以半導(dǎo)體重新定義電網(wǎng)

在邁向智慧電網(wǎng)發(fā)展的過(guò)程中，半導(dǎo)體技術(shù)能夠讓電網(wǎng)的反應(yīng)更加敏銳，進(jìn)而有效地管理電力供應(yīng)和需求。
發(fā)電和配電的方式正在轉(zhuǎn)變。智慧電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了再生能源、儲(chǔ)能，以及電網(wǎng)之間的整合。而電網(wǎng)這過(guò)去的一百多年來(lái)并未發(fā)生過(guò)重大變化。

 
圖1 : 半導(dǎo)體在重新設(shè)計(jì)和改造的電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，推動(dòng)了智慧電網(wǎng)的出現(xiàn)，從而提高了電力系統(tǒng)的效率、靈活性和穩(wěn)健性。
在邁向智慧電網(wǎng)發(fā)展的過(guò)程中，半導(dǎo)體技術(shù)走在前端。其有助于改善公共事業(yè)和客戶，以及電網(wǎng)和營(yíng)運(yùn)商之間共享用電的使用信息。它們使電網(wǎng)的反應(yīng)能夠更加敏銳，進(jìn)而有效地管理電力供應(yīng)和需求。

建立能源網(wǎng)絡(luò)
智能電網(wǎng)架構(gòu)的基本特征是能源既可以從電網(wǎng)流出和流入。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以安裝太陽(yáng)能電池板。當(dāng)太陽(yáng)光不足時(shí)，節(jié)點(diǎn)依靠電網(wǎng)自動(dòng)補(bǔ)足電力缺口。
反之，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能資源產(chǎn)生多余電力時(shí)，電網(wǎng)可以將其抽走，供其他節(jié)點(diǎn)使用。節(jié)點(diǎn)上可能會(huì)有一個(gè)電池儲(chǔ)備，可以將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)以供日后使用。透過(guò)使用基于半導(dǎo)體的智能技術(shù)，可以管理電池儲(chǔ)備的運(yùn)作，以因應(yīng)需求而自電網(wǎng)取得電力或?qū)㈦娏斎腚娋W(wǎng)。

汽車(chē)電氣化的影響
隨著家電和電子產(chǎn)品的數(shù)量日益增加，全球用電量也不斷提升。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)普及自然而然地增加了民眾對(duì)于電力需求。電動(dòng)汽車(chē)充電站在智慧電網(wǎng)作為節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，其會(huì)吸取電力為電池補(bǔ)充電能，它們還可以作為電源。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)電池在夜間閑置時(shí)可以為電網(wǎng)供電。智慧電網(wǎng)透過(guò)電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)電池之間進(jìn)行數(shù)字通訊，使電動(dòng)汽車(chē)成為電力資源。如此一來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)就能像儲(chǔ)能系統(tǒng)一樣，提供電網(wǎng)服務(wù)。

電網(wǎng)穩(wěn)定化
無(wú)論是智能電網(wǎng)或傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電力都是以一定頻率（通常為 50 或 60 Hz）的交流電壓透過(guò)電線傳輸。雖然傳統(tǒng)電網(wǎng)通常只有一個(gè)電源，而現(xiàn)在則有多種電源。每個(gè)電源必須以相同的頻率為電網(wǎng)供電。它們還必須完全同步，以免造成線路不穩(wěn)定而導(dǎo)致停電。
受益于近期快速、強(qiáng)大的數(shù)字半導(dǎo)體發(fā)展，現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)控制和修改高電力在線傳輸?shù)拇罅侩娏ΑＨ羧鄙倭舜艘魂P(guān)鍵的貢獻(xiàn)，就不可能維持整個(gè)電網(wǎng)的恒定頻率。

需求控制
智能電網(wǎng)的關(guān)鍵特性之一，在于能夠自動(dòng)降低節(jié)點(diǎn)的耗電量。當(dāng)需求提升或再生能源供應(yīng)不足等情況下，就會(huì)自動(dòng)降低節(jié)點(diǎn)的耗電量。當(dāng)有更多再生能源輸入時(shí)，就可以為節(jié)點(diǎn)傳輸更多電力。
與此同時(shí)，電池儲(chǔ)能還有助于平衡電力峰值，因此在任何時(shí)候都可以使用儲(chǔ)存的能量來(lái)抵消受限的再生能源輸入。透過(guò)這兩種機(jī)制，就可以降低對(duì)化石燃料的依賴，讓再生資源在發(fā)電中發(fā)揮更大的作用。

