อิเล็กทรอนิกส์กําลังทําให้กริดเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ในขณะที่โลกพยายามรับมือกับความท้าทายในการป้องกันการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่รุนแรงอุตสาหกรรมการผลิตไฟฟ้าได้รับการยอมรับว่าเป็นพื้นที่ที่สําคัญที่สุดสําหรับการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน ดังนั้นมากกว่าครึ่งหนึ่งของรัฐในสหรัฐอเมริกาได้ออกคําสั่งไฟฟ้าหมุนเวียนรวมถึงรัฐที่ใหญ่ที่สุดเช่นแคลิฟอร์เนียเท็กซัสและนิวยอร์กและคําสั่งพลังงานทดแทนของสหภาพยุโรปได้กําหนดเป้าหมายที่คล้ายกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากความแปรปรวนและความแปรปรวนของพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์การรวมทรัพยากรพลังงานทดแทนเป็นความท้าทายที่ร้ายแรงมากขึ้นสําหรับสาธารณูปโภค

ในช่วงสิบปีที่ผ่านมาค่าใช้จ่ายของพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงอย่างรวดเร็ว ในหลายกรณีพวกเขามีความได้เปรียบในการแข่งขันมากกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อปรับใช้ในระดับกริด การติดตั้งเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมยังประหยัดมากดังที่เห็นจากข้อเท็จจริงที่ว่า บริษัท เช่น Wal-Mart, Target และ Amazon ได้วางแผงโซลาร์เซลล์จํานวนมากในคลังสินค้าและสถานที่ค้าปลีก ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของพลังงานลมนอกชายฝั่งและเทคโนโลยีแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่คงที่จุดที่ใช้บังคับของพลังงานทดแทนก็ขยายตัวเช่นกัน

ควบคู่ไปกับกําลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่อยู่อาศัยที่ขยายตัวอย่างต่อเนื่องความท้าทายอื่นสําหรับสาธารณูปโภคคือการรวมพลังงานแบบกระจายไม่ได้อยู่ในการควบคุมของพวกเขา บางรัฐกําหนดกฎระเบียบบังคับเกี่ยวกับการวัดแสงสุทธิหรือค่าใช้จ่ายฟีดที่อยู่เบื้องหลังไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยเมตรซึ่งเพิ่มความซับซ้อนและส่งผลกระทบต่อรายได้สาธารณูปโภค

ความท้าทายที่สําคัญอีกอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ: ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของโครงสร้างพื้นฐานกริด ไฟป่าล่าสุดในแคลิฟอร์เนียและการล้มละลายของ PG&E เป็นสัญญาณเริ่มต้นของสภาพอากาศที่รุนแรงและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะส่งผลกระทบต่อกริดพลังงาน ปัจจุบัน PG&E ยังดําเนินการป้องกันไฟฟ้าดับขนาดใหญ่เพื่อปกป้องอุปกรณ์ลูกค้าและป่าไม้

ทรัพยากรอื่นที่เพิ่มลงในชุดค่าผสมนี้คือการจัดเก็บพลังงาน การจัดเก็บพลังงานสามารถทําได้หลายรูปแบบรวมถึงการจัดเก็บที่สูบมู่เล่ขนาดใหญ่ถุงลมนิรภัยใต้ทะเลแรงดันและแม้แต่เครนยกบล็อกคอนกรีตขนาดใหญ่ ตัวเลือกเหล่านี้จํานวนมากต้องการการก่อสร้างขนาดใหญ่เพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายหรือต้องการคุณสมบัติทางภูมิศาสตร์ที่เฉพาะเจาะจงมาก

เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่โดดเด่นและเติบโตเร็วที่สุดคือแบตเตอรี่ แบตเตอรี่สามารถปรับขนาดได้สูงและสามารถใช้งานได้ตั้งแต่ขนาดครัวเรือนถึงระดับโรงไฟฟ้า นอกจากนี้ยังสามารถใช้งานได้ในเกือบทุกสถานที่โดยไม่จําเป็นต้องประเมินสภาพแวดล้อมที่กว้างขวางการก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานและการพิจารณากฎระเบียบท้องถิ่นเช่นโรงไฟฟ้าแบบดั้งเดิม ในท้ายที่สุด บริษัท ได้ยืนยันว่าพวกเขาสามารถติดตั้งแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ในเวลาเพียงหกเดือนซึ่งตรงกันข้ามกับทศวรรษที่จําเป็นต้องวางแผนและสนับสนุนการผลิตพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิล

