凯利讯半导体

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电力模块支持智能电网的采用

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  据说,百年美国电网是世界上最大的互联机器。该电网由超过9200个发电机组组成,发电量超过1000万千瓦,与超过48万公里的输电线路相连。然而,在它的历史上没有任何时候,这个网格经历了如此迅速的变化,就像现在正在发生的那样。

  公用事业公司正在大力投资“智能电网”,通过降低成本、提高效率、为客户提供更大的灵活性、使可再生能源的连接更加容易,从而大幅提高能源供应。

  实现智能电网需要一系列新技术,包括电网保护、电能质量增强、快速通信、网络安全以及消费者监控。这使得这些巨大的机器越来越依赖电子元件,而这些电子元件已经支持了许多其他部门已经经历过的技术革命。

  这篇文章关注的是,随着智能电网的发展,电子产品设计师们的机会越来越多,然后描述了一些主要供应商的模块,这些模块是专门为电子系统供电的,满足了这些新电网的独特挑战。


  革命的力量

  智能电网的革命是由一系列因素引发的,包括消费者对价格上涨的抵制、增加的能源成本、放松管制以及来自环保游说团体的压力,要求限制新建化石燃料发电站的建设。这种颠覆正在将计算机化、数字通信和双向能量流引入一个以前的极端保守的行业,以极大地提高其网络的性能。

  虽然智能电网很复杂,但它可以细分为四个关键领域:基础设施、通信、计量和可再生能源。

  负责将现有基础设施升级为智能电网状态的工程师们转而关注保护、监控和电能质量。除了电线和电线杆,该基础设施还包括配备传感器收集数据的“配电自动化”资源,将电网的状态和性能信息发送给公用事业公司的网络运营中心,使运营商能够从中心位置调整和控制资产。此外,智能电网可以自动监测、保护和优化电力分配给工业用户和国内消费者。智能电网的内置智能也允许对故障进行快速自动干预,从而限制了停机时间。

  智能电网的另一个重要区别与传统网络电力流在两个方向上,这使得公用事业离开集中式发电和鼓励分布式可再生能源,如风力发电机和光伏(PV)板在国内消费者的屋顶(图1)。智能电网还限制系统损失,从而提高整体效率,有助于减少碳排放和其他污染物的生成[1]。

  智能电网的图像,传统的和多样化的发电。

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  图1:智能电网将采用传统和多样化的发电方式。

  智能电网信息系统包括电力线通信(PLC)、以太网网络、串行链路以及各种无线技术,包括ZigBee、6LoWPAN、和子1ghz的连接。

  消费者倾向于将智能电网与智能电表联系起来——家庭监控设备可以为消费者提供关于使用趋势的细粒度数据——例如,允许他们修改消费,从而利用更便宜的电价,并允许公用事业公司顺利实现需求高峰。然而,智能电网的计量远远超过了家庭、工厂和办公室之外的个人设备。Advanced-metering infrastructure (AMI)提供了实用程序实现自动计费、远程连接/断开个人仪表和实现需求响应程序的双向通信。AMI网络还提供了对网格操作的实时监控和立即通知中断以加速实用程序响应的能力。

  更重要的是,可再生能源是一个主要的挑战,因为这一代人已经超越了水电和风电场到“微电网”,这些“微网”包括由太阳能电池板向电网输送电力的家庭。逆变器是控制光伏电池与电网之间的电流控制的关键部件。工程师面临的挑战是如何以高效、可靠和成本效益的方式实现这一目标[2]。

  在美国包括加利福尼亚、佛罗里达、纽约、宾夕法尼亚和得克萨斯州在内的10个州正在领导全国范围内的智能电网部署。这些州已经成为美国经济复苏和再投资法案中用于投资智能电网的45亿美元中的19亿美元的接受者。

  这一势头将会增加,并推动对许多智能电网系统基础的电子产品的需求。硅供应商的反应是开发一系列组件,使电子工程师能够设计支持智能电网应用的产品;每一种产品都需要一种与智能配电的严格要求相匹配的电力供应。


