Khi thế giới phải vật lộn để đáp ứng thách thức ngăn chặn thảm họa biến đổi khí hậu, ngành sản xuất điện đã được công nhận là lĩnh vực quan trọng nhất để giảm lượng khí thải carbon. Do đó, hơn một nửa số bang ở Hoa Kỳ đã ban hành chỉ thị về điện tái tạo, bao gồm một số bang lớn nhất như California, Texas và New York, và Chỉ thị về năng lượng tái tạo của Liên minh châu Âu cũng đặt ra các mục tiêu tương tự. Đặc biệt là do tính liên tục và khả năng biến đổi của năng lượng gió và năng lượng mặt trời, việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo đang là một thách thức ngày càng nghiêm trọng đối với các dịch vụ công cộng.
Trong mười năm qua, chi phí năng lượng gió và mặt trời đã giảm mạnh. Trong nhiều trường hợp, chúng có lợi thế cạnh tranh so với nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là khi được triển khai trên quy mô lưới điện. Việc lắp đặt quy mô thương mại và công nghiệp cũng cực kỳ tiết kiệm, bằng chứng là các công ty như Wal-Mart, Target và Amazon đã đặt một số lượng lớn các tấm pin mặt trời tại các kho hàng và địa điểm bán lẻ. Với sự phát triển không ngừng của năng lượng gió ngoài khơi và công nghệ tấm pin mặt trời không cố định, các điểm áp dụng của năng lượng tái tạo cũng ngày càng mở rộng.
Cùng với công suất năng lượng mặt trời dành cho khu dân cư ngày càng mở rộng, một thách thức khác đối với các tiện ích là việc tích hợp năng lượng phân tán không nằm trong tầm kiểm soát của họ. Một số tiểu bang áp đặt các quy định bắt buộc đối với việc đo đếm thực hoặc phí thức ăn đằng sau lượng điện do đồng hồ tạo ra, điều này làm tăng thêm sự phức tạp và ảnh hưởng đến doanh thu của tiện ích.
Một thách thức lớn khác cũng liên quan đến biến đổi khí hậu: độ an toàn và độ tin cậy của cơ sở hạ tầng lưới điện. Các vụ cháy rừng gần đây ở California và sự phá sản của PG& E là những dấu hiệu ban đầu cho thấy thời tiết khắc nghiệt và biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng đến lưới điện như thế nào. PG& E thậm chí còn tiến hành dự phòng mất điện trên diện rộng để bảo vệ thiết bị, khách hàng và rừng.
Một nguồn tài nguyên khác được thêm vào sự kết hợp này là lưu trữ năng lượng. Tích trữ năng lượng có thể có nhiều hình thức, bao gồm tích trữ bơm, bánh đà lớn, túi khí điều áp dưới đáy biển, và thậm chí cần cẩu nâng các khối bê tông khổng lồ. Nhiều phương án trong số này yêu cầu xây dựng quy mô lớn để tiết kiệm chi phí, hoặc yêu cầu các đối tượng địa lý rất cụ thể.
Công nghệ lưu trữ năng lượng nổi bật nhất và phát triển nhanh nhất là pin. Pin có khả năng mở rộng cao và có thể được sử dụng từ quy mô hộ gia đình đến quy mô nhà máy điện. Chúng cũng có thể được triển khai ở hầu hết mọi địa điểm mà không cần đánh giá môi trường rộng rãi, xây dựng cơ sở hạ tầng và xem xét các quy định của địa phương như các nhà máy điện truyền thống. Cuối cùng, các công ty đã xác nhận rằng họ có thể lắp đặt pin lớn chỉ trong sáu tháng, điều này hoàn toàn trái ngược với hàng thập kỷ cần thiết để lập kế hoạch và hỗ trợ sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch.
Tích trữ năng lượng mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là khi kết hợp với năng lượng tái tạo không liên tục. Việc sử dụng năng lượng rõ ràng nhất là chênh lệch giá năng lượng. Khi giá điện thấp, năng lượng được lưu trữ và sau đó được chuyển trở lại lưới điện khi giá điện cao. Vào một ngày nắng, khi các nguồn quang điện (PV) tạo ra công suất quá mức, dòng điện có thể đi vào phần tử lưu trữ, do đó những" phải tiêu thụ" nguồn lực có thể được sử dụng ở mức độ lớn nhất. Vào ban đêm, khi sản lượng điện mặt trời giảm, pin sẽ cung cấp nguồn điện bị mất và sản lượng điện phụ tải cơ bản sẽ tăng lên. Do đó, nhiều cơ sở pin quy mô lớn được triển khai ở cùng địa điểm với các trang trại năng lượng mặt trời.
Nếu PG& E ngừng hoạt động của khách hàng khi nguy cơ hỏa hoạn cao, pin và tấm pin mặt trời sẽ bảo vệ gia đình và cơ sở kinh doanh khỏi tình trạng mất điện, do đó giữ cho các quy trình quan trọng hoạt động và ngăn thực phẩm bị hư hỏng. Ngoài ra, các nhà khai thác điện hiện đang điều phối và kiểm soát các nguồn năng lượng phân tán như" nhà máy điện ảo" tạo ra, lưu trữ và truyền tải điện theo nhu cầu. Trong một số trường hợp, điều này bao gồm đáp ứng nhu cầu, khi phụ tải điện được chuyển sang giờ thấp điểm.
