以半导体重新定义电网

在迈向智慧电网发展的过程中，半导体技术能够让电网的反应更加敏锐，进而有效地管理电力供应和需求。
发电和配电的方式正在转变。智慧电网技术的出现促进了再生能源、储能，以及电网之间的整合。而电网这过去的一百多年来并未发生过重大变化。

 
图1 : 半导体在重新设计和改造的电网系统中发挥着关键作用，推动了智慧电网的出现，从而提高了电力系统的效率、灵活性和稳健性。
在迈向智慧电网发展的过程中，半导体技术走在前端。其有助于改善公共事业和客户，以及电网和营运商之间共享用电的使用信息。它们使电网的反应能够更加敏锐，进而有效地管理电力供应和需求。

建立能源网络
智能电网架构的基本特征是能源既可以从电网流出和流入。网络中的每个节点都有可能作为电源（提供电力）或电汇（消耗电力）。例如，智慧电网节点可以安装太阳能电池板。当太阳光不足时，节点依靠电网自动补足电力缺口。
反之，当节点的太阳能资源产生多余电力时，电网可以将其抽走，供其他节点使用。节点上可能会有一个电池储备，可以将能量储存起来以供日后使用。透过使用基于半导体的智能技术，可以管理电池储备的运作，以因应需求而自电网取得电力或将电力输入电网。

汽车电气化的影响
随着家电和电子产品的数量日益增加，全球用电量也不断提升。同时，电动汽车普及自然而然地增加了民众对于电力需求。电动汽车充电站在智慧电网作为节点。
当电动汽车充电时，其会吸取电力为电池补充电能，它们还可以作为电源。当电动汽车电池在夜间闲置时可以为电网供电。智慧电网透过电网和电动汽车电池之间进行数字通讯，使电动汽车成为电力资源。如此一来，电动汽车就能像储能系统一样，提供电网服务。

电网稳定化
无论是智能电网或传统电网中，电力都是以一定频率（通常为 50 或 60 Hz）的交流电压透过电线传输。虽然传统电网通常只有一个电源，而现在则有多种电源。每个电源必须以相同的频率为电网供电。它们还必须完全同步，以免造成线路不稳定而导致停电。
受益于近期快速、强大的数字半导体发展，现在可以实时控制和修改高电力在线传输的大量电力。若缺少了此一关键的贡献，就不可能维持整个电网的恒定频率。

需求控制
智能电网的关键特性之一，在于能够自动降低节点的耗电量。当需求提升或再生能源供应不足等情况下，就会自动降低节点的耗电量。当有更多再生能源输入时，就可以为节点传输更多电力。
与此同时，电池储能还有助于平衡电力峰值，因此在任何时候都可以使用储存的能量来抵消受限的再生能源输入。透过这两种机制，就可以降低对化石燃料的依赖，让再生资源在发电中发挥更大的作用。

协助客户做出更永续的选择
上述讨论的新电网实施方案，不仅可让电力公司、甚至可帮助消费者变得更智慧。透过智慧电表，消费者就可以即知道自己的用电量、电费以及再生能源电力的供应情况，进而调整行为。这样，他们不仅可以从中节省费用，还可以从再生能源中取得电力。

能源岛和微型电网
一些住宅或企业可以组成一个微型电网，并以一个接入点连入智慧电网。将太阳能电池数组和电池系统等昂贵的资产集中起来，就可以节省基础建设的成本。建立微型电网可适用于较大规模的社群规模，如校园或医院。
利用本地电池来储能，对电网供电的需求就会减少。这是对永续发展的巨大贡献。透过电池储存和再生能源，微型电网就可以尽可能「脱离电网 」来运作，以减轻电力分配线路的压力。

使用数字设备管理智能电网运作
智能电网的复杂功能需要许多电子组件：用于监测电流、电压、温度等关键参数的传感器。为控制组件提供数据的安全通讯芯片，以及控制组件中可对智能电网功能进行实时调整的微控制器。
基本智能电网功能所需的半导体组件通常可以组合使用。这种整合度更高的单芯片系统（SoC）解决方案相较众多独立组件更小，而且更便于使用。这种 SoC 通常整合了复杂的算法，可使各个子部分相互协调运作，以提升电网的效率。
数字通讯交换也可透过电力线进行，无需昂贵的专用通讯基础建设即可到达任何电网节点。此一过程被称为电力线通讯（Power Line Communication；PLC）。


图2 : 数字通讯交换可透过电力线到达任何电网节点。

意法半导体（STMicroelectronics）是 PLC 调制解调器制造商，为智能电网部署提供核心技术。ST亦是无线通信领域的主要生产商，在探索新兴蜂巢式网络（物联网）方法的同时，还率先采用 PLC 和无线混合解决方案。

精密半导体因应智能量表的挑战
事实上，ST利用20多年的经验，改善从发电、配电，到消费之整个能源供应的效率。ST的电力线通讯整合方案，优化了电力传输并推动电网双向通讯，达到终端用户的能源管理，并最大限度地降低电力中断的状况发生，只输送所需的电量。ST还为能源、水、热和燃气提供智慧量表解决方案。全球已部署逾1.5亿个的智慧电表中采用ST的半导体组件，而ST亦积极推动所有主要的工业和标准化的智慧电网计划。
世界各国政府和电力公司已经认知到传统电网必须被更高效、更灵活，而且更智能的能源分配网络所取代。其结果将会降低电力公司和使用者的成本，同时还能提供更可靠的电力，并减少碳排放。