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可再生能源互联网中的微电子技术（上） 链接：/tech/123759.html 来源：能源情报 可再生能源互联网中的微电子技术（上） 文/黄如 叶乐 廖怀林，北京大学微电子学研究院 1、背景介绍 能源问题是未来人类面临的最为严峻的挑战之一。当前人们对能源的需求呈指数形式的增长，若对能源使用方式不 加以改变，预计2050年全球能源消耗将增长至20TW，远超于1TW的可容忍目标。传统的以煤炭、石油等化石燃料为 主的能源模式将带来一系列重大问题，如环境污染、碳排放的急剧增加、化石能源储量下降等，从而对可持续发展造 成很大的障碍。因此，可再生能源是解决能源问题的重要途径。规模化的可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能等。 以太阳能为例，如果我们将地球表面1%的面积利用起来，以5%的效率将太阳能转化为电能，那么一年的能源则可供 全球使用40年以上。然而，由于可再生能源的独特性导致其无法直接并入传统电网，阻碍了可再生能源的发展。利用 可再生能源发电具备以下4个特征及挑战： 1)波动性：随着时间、气候、季节等变化，可再生能源发电量波动且不受人为因素控制。 2)间歇性：可再生能源发电电压波动剧烈，甚至某些时候无电能输出。 3)采能用能间的不平衡性：可再生能源发电高峰期与用电高峰期在时间尺度上不平衡，如太阳能仅可在白天发电， 而夜晚则是大多数家庭的用电高峰期。 4)地域不平衡性：可再生能源丰富的地区与用电量大的地区往往不一致，如我国风能主要集中于内蒙等北方地区， 但是当地却无法消耗大量的风电装机容量。 另一方面，传统电网所具备的星型网络拓扑，也使其面临着一系列的问题： 1)兼容性差：可再生能源并网困难，时空上剧烈波动的可再生能源将会导致传统电网的电压剧烈波动。 2)网络脆弱：易受攻击，如果将传统电网简单的与互联网相结合，那么互联网的开放性特征将导致传统电网极易受 到攻击。 3)故障传导：传统电网的某一部分发生故障，会传导至更大范围从而导致大面积电网崩溃，并对电网内电气和电子 设备造成损伤。美国和加拿大2003年8月14日的大断电事故造成了约300亿美元的经济损失。 可再生能源的特征和传统电网的缺陷，导致可再生能源无法直接并入电网，因此，我们有必要利用信息技术对传统 电网加以改造，使得可再生能源得以顺利进入电网中，即通过信息技术与电力技术的深度融合，实现电网的变革—— 可再生能源互联网。如图1所示，分布式可再生电网与信息网络深度融合，构成了可再生能源互联网，从而实现可再 生能源的高效配置和高效使用。 可再生能源互联网中的微电子技术（上） 链接：/tech/123759.html 来源：能源情报 可再生能源互联网具有类似于互联网的扁平化拓扑结构，由各种规模不同的分布式微电网组成，微电网之间可以实 现电能的双向共享和高效配置。大到一座工厂，小到一幢居民房都可以作为一个微电网。如图2所示，一个典型的微 电网由分布式采能装置(可再生能源)、分布式储能装置、分布式用能装置(负载)三种类型的基本单元组成，通过固态 变压器(solid-statetransformer，SST)实现与电力总线之间的电能双向流动。 可再生能源互联网中的微电子技术（上） 链接：/tech/123759.html 来源：能源情报 分布式采能装置负责产生电能，它可以是太阳能、风能等新能源供给端，然而由于可再生能源发电的波动性和间歇 性导致发出的电能波动剧烈，而分布式的微电网由于其规模较小，会进一步加剧这一波动，从而无法满足负载对高质 量电源的需求。因此，分布式储能装置就显得尤为重要，它可以将微电网中暂时多余的电能储存起来，当电能出现缺 口时再释放出来，起到稳定微电网的作用。一个分布式微电网如果无法实现自给自足时，仍然可以从外部电力总线获 取电能;如果电能有盈余，则可以向外部输电。本文认为，分布式微电网应当最大限度的实现采能、储能、用能之间 微平衡，从而为可再生能源互联网电能高效配置奠定基础。 在分布式微电网中，电子系统起着至关重要的作用，可再生能源互联网对电子系统提出了以下五大要求。 1)高效性：即实现分布式采能(可再生能源)、储能、用