세계가 치명적인 기후 변화 방지의 도전에 부응하기 위해 고군분투함에 따라, 발전 산업은 탄소 배출을 줄이는 가장 중요한 분야로 인식되고 있습니다. 따라서 미국 내 절반 이상이 캘리포니아, 텍사스, 뉴욕 과 같은 가장 큰 주를 포함하여 재생 가능 전기 지침을 제정했으며 유럽 연합의 재생 에너지 지침도 비슷한 목표를 세웠습니다. 특히 풍력 에너지와 태양 에너지의 간헐성과 변동성으로 인해 재생 가능 에너지 자원의 통합은 공공 유틸리티에 점점 더 심각한 과제입니다.
지난 10년 동안 풍력과 태양 에너지의 비용이 급격히 감소했습니다. 많은 경우에 그들은 화석 연료에 비해 경쟁 우위를 가지고, 특히 그리드 규모에 배포 할 때. 월마트, 타겟, 아마존 과 같은 기업들이 창고와 소매점에 많은 수의 태양광 패널을 설치했다는 사실이 입증된 바와 같이 상업 및 산업 규모의 설치도 매우 경제적입니다. 해상 풍력 에너지와 비고정 태양전지 패널 기술의 지속적인 발전과 함께 재생 가능 에너지의 적용 가능한 지점도 확대되고 있습니다.
계속 확장되는 주거용 태양광 용량과 함께 유틸리티의 또 다른 과제는 분산 에너지의 통합이 통제되지 않는다는 것입니다. 일부 주에서는 미터에서 생성된 전기 뒤에 그물 계량 또는 사료 요금에 필수 규정을 적용하여 복잡성을 추가하고 유틸리티 수익에 영향을 미칩니다.
또 다른 주요 과제는 기후 변화와 관련이 있습니다: 그리드 인프라의 안전성과 신뢰성. 최근 캘리포니아의 산불과 PG&E의 파산은 극단적인 날씨와 기후 변화가 전력망에 어떤 영향을 미칠지 에 대한 초기 징후입니다. PG&E는 현재도 장비, 고객 및 산림을 보호하기 위해 예방 대규모 정전을 실시하고 있습니다.
이 조합에 추가된 또 다른 리소스는 에너지 저장입니다. 에너지 저장은 펌핑 된 저장 장치, 대형 플라이 휠, 해저 가압 에어백, 거대한 콘크리트 블록을 들어 올리는 크레인등 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 이러한 옵션 중 대부분은 비용을 절감하거나 매우 구체적인 지리적 특징을 필요로 하기 위해 대규모 구성이 필요합니다.
가장 눈에 띄고 빠르게 성장하는 에너지 저장 기술은 배터리입니다. 배터리는 확장성이 뛰어나며 가정용 규모에서 발전소 규모까지 사용할 수 있습니다. 또한 광범위한 환경 평가, 인프라 건설 및 기존 발전소와 같은 현지 규정을 고려하지 않고도 거의 모든 위치에 배치할 수 있습니다. 결국, 기업들은 화석 연료 발전을 계획하고 지원하는 데 필요한 수십 년과 는 대조적으로 불과 6 개월 만에 대형 배터리를 설치할 수 있음을 확인했습니다.
에너지 저장은 간헐적인 재생 에너지와 결합될 때 특히 많은 이점을 제공합니다. 에너지 저장의 가장 명백한 사용은 에너지 차익 거래입니다. 전기 가격이 낮으면 전기 가격이 높을 때 에너지를 저장한 다음 그리드로 다시 전송됩니다. 화창한 날에는 태양광(PV) 소스가 과도한 전력을 생성할 때 전기가 저장 요소로 유입되어 이러한 "반드시 소비해야 하는" 자원을 최대한 활용할 수 있습니다. 밤에는 태양광 발전이 감소하면 배터리가 손실된 전력을 공급하고 기본 부하 발전이 증가합니다. 따라서 많은 대규모 배터리 시설이 태양광 발전소와 동일한 위치에 배치됩니다.
화재 위험이 높을 때 PG&E가 고객을 차단하면 배터리와 태양전지 판넬이 정전으로부터 가정과 기업을 보호하여 중요한 프로세스가 실행되고 음식이 손상되지 않도록 합니다. 또한, 전력 사업자는 현재 수요에 따라 전기를 생성, 저장 및 전송하는 "가상 발전소"로 분산 에너지원을 조정하고 제어하고 있습니다. 경우에 따라 전기 부하가 사용량이 없는 시간으로 이동하는 수요 응답이 포함됩니다.