การจัดเก็บพลังงานมีประโยชน์มากมายโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรวมกับพลังงานหมุนเวียนเป็นระยะ ๆ การใช้พลังงานที่ชัดเจนที่สุดคือการอนุญาโตตุลาการพลังงาน เมื่อราคาไฟฟ้าต่ําพลังงานจะถูกเก็บไว้แล้วส่งกลับไปยังกริดเมื่อราคาไฟฟ้าสูง ในวันที่มีแดดเมื่อแหล่งเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) สร้างพลังงานมากเกินไปไฟฟ้าสามารถไหลเข้าสู่องค์ประกอบการจัดเก็บเพื่อให้ทรัพยากร "ต้องบริโภค" เหล่านี้สามารถนํามาใช้ในระดับที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ในเวลากลางคืนเมื่อการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงแบตเตอรี่จะจ่ายพลังงานที่หายไปและการผลิตไฟฟ้าโหลดฐานจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นสิ่งอํานวยความสะดวกแบตเตอรี่ขนาดใหญ่จํานวนมากจึงถูกนําไปใช้ในตําแหน่งเดียวกับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์

หาก PG&E ปิดตัวลูกค้าเมื่อมีความเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้สูง แบตเตอรี่และแผงโซลาร์เซลล์จะช่วยปกป้องบ้านและธุรกิจจากไฟฟ้าดับ จึงทําให้กระบวนการที่สําคัญทํางานและป้องกันไม่ให้อาหารเน่าเสีย นอกจากนี้ผู้ประกอบการไฟฟ้ากําลังประสานงานและควบคุมแหล่งพลังงานแบบกระจายเป็น "โรงไฟฟ้าเสมือน" ที่ผลิตจัดเก็บและส่งกระแสไฟฟ้าตามความต้องการ ในบางกรณีซึ่งรวมถึงการตอบสนองความต้องการที่โหลดไฟฟ้าถูกเปลี่ยนเป็นชั่วโมงนอกจุดสูงสุด

อินเทอร์เฟซหลักสําหรับการเชื่อมต่อแหล่งลมโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่กับกริดคืออินเวอร์เตอร์ พูดง่ายๆคืออินเวอร์เตอร์แปลงพลังงาน DC เป็นไฟ AC และซิงโครไนซ์กับความถี่ไฟฟ้า 60Hz ของกริด รูปที่ 1 แสดงแผนภาพที่เรียบง่ายของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับกริดโดยเน้นที่โครงสร้างของอินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์มีหลายรูปแบบรวมถึงโครงสร้างอินเวอร์เตอร์แบบทิศทางเดียวและสองทิศทางและหลายระดับ โทโพโลยีแต่ละตัวมีข้อดีและข้อเสียของตัวเองภายใต้สถานการณ์เฉพาะ ส่วนประกอบที่สําคัญของอินเวอร์เตอร์คือสวิตช์ไฟที่แสดงในรูปเป็นทรานซิสเตอร์สองขั้วประตูฉนวน (IGBT)

อินเวอร์เตอร์: อินเวอร์เตอร์

ACGrid: ตาราง AC

อินเวอร์เตอร์ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์การตรวจจับและข้อเสนอแนะที่เหมาะสมและอัลกอริธึมที่ถูกต้องเพื่อให้บริการต่าง ๆ กับกริดไม่เพียง แต่จัดเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า ตัวอย่างหนึ่งคือการสนับสนุนแรงดันไฟฟ้าการควบคุมความถี่และการลดฮาร์มอนิกเพื่อรักษาคุณภาพพลังงาน พลังงานแบบกระจายสามารถลดภาระในการส่งพลังงานและเครือข่ายการกระจายพลังงานเนื่องจากพลังงานไฟฟ้าถูกใช้ใกล้กับการผลิตไฟฟ้า สิ่งนี้สามารถลดความเครียดและความแออัดของกริดพลังงานและแม้แต่เลื่อนการอัพเกรดสายไฟ

เมื่อพลังงานจํานวนมากผ่านอินเวอร์เตอร์การแปลงระหว่างไฟ AC และ DC จะต้องมีประสิทธิภาพมาก ในความเป็นจริงประสิทธิภาพสูงสุดของอินเวอร์เตอร์เชิงพาณิชย์คือ 96-98% แต่ผู้ประกอบการกริดต้องการประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในขนาดของสาธารณูปโภคเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพยังคงหมายถึงไฟฟ้าจํานวนมาก