協(xié)助客戶做出更永續(xù)的選擇
上述討論的新電網(wǎng)實(shí)施方案，不僅可讓電力公司、甚至可幫助消費(fèi)者變得更智慧。透過(guò)智慧電表，消費(fèi)者就可以即知道自己的用電量、電費(fèi)以及再生能源電力的供應(yīng)情況，進(jìn)而調(diào)整行為。這樣，他們不僅可以從中節(jié)省費(fèi)用，還可以從再生能源中取得電力。

能源島和微型電網(wǎng)
一些住宅或企業(yè)可以組成一個(gè)微型電網(wǎng)，并以一個(gè)接入點(diǎn)連入智慧電網(wǎng)。將太陽(yáng)能電池?cái)?shù)組和電池系統(tǒng)等昂貴的資產(chǎn)集中起來(lái)，就可以節(jié)省基礎(chǔ)建設(shè)的成本。建立微型電網(wǎng)可適用于較大規(guī)模的社群規(guī)模，如校園或醫(yī)院。
利用本地電池來(lái)儲(chǔ)能，對(duì)電網(wǎng)供電的需求就會(huì)減少。這是對(duì)永續(xù)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)。透過(guò)電池儲(chǔ)存和再生能源，微型電網(wǎng)就可以盡可能「脫離電網(wǎng) 」來(lái)運(yùn)作，以減輕電力分配線路的壓力。

使用數(shù)字設(shè)備管理智能電網(wǎng)運(yùn)作
智能電網(wǎng)的復(fù)雜功能需要許多電子組件：用于監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的傳感器。為控制組件提供數(shù)據(jù)的安全通訊芯片，以及控制組件中可對(duì)智能電網(wǎng)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的微控制器。
基本智能電網(wǎng)功能所需的半導(dǎo)體組件通常可以組合使用。這種整合度更高的單芯片系統(tǒng)（SoC）解決方案相較眾多獨(dú)立組件更小，而且更便于使用。這種 SoC 通常整合了復(fù)雜的算法，可使各個(gè)子部分相互協(xié)調(diào)運(yùn)作，以提升電網(wǎng)的效率。
數(shù)字通訊交換也可透過(guò)電力線進(jìn)行，無(wú)需昂貴的專用通訊基礎(chǔ)建設(shè)即可到達(dá)任何電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。此一過(guò)程被稱為電力線通訊（Power Line Communication；PLC）。


圖2 : 數(shù)字通訊交換可透過(guò)電力線到達(dá)任何電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）是 PLC 調(diào)制解調(diào)器制造商，為智能電網(wǎng)部署提供核心技術(shù)。ST亦是無(wú)線通信領(lǐng)域的主要生產(chǎn)商，在探索新興蜂巢式網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)）方法的同時(shí)，還率先采用 PLC 和無(wú)線混合解決方案。

精密半導(dǎo)體因應(yīng)智能量表的挑戰(zhàn)
事實(shí)上，ST利用20多年的經(jīng)驗(yàn)，改善從發(fā)電、配電，到消費(fèi)之整個(gè)能源供應(yīng)的效率。ST的電力線通訊整合方案，優(yōu)化了電力傳輸并推動(dòng)電網(wǎng)雙向通訊，達(dá)到終端用戶的能源管理，并最大限度地降低電力中斷的狀況發(fā)生，只輸送所需的電量。ST還為能源、水、熱和燃?xì)馓峁┲腔哿勘斫鉀Q方案。全球已部署逾1.5億個(gè)的智慧電表中采用ST的半導(dǎo)體組件，而ST亦積極推動(dòng)所有主要的工業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化的智慧電網(wǎng)計(jì)劃。
世界各國(guó)政府和電力公司已經(jīng)認(rèn)知到傳統(tǒng)電網(wǎng)必須被更高效、更靈活，而且更智能的能源分配網(wǎng)絡(luò)所取代。其結(jié)果將會(huì)降低電力公司和使用者的成本，同時(shí)還能提供更可靠的電力，并減少碳排放。