풍력, 태양광 및 배터리 소스를 그리드에 연결하는 핵심 인터페이스는 인버터입니다. 간단히 말해서 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고 그리드의 60Hz 전기 주파수와 동기화합니다. 도 1은 그리드에 연결된 태양전지 패널의 단순화된 다이어그램을 나타내며 인버터의 구조에 초점을 맞추고 있다. 단방향 및 양방향 및 다단계 인버터 다중 토폴로지 구조를 포함하여 많은 스타일의 인버터가 있습니다. 각 토폴로지에는 특정 상황에서 고유한 장점과 단점이 있습니다. 인버터의 핵심 구성 요소는 IBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)로 그림에 표시된 전원 스위치입니다.
인버터: 인버터
AC그리드: AC 그리드
인버터는 마이크로프로세서, 적절한 감지 및 피드백 및 올바른 알고리즘을 사용하여 전기 에너지를 저장하고 방출하는 것뿐만 아니라 그리드에 다양한 서비스를 제공합니다. 한 가지 예로는 전력 품질을 유지하기 위한 전압 지원, 주파수 조절 및 고조파 감소가 있습니다. 분산 에너지는 전기 에너지가 발전에 가깝게 사용되기 때문에 전력 전송 및 배전 네트워크의 부하를 줄일 수 있습니다. 이렇게 하면 전력망의 변형과 혼잡을 줄이고 전력선의 업그레이드도 연기할 수 있습니다.
많은 양의 전력이 인버터를 통과하면 AC와 DC 전력 간의 변환이 매우 효율적이어야 합니다. 실제로 상업용 인버터의 최고 효율은 96-98%입니다. 그러나 그리드 운영자는 에너지 효율의 작은 변화는 여전히 많은 전기를 의미하기 때문에 특히 유틸리티의 규모에 더 높은 에너지 효율을 원합니다.
이러한 에너지 효율 수준을 달성하기 위해 전력 장치는 손실이 매우 낮어야 합니다. 오늘날 IGBT는 이러한 응용 프로그램의 주요 스위치가 되었습니다. 그러나 IGBT의 전도 전류는 수천 볼트의 전압을 차단하여 수백 개의 암퍼입니다. 휴대 전화 및 데이터 센터를 위한 고성능 컴퓨팅 칩을 제조하는 데 사용되는 것과 유사한 공정을 사용하여 실리콘으로 만들어졌습니다.
그러나 새로운 재료는 더 높은 성능, 높은 에너지 효율 및 높은 신뢰성을 달성할 것으로 예상됩니다. 구체적으로, 실리콘 카바이드(SiC)는 미래의 소재이다. SiC 전력 전자 장치는 유사한 실리콘 장치보다 전도 및 스위칭 손실이 낮습니다. 전환의 첫 번째 단계는 항병렬로 IGBT에 연결되는 도 1에 도시된 바와 같이 낮은 수준의 다이오드가 포함됩니다. 실리콘 다이오드를 SiC 다이오드로 교체하면 스위칭 시 손실을 줄이고 오버슈트를 줄일 수 있어 인버터의 스트레스를 줄일 수 있습니다. SiC 다이오드는 실리콘 다이오드보다 비싸지만 방열판과 시스템 크기가 작을수록 전체 시스템 비용을 줄일 수 있습니다.
SiCMOSFET는 전환의 다음 단계입니다. SiC MOSFET의 스위칭 속도는 실리콘 IGBT보다 훨씬 빠르기 때문에 태양광 발전 시스템의 부스트 단계에서의 사용은 더 큰 이점을 제공합니다. 일반적으로 DC-DC 컨버터는 태양전지 패널의 출력 전압을 증가시키는 데 사용됩니다. SiC MOSFET는 더 빠르게 전환하여 부스트 단계에서 인덕터와 같은 고가의 패시브 부품의 크기를 줄이고 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
ON Semiconductor는 다양한 인버터의 전압 및 전류 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 IGBT, SiC 다이오드 및 SiC MOSFET를 제공합니다. 가장 인기있는 것은 작은 크기, 쉬운 디자인 및 효율적인 열 방출을 달성하기 위해 함께 많은 다른 전원 스위치와 다이오드를 포장 전원 모듈입니다. ON Semiconductor는 주요 전력 전자 장치 외에도 게이트 드라이버, 갈바닉 절연 및 고성능 작동 앰프를 제공하여 시스템을 완성합니다.
재생 에너지 및 에너지 저장 기술의 개선과 비용 절감으로 전력망의 "역변화"는 점점 더 빠른 속도로 진행되고 있습니다. 인버터는 탄소 배출과 오염을 줄이는 것 외에도 보다 유연하고 참여적인 전력망을 지원하여 소비자와 생산자 간의 경계를 흐리게 합니다. 전력 회사의 올바른 제어 및 조정은 전력 품질을 개선하고 업그레이드 비용을 절감하며 사용자에게 보다 안정적인 서비스를 제공할 수 있습니다. 전력 전자 장치는 중요한 인프라를 업데이트할 수 있는 핵심 기술입니다.