微電網以某種形式存在了很長時間。在 20 世紀初，當公用事業(yè)供應出現(xiàn)故障時，他啟動柴油發(fā)電機以保持灌溉泵和房屋燈正常工作的農民可能不認識這個詞。盡管如此，他仍在建立微電網的定義——一組本地互連的負載和一個可以獨立于國家電網運行的能源。

營銷人員像往常一樣喜歡這個命名法，宏用于主電網，毫用于大型安裝或獨立電網的集合，微型甚至納米電網可能只不過是一個背包式太陽能電池板頂部徒步旅行時拿起你的手機。

微電網是當今備受關注的一個領域，通常為農場、偏遠工廠、醫(yī)院或軍事場所等設施供電。到 2025 年，全球市場預計將達到 474 億美元左右，年復合增長率超過 10%，微電網可以完全獨立或孤島，在發(fā)生故障時作為主電網的備用，甚至是當本地能源超過本地需求時，主電網。

使用微電網的驅動因素是為沒有公用事業(yè)基礎設施的偏遠地區(qū)提供電力，抵御主電網故障，以及靈活使用當?shù)乜稍偕茉?，如水力、太陽能、風能、地源和熱電聯(lián)產(CHP)，以減少對環(huán)境的影響并降低成本。安全性也是一個日益受到關注的問題，特別是對于數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院和軍事基地等關鍵設施而言，對主要公用事業(yè)供應的網絡攻擊是真正可能的。在這里，我們將回顧微電網的類型和電力轉換安排以及每種類型的好處。

智能微電網是效率的關鍵

國內微電網布置可能如圖 1 所示，固定太陽能電池板通過與主電網同步的逆變器替換或貢獻公用電力。大容量鋰離子或磷酸鐵鋰電池可能會保持充電狀態(tài)，并可在天黑后提供電源，或者在主電源出現(xiàn)故障時提供備用電源。除了照明、供暖和廚房/公用設備等典型的家庭負載外，電動汽車充電也越來越多地出現(xiàn)。理想情況下，它應該來自當?shù)氐目稍偕茉?，如太陽能，以保持其綠色證書。智能控制，個性化微電網安裝，從太陽能電池板中獲得最大效率，同時調度負載以最小化影響。多余的能量可以從太陽能電池板甚至電動汽車電池自動返回到主電網，

圖 1：典型的國內微電網布置。（來源：貿澤電子）

一家工廠將有一個更復雜的微電網布置，可能有多種能源， 如圖 2 所示。工廠環(huán)境的成本效益分析比國內情況更復雜。; 停電期間的生產損失是一項真正的成本，而智能環(huán)境帶來的額外生產力和更低的能源成本是真正的好處。

圖 2：工廠環(huán)境中的典型微電網布置。（圖片經勞斯萊斯動力系統(tǒng)公司許可轉載）

該圖顯示了各種可再生能源（如風能和太陽能）如何與傳統(tǒng)發(fā)電機組相結合，在需要時提供完全獨立的電力和加熱，所有這些都在無線通信的智能控制下。該系統(tǒng)可以與工業(yè)4.0集成或工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 概念。這將物理生產和運營與智能數(shù)字技術、機器學習和大數(shù)據(jù)相結合，為專注于制造和供應鏈管理的公司創(chuàng)建一個更全面、更緊密連接的生態(tài)系統(tǒng)。在家庭和工業(yè)應用中都必須仔細考慮微電網架構，不僅要考慮功能，還要考慮電效率，以實現(xiàn)所希望的節(jié)能。

功率轉換效率對回報至關重要

即使在國內比較簡單的安裝圖1，電子功率轉換有多個階段：太陽能電池板的輸出直流必須使用具有最大功率點跟蹤 (MPPT) 的智能 DC-DC 轉換器轉換為蓄電池電壓，以提取最大能量，逆變器將電池直流轉換為交流線電壓，電池充電器確保電池在太陽能輸入不可用時保持滿容量，雙向轉換器從交流電為電動汽車電池充電，但通常在夜間反向傳輸電力。其他可能的電源有其功率轉換要求，例如帶有輸出可變頻率和振幅交流電的感應發(fā)電機的風力渦輪機，轉換為與公用事業(yè)兼容的水平。當然，在工業(yè)環(huán)境中，復雜性要高得多。

所有這些功率轉換階段都會以熱量的形式損失一些能量，這代表了金錢損失和更長的投資回收期，因此效率是一個主要問題。在某些情況下，可以回收熱量，也許供社區(qū)使用。機會是有限的，因此更有可能在冷卻系統(tǒng)中花費更多的能量和成本來提取熱量并避免對功率轉換電子設備的壓力。

新半導體控制成本、尺寸、節(jié)省

微電網中的各種功率轉換階段都使用開關模式技術——半導體開關以高頻斬波輸入直流或整流交流電壓，然后通過一個相對較小的變壓器將電壓通過整流器縮放回直流，或通過濾波器轉換為交流. 通過半導體開關動作的脈沖寬度調制 (PWM) 實現(xiàn)將輸出調節(jié)為恒定直流或 50/60Hz 交流。

在更高的功率下，半導體開關的選擇直到最近還僅限于絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，它必須以相對緩慢的速度進行開關才能獲得可接受的效率：IGBT 在關閉時不消耗功率，而在開啟時有一些傳導損耗，但當它們在兩種狀態(tài)之間轉換時，它們可以承受以千瓦為單位的瞬態(tài)功率（圖 3）。每秒的轉換次數(shù)（頻率）越多，耗散就越高。出于這個原因，開關頻率最多只有幾十 kHz，這會產生影響。變壓器和其他磁性元件（如濾波器）必須很大，因此成本很高。

圖 3：半導體開關轉換期間的功耗可能很高。（來源：貿澤電子）

提高開關頻率一直是功率轉換器設計人員的設計目標，以實現(xiàn)尺寸和成本節(jié)約，因此其他半導體器件被認為具有較低的開關損耗，主要競爭者是 MOSFET。然而，這些器件的額定功率有限，并且傳導損耗可能高于 IGBT——MOSFET 表現(xiàn)出導通電阻，其功耗與電流值的平方成正比。IGBT 表現(xiàn)出相對恒定的壓降，因此功耗與電流大致成正比。因此，在大電流下，MOSFET 可能有損耗，并且當考慮到能量損失和所需的更大、更昂貴的冷卻時，更高頻率運行的好處就被否定了。

新一代開關——寬帶隙 (WBG) 半導體已經問世，在不影響效率的情況下，開關速度有了顯著提高。這些器件采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 制造，開關速度比傳統(tǒng)硅快，任何瞬態(tài)損耗都極小。結合非常低的導通電阻和固有的高溫能力，采用 WBG 技術設計的設備更小、更高效，這不僅是因為設備本身，還因為更高的開關頻率可以實現(xiàn)更小的相關組件，例如變壓器和濾波器。這一切都直接體現(xiàn)在低采購和運行成本、快速回報和更小的環(huán)境足跡。公司如CREE、GaN Systems、UnitedSiC、Transphorm和許多其他公司在 WBG 半導體領域都很活躍，這些器件可從Mouser Electronics獲得。

結論

微電網具有獨立性、彈性、安全性和最大限度地利用本地可再生能源的能力。微電網可以為農場、偏遠工廠、醫(yī)院或軍事場所等設施供電。它們的多功能性和持續(xù)發(fā)展是微電網行業(yè)到 2025 年增長達到約 474 億美元的原因。

審核編輯：符乾江