  对中断

  除了提高效率外,智能电网的关键优势在于它能够从诸如闪电、大风或倒下的树枝等因素造成的故障中恢复过来。可以理解的是,公用事业公司急于避免灾难性的失败,比如2003年的东北大停电。这是一场大范围的停电事故,影响了加拿大安大略省、加拿大和美国8个州的1千5百万人。有些人两天没电了。

  智能电网包含了诸如断路器等保护装置,当它们检测到异常事件(如电流或电压)时,就会切断电源。通过建立故障的位置并利用智能电网所启用的双向能量流,实用程序可以将故障发生时的小段分配线路隔离开来,同时使用替代线路快速恢复电网其余部分的电力。

  许多这种保护装置都依赖于主要半导体公司的电力供应。例如,德州仪器(TI)提供了一种小型的形状因子,12w电源参考设计,用来为智能电网断路器的保护继电器供电(图2)。

  设计是值得注意的,因为它是能够处理一个广泛的交流和直流输入(24 - 250伏直流电或88 - 276 VAC),提供了一个15 V,800毫安(12 W)100 * 100 mm的输出形式(使电源适合保护继电器必须安置在紧凑的外壳)。

  德州仪器的图像宽输入范围电源参考设计。

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  图2:德州仪器保护继电器的宽输入范围电源参考设计。

  该电源采用两级转换器拓扑结构,包括一个由dcto - dc升压(“boost”)调节器设计的,它围绕一个TI TPS40120电流型控制器设计,该控制器是设计在UCC28740脉冲宽度调制(PWM)控制器上设计的准谐振反激变换器的输入。反激变换器的输出形式为15 V,输出功率为0.8。


  使互操作性

  在传统的配电网络中,基础设施是在隔离的情况下运行的,没有收集任何关于电网性能或故障原因的信息。智能电网的全面实施需要这些“哑”设备被智能电子设备取代。除了执行基本的电气任务,如转换电压、重定向能量流和在故障发生时隔离电网部分,IEDs还会不断监测电压、电流、电能质量和其他可能影响电网性能的参数。

  这些信息在IEDs之间传递(这样它们就可以被自动激活以纠正异常的网格操作),并通过专用的通信通道返回到操作人员(然后他们可以快速响应需求或中断的峰值和低谷)。这些通信信道提供快速可靠的信息传输,依赖有线和无线技术和互联网、以太网、行业标准和专有协议。

  电力分配行业正在努力采用一种通信标准来支持电网中不同元素之间的互操作性。最受欢迎的标准是iec61850,它已经为电力变电站的通信而建立。iec61850现在正被扩展到智能电子设备(IED)的变电站之外。

  iec61850的优点在于它能够快速交换数据,同时保留信息的原始含义。因此,标准承诺将显著加强智能电网基础设施之间的沟通和协调。

  iec61850网关是这一通信系统的关键部分,而且TI已经介入了芯片设计,使这些产品的电源更容易开发。该网关可能需要多个电源管理芯片来处理多个交流和直流输入。图3显示了一个包含24/48 VDC输入/5 VDC输出切换调节器、230 VAC输入/5 VDC输出开关调节器和5个VDC输入/多DC输出低退出线性调节器(LDO)的电压转换器的示意图。

  德州仪器的原理图61850网关。

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  图3:iec61850网关的示意图说明了对多电压调节器的要求。

  网关电源的另一个选择是电源管理IC (PMIC),如TI TPS69510。PMIC可以接受5伏锂离子电池供电,并提供3个降压(“buck”)转换器、一个升压变换器和8个LDOs,并设计用于支持基于omap的应用程序的特定电力需求。

  这8个通用的LDOs电源是基于omap的处理器,系统中的其他设备的电源,以及需要这些内存的应用程序的DDR内存供应。


  管理消费

  消费者熟悉智能电网的概念,当维修人员到达他们的家里,用智能单位替换过时的米。根据美国能源信息管理局(EIA)的数据,到2013年,美国电力公司已经安装了51,924,502个智能电表,其中89%用于住宅用户安装。