เพื่อให้บรรลุระดับประสิทธิภาพการใช้พลังงานเหล่านี้อุปกรณ์ไฟฟ้าจะต้องมีการสูญเสียต่ํามาก วันนี้ IGBT ได้กลายเป็นสวิตช์หลักสําหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้ อย่างไรก็ตามกระแสไฟฟ้าของ IGBT เป็นหลายร้อยแอมป์ปิดกั้นแรงดันไฟฟ้าหลายพันโวลต์ มันทําจากซิลิกอนโดยใช้กระบวนการคล้ายกับที่ใช้ในการผลิตชิปคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงสําหรับโทรศัพท์มือถือและศูนย์ข้อมูล

อย่างไรก็ตาม, วัสดุใหม่คาดว่าจะบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้น, ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้นและความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น. โดยเฉพาะซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุแห่งอนาคต อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กําลัง SiC มีการนําและการเปลี่ยนการสูญเสียต่ํากว่าอุปกรณ์ซิลิกอนที่คล้ายกัน ขั้นตอนแรกของการเปลี่ยนเกี่ยวข้องกับไดโอดระดับต่ําดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งเชื่อมต่อกับ IGBT ในการต่อต้านขนาน การเปลี่ยนไดโอดซิลิกอนด้วยไดโอด SiC สามารถลดการสูญเสียและลดการโอเวอร์ชูตในระหว่างการสลับซึ่งจะช่วยลดความเครียดบนอินเวอร์เตอร์ แม้ว่าไดโอด SiC จะมีราคาแพงกว่าไดโอดซิลิกอน แต่อ่างความร้อนขนาดเล็กและขนาดระบบสามารถลดต้นทุนระบบโดยรวมได้

SiCMOSFET เป็นขั้นตอนต่อไปของการเปลี่ยนแปลง ความเร็วในการสลับของ SiC MOSFETs นั้นเร็วกว่า IGBTs ซิลิคอนมากดังนั้นการใช้งานในขั้นตอนการเพิ่มระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์จึงมีข้อดีมากกว่า โดยทั่วไปตัวแปลง DC-DC จะใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ SiC MOSFETs สามารถสลับได้เร็วขึ้นซึ่งจะช่วยลดขนาดของส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่มีราคาแพงเช่นตัวเหนี่ยวนําในขั้นตอนการเพิ่มและปรับปรุงประสิทธิภาพ

บนเซมิคอนดักเตอร์ให้ความหลากหลายของ IGBTs, ไดโอด SiC และ SiC MOSFETs เพื่อตอบสนองความต้องการแรงดันไฟฟ้าและกระแสของอินเวอร์เตอร์ต่างๆ ที่นิยมมากที่สุดคือโมดูลพลังงานซึ่งบรรจุสวิตช์ไฟและไดโอดที่แตกต่างกันมากมายเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ขนาดเล็กการออกแบบที่ง่ายและการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ นอกเหนือจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานหลักแล้ว ON Semiconductor ยังมีไดรเวอร์ประตูการแยก galvanic และเครื่องขยายเสียงการทํางานประสิทธิภาพสูงเพื่อให้ระบบเสร็จสมบูรณ์

ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีพลังงานทดแทนและการจัดเก็บพลังงานและต้นทุนที่ลดลง "การเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ" ของกริดพลังงานยังคงดําเนินต่อไปในอัตราที่เร็วขึ้น นอกเหนือจากการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนและมลพิษแล้วอินเวอร์เตอร์ยังสนับสนุนกริดพลังงานที่ยืดหยุ่นและมีส่วนร่วมมากขึ้นทําให้ขอบเขตระหว่างผู้บริโภคและผู้ผลิตเบลอ การควบคุมและการประสานงานที่ถูกต้องของ บริษัท พลังงานสามารถปรับปรุงคุณภาพพลังงานลดค่าใช้จ่ายในการอัพเกรดและให้บริการที่เชื่อถือได้มากขึ้นแก่ผู้ใช้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กําลังเป็นกุญแจสําคัญที่ช่วยให้เทคโนโลยีที่ช่วยให้โครงสร้างพื้นฐานที่สําคัญของเราได้รับการปรับปรุง