Giao diện chính để kết nối các nguồn gió, quang điện và pin với lưới điện là bộ biến tần. Nói một cách đơn giản, biến tần chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC và đồng bộ hóa nó với tần số điện 60Hz của lưới điện. Hình 1 cho thấy một sơ đồ đơn giản của một bảng điều khiển năng lượng mặt trời được kết nối với lưới điện, tập trung vào cấu trúc của biến tần. Có nhiều kiểu biến tần, bao gồm cấu trúc đa cấu trúc liên kết biến tần một chiều và hai chiều và đa cấp. Mỗi cấu trúc liên kết có những ưu điểm và nhược điểm riêng trong những trường hợp cụ thể. Thành phần quan trọng của biến tần là công tắc nguồn, trong hình là bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT).
Biến tần: biến tần
ACGrid: lưới AC
Biến tần sử dụng một bộ vi xử lý, phát hiện và phản hồi thích hợp, cũng như các thuật toán chính xác để cung cấp các dịch vụ khác nhau cho lưới điện, không chỉ lưu trữ và giải phóng năng lượng điện. Một ví dụ là hỗ trợ điện áp, điều chỉnh tần số và giảm sóng hài để duy trì chất lượng điện năng. Năng lượng phân tán có thể giảm tải cho mạng lưới truyền tải và phân phối điện vì năng lượng điện được sử dụng gần với quá trình phát điện. Điều này có thể làm giảm sự căng thẳng và tắc nghẽn của lưới điện, thậm chí có thể hoãn việc nâng cấp đường dây điện.
Khi một lượng lớn công suất đi qua biến tần, việc chuyển đổi giữa nguồn AC và DC phải rất hiệu quả. Trên thực tế, hiệu suất cao nhất của biến tần thương mại là 96-98%. Nhưng các nhà vận hành lưới điện muốn hiệu suất năng lượng cao hơn, đặc biệt là ở quy mô của các tiện ích, bởi vì những thay đổi nhỏ trong hiệu suất năng lượng vẫn có nghĩa là rất nhiều điện.
Để đạt được các mức hiệu suất năng lượng này, các thiết bị điện phải có tổn thất rất thấp. Ngày nay, IGBT đã trở thành công tắc chính cho các ứng dụng này. Tuy nhiên, dòng điện dẫn của IGBT là vài trăm ampe, chặn điện áp vài nghìn vôn. Nó được làm bằng silicon sử dụng quy trình tương tự như quy trình được sử dụng để sản xuất chip tính toán hiệu suất cao cho điện thoại di động và trung tâm dữ liệu.
Tuy nhiên, vật liệu mới được kỳ vọng sẽ đạt được hiệu suất cao hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và độ tin cậy cao hơn. Cụ thể, silic cacbua (SiC) là vật liệu của tương lai. Các thiết bị điện tử công suất SiC có tổn thất dẫn điện và chuyển mạch thấp hơn so với các thiết bị silicon tương tự. Giai đoạn đầu tiên của quá trình chuyển đổi liên quan đến một diode mức thấp, như trong Hình 1, được kết nối với IGBT chống song song. Thay thế điốt silicon bằng điốt SiC có thể giảm tổn thất và giảm độ vọt lố trong quá trình chuyển mạch, do đó giảm căng thẳng trên biến tần. Mặc dù điốt SiC đắt hơn điốt silicon, nhưng kích thước hệ thống và tản nhiệt nhỏ hơn có thể làm giảm chi phí tổng thể của hệ thống.
SiCMOSFET là giai đoạn tiếp theo của quá trình chuyển đổi. Tốc độ chuyển mạch của SiC MOSFET nhanh hơn nhiều so với IGBT silicon, vì vậy việc sử dụng chúng trong giai đoạn thúc đẩy của các hệ thống phát điện mặt trời mang lại lợi thế lớn hơn. Nói chung, bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng để tăng điện áp đầu ra của bảng điều khiển năng lượng mặt trời. SiC MOSFET có thể chuyển đổi nhanh hơn, do đó giảm kích thước của các thành phần thụ động đắt tiền như cuộn cảm trong giai đoạn tăng cường và cải thiện hiệu quả.
ON Semiconductor cung cấp nhiều loại IGBT, điốt SiC và SiC MOSFET để đáp ứng các yêu cầu về điện áp và dòng điện của các bộ biến tần khác nhau. Phổ biến nhất là mô-đun nguồn, gói nhiều công tắc nguồn và điốt khác nhau lại với nhau để đạt được kích thước nhỏ, thiết kế dễ dàng và tản nhiệt hiệu quả. Ngoài các thiết bị điện tử công suất chính, ON Semiconductor còn cung cấp trình điều khiển cổng, cách ly điện và bộ khuếch đại hoạt động hiệu suất cao để hoàn thiện hệ thống.
Với sự cải tiến của năng lượng tái tạo và công nghệ lưu trữ năng lượng và giảm chi phí," thay đổi ngược lại" của lưới điện tiếp tục tiến hành với tốc độ nhanh hơn bao giờ hết. Ngoài việc giảm lượng khí thải carbon và ô nhiễm, biến tần còn hỗ trợ lưới điện linh hoạt hơn và có sự tham gia của người dân, xóa nhòa ranh giới giữa người tiêu dùng và nhà sản xuất. Việc kiểm soát và phối hợp chính xác của các công ty điện lực có thể cải thiện chất lượng điện năng, giảm chi phí nâng cấp và cung cấp cho người dùng các dịch vụ đáng tin cậy hơn. Điện tử công suất là công nghệ cho phép quan trọng cho phép cập nhật cơ sở hạ tầng quan trọng của chúng tôi.