  智能表不仅仅是可以远程查询的监视单元。这些智能设备的一个关键优势是提供信息,使公用事业和消费者能够管理供求关系。公用事业公司能够利用这些信息准确地确定需求的峰值,并为类似的未来峰值储备发电能力。该工具还可以设定“动态”关税,反映出在任何特定时间产生和分配的成本(和含碳量),或者在可再生能源产生大量电力的时候对消费者使用电力进行奖励。

  消费者甚至可以选择那些可以让电器自动开启和关闭的包,这样就可以在供需之间维持一个第二的平衡。

  智能电表的缺点是要求它们“始终保持”。“每个单元的电流相对较小,但数百万的综合效应是显著的。硅供应商已经通过切断他们的高电压电源解决方案的静态电流来作为回应,这是一种非隔离系统,用于智能电表等应用。

  几家制造商提供了一种能满足智能计量的苛刻要求的交直流稳压器。例如,STMicroelectronics提供了一个电源模块VIPER06,它可以从85 V到265 VAC的输入,并具有800 V功率的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。该芯片可以输出到8 W,却只消耗几百微安的静止电流。

  就其本身而言,TI最近推出了UCC28880,一种用于智能仪表应用的直流电开关调节器。UCC28880将控制器和一个700v功率MOSFET集成到一个设备中。该芯片还集成了一个高压电流源,使启动和操作直接从整流电源电压。

  设备的静态电流小于100µA,提高解决问题的效率。TI表示,通过使用UCC28880,工程师可以使用最少数量的外部组件来设计最常见的调节器拓扑。

  公用事业公司也将“集中器”作为其智能计量系统的一部分。集中器从一组智能表中收集信息(例如,在单个公寓块中),并在将数据无线传输或通过电源线调制解调器传输到实用程序之前,对数据进行聚合和分析。集中器还可用于将信息从中央控制设备发送回智能表组,并促进软件更新等维护功能。

  除了为智能仪表提供电源模块外,STMicroelectronics还满足了集中器的电源要求。集中器的功率要求与智能电表的功率要求相似,但由于单元所执行的额外计算,要求更高。

  STMicroelectronics为集中器应用程序推广Altair 04-900交直流开关电压调整器。它是基于准共振的回飞拓扑结构,能够从一个电源输入,并具有一个900伏的击穿电源阶段。Altair的特点是低待机消耗(大约1 mA)和过电流保护,以防止变压器饱和和次级二极管短路。该公司还为智能计量应用程序提供了电源参考设计,部件编号STEVAL-ISA105V1(图4)。

  STMicroelectronics STEVAL-ISA105V1电源参考设计图像。

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  图4:智能计量应用的STMicroelectronics电源参考设计(图片来源:凯利讯半导体)。


  巨大的回报

  将数十年的电力基础设施与美国和其他发达国家的计算机化和通信技术现代化是一项艰巨的任务。这项运动的成本将高达数十亿美元,甚至不考虑对客户的干扰,因为电网的部分已经升级。

  然而,回报是巨大的。智能电网将大大提高电力系统通过减少系统的效率损失,便于开关在可再生能源(从而减少要求“基线”——化石燃料发电容量,必须保持运行永久应对预期的山峰),并使公用事业公司通过灵活的关税鼓励消费者减少消费。更高的效率和来自可再生能源的更大贡献也有助于当局履行减少碳排放的承诺。

  智能电网还允许运营商快速隔离故障,并在问题被纠正时将电力重新路由到尽可能多的消费者,从而限制了中断造成的中断。

  智能电网的成功将很大程度上依赖于新颖的硅和创新设计工程师;这些产品将转而依靠专门的电力模块,满足智能电网应用的特殊要求,如宽输入电压范围和低静止电流。好消息是,目前已经有许多针对工程师的综合解决方案,希望能在这个利润丰厚的市场中分得一杯羹。