推动现代能源系统的控制
【导读】减少二氧化碳排放已成为全球目标，并带动了许多新技术的开发和研究。需要提高整个动力链的效率和新的能源存储方法。
为了用可再生能源替代化石燃料，可以使用太阳能、风能、水能、生物质能以及地热能。虽然生物质能和地热能提供恒定的能源产量，但太阳、风或波浪产生的能源却并非如此。白天产生的太阳能必须储存起来供夜间使用。这同样适用于风能，因为涡轮机在无风时不再提供能量。
所有这些新技术都需要电子控制电路，而电子控制电路需要从各种来源供电。下面的文章将解释挑战和解决方案。
增长的市场之一是电动汽车，例如，欧盟已决定 2035 年之后不得销售配备传统内燃机的新车。其他地区也已决定类似的禁令，而向电动汽车的转变将需要许多 由全球不同交流电网供电的公共和私人充电站（图 1）。
全球交流电源电压范围为 85Vac 至 264Vac，当今许多电源都可以在此整个范围内工作。
能源应用中的另一个挑战来自以下事实：充电器或壁箱等设备直接连接到保险丝面板。这意味着它们比通过电缆和插头连接到插座的设备更容易受到电网瞬变的影响，因此必须符合具有 4kVac 隔离的过电压类别 III (OCV III)（图 2）。这也适用于充电器或壁箱内使用的辅助电源。
这些系统还必须能够容忍电源接线或中性线的故障。安装过程中意外连接的相位，或者中性线（即使是在附近）的断路，都可能导致系统不平衡，从而导致更高的电压。因此，会监控电源输入电压，以便在发生此类故障时断开昂贵的高功率区块。
该监控电路必须在所有情况下都能工作，因此 P-Duke 提供了一系列小型 AC/DC 转换器，不仅符合 OVC III 标准，而且还可以在 85 至 530Vac 的宽电压范围内运行。即使某个相错误地连接到中性线，辅助电源和监控电路也会工作并可以保护功率级。
现代系统应该准备好集成到智能电网或智能家居环境中。这允许控制系统以匹配电网中电力的实际可用性。当有剩余能量时，汽车电池可以充电，并充当稳定电网的能量缓冲器。高能耗的家用电器只有在有足够的能源时才会开启。
这意味着需要更多的相间来与电网或智能家居控制器进行通信。相间、显示器、触摸板或继电器的电源电压范围为 3.3V 至 24V，并且可以通过小型隔离或非隔离转换器从辅助电源电压总线生成（图 3）。
正如文章开头提到的，由于能源流动的非恒定性，可再生能源的整合还需要扩大存储选择。如今，水力发电厂已用于此目的，在能量过剩时将水抽回水库。然而，它们的容量是有限的，存储能量最明显的方法是使用电池。
铅酸电池已经使用了几十年，但重量重，能量密度相对较低，充电过程缓慢，只能充电约300-600次。
与铅酸电池相比，锂电池有几个优点。例如，它们不仅比铅酸电池更轻、更小，而且充电速度更快，可以达到数千个充电周期。这使得它们非常适合在移动设备和电动汽车中使用。
但他们需要的材料的可用性有限，而且其中一些材料是在有问题的条件下获得的。每千瓦时的容量，典型的电动汽车电池不仅需要 120 - 180 克锂，还需要一些其他可用量有限的材料。根据德国汽车俱乐部ADAC的研究，一辆汽车的50kWh电池含有约4公斤锂、11公斤锰、12公斤钴、12公斤镍和33公斤石墨。
为了将机动性从内燃机转向电动驱动，未来将需要数十万吨这些材料。回收这种材料的方法很复杂，据专家称，部分方法仍处于开发或测试阶段。因此，人们正在寻找替代方案，不仅在电池技术方面，而且在电能存储方式方面。
您可能听说过基于铝-硫、钠离子、碳-铜或铁-氧的电池。目前尚未面向大众市场推出，这些是使用大量可用材料的选择，而且开采问题也较少。
对于非移动应用，电池的尺寸和重量也不是那么重要。在风力涡轮机塔的底部，即使是较大的电池也有足够的空间。当电网能量过剩时，涡轮机产生的能量可以储存在那里，并在能量短缺时馈入电网。通常，能源只需在电网中临时存储 12 至 24 小时。
但每种电池技术都有不同的电压，如果有人想要设计与应用中使用的不同电池技术和电池数量兼容的面向未来的系统，这是一个真正的挑战。因此，P-Duke 等电源制造商提供输入电压范围为 2:1 至 12:1 的转换器。通过这些转换器，可以涵盖许多不同的电池技术。
超级电容器是电池的一种有趣的替代品，因为它们具有更长的使用寿命、高达 100 万次的充电周期和非常高的充电电流。与电池不同，超级电容器不会因深度放电而损坏。它们非常适合电力需求少于 1-2 分钟但充电周期次数非常多的应用。为什么不在仓库中的运输机器人上使用超级电容器，因为它只能短距离行驶，然后可以在几秒钟内充电。与电池不同，超级电容器的输出电压很大程度上取决于充电状态。由于大多数电子负载需要稳定的电压，因此需要具有非常宽输入范围的DC/DC转换器。
还有许多其他方式来储存能量。通过电解可以从空气中获得氢气。在进一步的工艺步骤中，可以生产天然气的主要成分甲烷。这两种气体都可以储存、运输和用作燃料，例如在燃料电池中，这是另一种新兴技术。如今，甚至无人机也在使用燃料电池。
存储机械能供以后使用的其他方法是气压和飞轮存储装置。15 多年前，美国的一家初创公司希望将压缩空气用于风力涡轮机，但由于解决方案过于复杂且效率低下而从未实现。但仍有一些项目致力于将风力涡轮机产生的多余能量储存在压缩空气中。
1950年，第一批陀螺巴士上市，能够回收制动能量，但每4-6公里需要一个充电站，不适合现代公共交通。如今，飞轮存储设备主要用于短时间提供高功率，例如稳定电网。
这些只是几个例子； 能源市场很复杂，有数千种选择，几乎每天都会出现新的想法和技术，每种想法和技术都对所需的电源提出了不同的要求。此外，为了实现节能、广泛使用，现代系统必须相互通信。所有这些系统都需要从各种来源产生稳压电源电压。
交流电网电压水平和瞬态规范已设定多年，P-DUKE 等公司提供各种满足各种要求的交流/直流电源解决方案（图 4，P-DUKE 的交流/直流解决方案）
对于直流电源来说，情况更加复杂，因为新系统预计将进入市场。但今天已有解决方案。在电信和铁路市场，不同的电池电压已经使用了几十年。这些市场中的系统制造商希望提供一种解决方案，因此 P-DUKE 等电源制造商设计的转换器系列甚至涵盖铁路应用中 16V 至 160V 的极宽输入范围，并实现高达 200W 的功率水平。这些转换器的标准输出电压范围为 5V 至 53V，可用于所有类型的能源市场应用中的多种不同电池电压。
LAN、WLAN、GSM 和其他通信模块、安全和监控设备、显示器、触摸面板或继电器，它们都需要稳压电源电压，无论是否与内部控制电路隔离。凭借广泛的转换器，设计人员应该可以轻松找到即用型解决方案。（图6）
所有这些转换器模块都易于部署，因此不仅在设计时间而且在系统输入、输出或电源规格稍后发生变化时都可以提供即插即用的解决方案。这使得每一个设计都面向未来，并为新兴市场做好准备，该市场拥有许多新机遇，但也存在许多未知数。
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