以半導體重新定義電網(wǎng)

在邁向智慧電網(wǎng)發(fā)展的過(guò)程中，半導體技術(shù)能夠讓電網(wǎng)的反應更加敏銳，進(jìn)而有效地管理電力供應和需求。
發(fā)電和配電的方式正在轉變。智慧電網(wǎng)技術(shù)的出現促進(jìn)了再生能源、儲能，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 : 半導體在重新設計和改造的電網(wǎng)系統中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，推動(dòng)了智慧電網(wǎng)的出現，從而提高了電力系統的效率、靈活性和穩健性。
在邁向智慧電網(wǎng)發(fā)展的過(guò)程中，半導體技術(shù)走在前端。其有助于改善公共事業(yè)和客戶(hù)，以及電網(wǎng)和營(yíng)運商之間共享用電的使用信息。它們使電網(wǎng)的反應能夠更加敏銳，進(jìn)而有效地管理電力供應和需求。

建立能源網(wǎng)絡(luò )
智能電網(wǎng)架構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)節點(diǎn)可以安裝太陽(yáng)能電池板。當太陽(yáng)光不足時(shí)，節點(diǎn)依靠電網(wǎng)自動(dòng)補足電力缺口。
反之，當節點(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，供其他節點(diǎn)使用。節點(diǎn)上可能會(huì )有一個(gè)電池儲備，可以將能量?jì)Υ嫫饋?lái)以供日后使用。透過(guò)使用基于半導體的智能技術(shù)，可以管理電池儲備的運作，以因應需求而自電網(wǎng)取得電力或將電力輸入電網(wǎng)。

汽車(chē)電氣化的影響
隨著(zhù)家電和電子產(chǎn)品的數量日益增加，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于電力需求。電動(dòng)汽車(chē)充電站在智慧電網(wǎng)作為節點(diǎn)。
當電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，其會(huì )吸取電力為電池補充電能，它們還可以作為電源。當電動(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)就能像儲能系統一樣，提供電網(wǎng)服務(wù)。

電網(wǎng)穩定化
無(wú)論是智能電網(wǎng)或傳統電網(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(xiàn)傳輸。雖然傳統電網(wǎng)通常只有一個(gè)電源，而現在則有多種電源。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(xiàn)路不穩定而導致停電。
受益于近期快速、強大的數字半導體發(fā)展，現在可以實(shí)時(shí)控制和修改高電力在線(xiàn)傳輸的大量電力。若缺少了此一關(guān)鍵的貢獻，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)降低節點(diǎn)的耗電量。當需求提升或再生能源供應不足等情況下，就會(huì )自動(dòng)降低節點(diǎn)的耗電量。當有更多再生能源輸入時(shí)，就可以為節點(diǎn)傳輸更多電力。
與此同時(shí)，電池儲能還有助于平衡電力峰值，因此在任何時(shí)候都可以使用儲存的能量來(lái)抵消受限的再生能源輸入。透過(guò)這兩種機制，就可以降低對化石燃料的依賴(lài)，讓再生資源在發(fā)電中發(fā)揮更大的作用。

協(xié)助客戶(hù)做出更永續的選擇
上述討論的新電網(wǎng)實(shí)施方案，不僅可讓電力公司、甚至可幫助消費者變得更智慧。透過(guò)智慧電表，消費者就可以即知道自己的用電量、電費以及再生能源電力的供應情況，進(jìn)而調整行為。這樣，他們不僅可以從中節省費用，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)能電池數組和電池系統等昂貴的資產(chǎn)集中起來(lái)，就可以節省基礎建設的成本。建立微型電網(wǎng)可適用于較大規模的社群規模，如校園或醫院。
利用本地電池來(lái)儲能，對電網(wǎng)供電的需求就會(huì )減少。這是對永續發(fā)展的巨大貢獻。透過(guò)電池儲存和再生能源，微型電網(wǎng)就可以盡可能「脫離電網(wǎng) 」來(lái)運作，以減輕電力分配線(xiàn)路的壓力。

使用數字設備管理智能電網(wǎng)運作
智能電網(wǎng)的復雜功能需要許多電子組件：用于監測電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數的傳感器。為控制組件提供數據的安全通訊芯片，以及控制組件中可對智能電網(wǎng)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)調整的微控制器。
基本智能電網(wǎng)功能所需的半導體組件通?？梢越M合使用。這種整合度更高的單芯片系統（SoC）解決方案相較眾多獨立組件更小，而且更便于使用。這種 SoC 通常整合了復雜的算法，可使各個(gè)子部分相互協(xié)調運作，以提升電網(wǎng)的效率。
數字通訊交換也可透過(guò)電力線(xiàn)進(jìn)行，無(wú)需昂貴的專(zhuān)用通訊基礎建設即可到達任何電網(wǎng)節點(diǎn)。此一過(guò)程被稱(chēng)為電力線(xiàn)通訊（Power Line Communication；PLC）。


圖2 : 數字通訊交換可透過(guò)電力線(xiàn)到達任何電網(wǎng)節點(diǎn)。

意法半導體（STMicroelectronics）是 PLC 調制解調器制造商，為智能電網(wǎng)部署提供核心技術(shù)。ST亦是無(wú)線(xiàn)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(xiàn)混合解決方案。

精密半導體因應智能量表的挑戰
事實(shí)上，ST利用20多年的經(jīng)驗，改善從發(fā)電、配電，到消費之整個(gè)能源供應的效率。ST的電力線(xiàn)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，達到終端用戶(hù)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、熱和燃氣提供智慧量表解決方案。全球已部署逾1.5億個(gè)的智慧電表中采用ST的半導體組件，而ST亦積極推動(dòng)所有主要的工業(yè)和標準化的智慧電網(wǎng)計劃。
世界各國政府和電力公司已經(jīng)認知到傳統電網(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。