現,從而提高了電力系統的效率、靈活性和穩健性。
圖1 : 半導體在重新設計和改造的電網系統中發揮著關鍵作用,推動了智慧電網的出現,從而提高了電力系統的效率、靈活性和穩健性。

在邁向智慧電網發展的過程中,半導體技術走在前端。其有助於改善公共事業和客戶,以及電網和營運商之間共享用電的使用資訊。它們使電網的反應能夠更加敏銳,進而有效地管理電力供應和需求。


建立能源網路

智慧電網架構的基本特徵是能源既可以從電網流出和流入。網路中的每個節點都有可能作為電源(提供電力)或電匯(消耗電力)。例如,智慧電網節點可以安裝太陽能電池板。當太陽光不足時,節點依靠電網自動補足電力缺口。


反之,當節點的太陽能資源產生多餘電力時,電網可以將其抽走,供其他節點使用。節點上可能會有一個電池儲備,可以將能量儲存起來以供日後使用。透過使用基於半導體的智慧技術,可以管理電池儲備的運作,以因應需求而自電網取得電力或將電力輸入電網。


汽車電氣化的影響

隨著家電和電子產品的數量日益增加,全球用電量也不斷提升。同時,電動汽車普及自然而然地增加了民眾對於電力需求。電動汽車充電站在智慧電網作為節點。


當電動汽車充電時,其會吸取電力為電池補充電能,它們還可以作為電源。當電動汽車電池在夜間閒置時可以為電網供電。智慧電網透過電網和電動汽車電池之間進行數位通訊,使電動汽車成為電力資源。如此一來,電動汽車就能像儲能系統一樣,提供電網服務。


電網穩定化

無論是智慧電網或傳統電網中,電力都是以一定頻率(通常為 50 或 60 Hz)的交流電壓透過電線傳輸。雖然傳統電網通常只有一個電源,而現在則有多種電源。每個電源必須以相同的頻率為電網供電。它們還必須完全同步,以免造成線路不穩定而導致停電。


受益於近期快速、強大的數位半導體發展,現在可以即時控制和修改高電力線上傳輸的大量電力。若缺少了此一關鍵的貢獻,就不可能維持整個電網的恆定頻率。


需求控制

智慧電網的關鍵特性之一,在於能夠自動降低節點的耗電量。當需求提升或再生能源供應不足等情況下,就會自動降低節點的耗電量。當有更多再生能源輸入時,就可以為節點傳輸更多電力。


與此同時,電池儲能還有助於平衡電力峰值,因此在任何時候都可以使用儲存的能量來抵消受限的再生能源輸入。透過這兩種機制,就可以降低對化石燃料的依賴,讓再生資源在發電中發揮更大的作用。


協助客戶做出更永續的選擇

上述討論的新電網實施方案,不僅可讓電力公司、甚至可幫助消費者變得更智慧。透過智慧電表,消費者就可以即知道自己的用電量、電費以及再生能源電力的供應情況,進而調整行為。這樣,他們不僅可以從中節省費用,還可以從再生能源中取得電力。


能源島和微型電網

一些住宅或企業可以組成一個微型電網,並以一個接入點連入智慧電網。將太陽能電池陣列和電池系統等昂貴的資產集中起來,就可以節省基礎建設的成本。建立微型電網可適用於較大規模的社群規模,如校園或醫院。


利用本地電池來儲能,對電網供電的需求就會減少。這是對永續發展的巨大貢獻。透過電池儲存和再生能源,微型電網就可以盡可能「脫離電網 」來運作,以減輕電力分配線路的壓力。


使用數位設備管理智慧電網運作

智慧電網的複雜功能需要許多電子元件:用於監測電流、電壓、溫度等關鍵參數的感測器。為控制元件提供資料的安全通訊晶片,以及控制元件中可對智慧電網功能進行即時調整的微控制器。


基本智慧電網功能所需的半導體元件通常可以組合使用。這種整合度更高的單晶片系統(SoC)解決方案相較眾多獨立元件更小,而且更便於使用。這種 SoC 通常整合了複雜的演算法,可使各個子部分相互協調運作,以提升電網的效率。


數位通訊交換也可透過電力線進行,無需昂貴的專用通訊基礎建設即可到達任何電網節點。此一過程被稱為電力線通訊(Power Line Communication;PLC)。



圖2 : 數位通訊交換可透過電力線到達任何電網節點。
圖2 : 數位通訊交換可透過電力線到達任何電網節點。

意法半導體(STMicroelectronics)是 PLC 數據機製造商,為智慧電網部署提供核心技術。ST亦是無線通訊領域的主要生產商,在探索新興蜂巢式網路(物聯網)方法的同時,還率先採用 PLC 和無線混合解決方案。


精密半導體因應智慧量表的挑戰

事實上,ST利用20多年的經驗,改善從發電、配電,到消費之整個能源供應的效率。ST的電力線通訊整合方案,優化了電力傳輸並推動電網雙向通訊,達到終端使用者的能源管理,並最大限度地降低電力中斷的狀況發生,只輸送所需的電量。ST還為能源、水、熱和燃氣提供智慧量表解決方案。全球已部署逾1.5億個的智慧電表中採用ST的半導體元件,而ST亦積極推動所有主要的工業和標準化的智慧電網計畫。


世界各國政府和電力公司已經認知到傳統電網必須被更高效、更靈活,而且更智慧的能源分配網路所取代。其結果將會降低電力公司和使用者的成本,同時還能提供更可靠的電力,並減少碳排放。


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