技术进步推动向绿色能源的转型
智能化利用可再生能源来应对气候变化
发布于2024-02-23
随着地球面临即将突破重要温度临界点的风险，对智能化高效利用可再生能源的需求达到了前所未有的高度。在重要国际协议和地缘政治形势的推动下，快速的技术进步正在彰显自己的价值。这些进步，包括混合逆变器等设备，不仅仅是对政策的补充，更是推动可再生能源行业发展的关键。作为重要的推动因素，这些设备促进了可再生能源的采用，有助于减少对化石燃料的依赖。例如，混合逆变器正在改变行业格局，积极推动可再生能源的使用。通过无缝集成各种绿色技术，这些先进的电子设备正在加快消费市场和整个行业采用可持续发展方式的速度。
政策推动技术变革
2015年，196个国家签署了《巴黎协定》，要将全球升温幅度限制在比工业化前高1.5°C以内，因为超过这个范围会加剧气候变化带来的冲击。1.5°C这个目标是一个长期平均值，但多家机构预测2023年可能会达到这个限值。比如，伯克利地球研究所预测，2023年有99%的可能成为有记录以来最热的一年（图1），有55%的可能达到1.5°C这个限值。[1]世界气象组织估计，2023年至2027年期间出现这种情况的可能性为66%。[2]
为实现1.5°C的目标，联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 强调：到2025年温室气体排放量不能再增长，到2030年要减少43%。二氧化碳占2019年排放量的64%[3]，是首要关注对象。采用可再生能源、交通电气化和尽量减少工业化石燃料等战略至关重要。
图1：2023年将成为有记录以来最热的一年，并有机会超过平均值成为第一个突破IPCC 1.5°C临界值的年份。（图源：伯克利地球研究所/https://www.berkeleyearth.org/）
采用绿色技术成为重中之重
随着各国政府加速提高可再生能源大规模发电的能力，我们也有必要从另一个角度来看待这个问题。减少对电网电力的需求也将大大减少我们对化石燃料的依赖。这既包括使用更节能的产品，也包括鼓励消费者自己发电和用电。世界各国政府都在通过限制销售低能效产品并向消费者提供激励措施来推动家庭可再生能源发电的普及，从而努力实现上述目标。
幸运的是，消费者采用一种绿色技术往往会带动他们投资于更多的绿色技术。英国电动汽车 (EV) 充电站应用Zapmap的一项调查发现，其4358名电动汽车用户家中安装太阳能电池板的可能性是其他人群的七倍。[4]超过10%的受访者还拥有家用储能设备，72%的受访者拥有智能电表。购买电动汽车往往是车主了解其他绿色技术的切入点（图2）。让购买电动汽车的流程更加便捷，应该能加快多种可持续技术的应用。
图2：如果消费者购买了电动汽车，他们采用其他节能技术的几率就要比平均水平高很多。（图源：petovarga/stock.adobe.com）
很快，我们就能看到这样的场景：家庭和小型企业在白天利用太阳能为家用电池和电动汽车电池充电，并在晚上需求和价格最高的时候，将多余的电量输入电网。然后，储能系统可以在夜间比较便宜的时段用电网电力再次充电，为第二天做好准备。除了降低电费，这一过程还有助于平衡电网供需。
混合逆变器助力实现更智能的供电
逆变器是光伏 (PV) 能源系统中最重要的组件之一，它将产生的直流电转换成交流电，供电器使用或输入电网。例如，在典型的太阳能发电设计中，一串太阳能电池板串联在一起，以提高输出电压。来自太阳能电池板的能量馈入一个DC/DC转换器，该转换器将可变的太阳能电池板输出电压转换为逆变器可以使用的稳定、固定的直流电压。DC-DC转换器还支持一种被称为最大功率点跟踪 (MPPT) 的技术，可确保电池板始终以最高功率水平运行。
混合逆变器旨在以较低的总成本提高光伏系统的效率和灵活性。与传统的交流耦合储能系统相比，混合逆变器通过集成用于电池充电和放电的DC/DC转换器，省去了电源转换步骤，节省了能源，并降低了组件成本，实现了上述目标（图3）。混合逆变器主要用于住宅和较小规模的商业市场。对于需要直流耦合电池储能系统的大型项目，单独的电池逆变器仍是最佳解决方案。
图3：日益增长的自身电量消耗促使设计人员采用支持内置储能的混合架构。（图源：英飞凌）
混合逆变器已被视为电力行业的大势所趋，近年来的实际应用速度也在加快。英飞凌应用管理和应用市场IPB负责人Markus Hermwille表示：“以德国为例，2022年售出的20kWh以下光伏电池系统中，有75%是通过混合逆变器进行直流耦合。相比之下，在2019年，这些设备中只有45%安装了混合逆变器。今后，混合逆变器的市场份额还会进一步增长，并将开始在高达100kW的大功率市场占据较大份额。”[5]
实用的混合逆变器设计
在设计混合逆变器时，三个转换级对系统的整体效率至关重要。输入DC-DC转换器（升压器）只需要一个简单的单升压拓扑结构，就能将可变的串联电压转换为固定电压：家用系统约为600V，大型系统约为1000V。用于这种转换的设备需要分别达到650V或1200V的阻断电压以及较高的开关速度，才能实现高效、轻便的设计。
用于电池充电/放电的DC-DC转换级通常需要两电平降压/升压拓扑结构。高压电池通常使用非隔离式双向DC-DC转换器，低压电池则使用隔离式双向DC-DC转换器。
最后的DC-AC转换级可采用两电平或三电平拓扑结构。对于单相设计，许多工程师会采用高效可靠的逆变器概念 (HERIC) 拓扑结构，而对于三相设计，工程师可能会选择效率更高的三电平 NPC1/NPC2拓扑结构。三电平NPC1拓扑结构更适合20kHz以上的开关速度，甚至适用于超大型太阳能电池板，而三电平NPC2拓扑结构则最适合20kHz以下的开关速度。
结语
世界各国政府和非政府组织 (NGO) 都在尽可能地快速增加公用事业规模的可再生能源发电，而消费者也可以通过使用太阳能电池板发电，为减少对化石燃料的依赖尽自己的一份力量。研究表明，投资于一项绿色技术往往会连带采用更多绿色技术，而混合逆变器则是让这些技术紧密协作的理想选择。
参考资料
[1] Robert Rohde. “August 2023 Temperature Update.” Berkeley Earth，发布于2023年9月13日。https://berkeleyearth.org/august-2023-temperature-update/
[2] 世界气象组织。“Global Temperatures Set to Reach New Records in Next Five Years.” 新闻稿，发布于2023年5月17日。https://public.wmo.int/en/media/press-release/global-temperatures-set-reach-new-records-next-five-years
[3] IPCC。“The Evidence Is Clear: The Time for Action Is Now. We Can Halve Emissions by 2030.” 新闻稿，发布于2022年4月4日。https://www.ipcc.ch/2022/04/04/ipcc-ar6-wgiii-pressrelease/
[4] Zapmap。“EV Drivers Seven Times More Likely to Have Solar Panels on Their Home.” 新闻稿，发布于2023年9月5日。https://www.zap-map.com/news/electric-cars-gateway-clean-energy
[5] Markus Hermwille。个人通讯材料。
作者简介
自1997年从西苏格兰大学电子系统专业获得理学学士学位以来，Allistair Winning一直在电子媒体行业从事市场营销、公关和新闻工作。在此期间，Allistair Winning担任过《Electronics Engineering》、《Embedded Systems Europe》、《EENews Embedded》、《Technology First》、《Electronic Product Design and Test》以及《Panel Building and Systems Integration》等杂志的编辑。目前他是《Power Systems Design》的欧洲编辑和自由撰稿人，专门从事电子和工程方面的写作。