智能电网的智能元件

日期:2011-10-26

  作者:Helmut Doenges,营销总监,Magnetec

  能源效率与先进磁性合金——智能电网的质量开始于其材料的质量。

  今天,“质量有它的价格”已是老生常谈,而在现代生活的许多领域需要重新建立质量。其中一个领域是能源供应。

  我们目前的时代,正在经历巨大的变化:在不久的将来,供电系统将被迫蜕变成“智能电网”,而“能源效率”、“可再生能源”和“能源管理”等流行语将抢尽风头——成为一般电网运营商和电力公司的重点。在所有这一切中,被动元件,如电阻器、电容器或电感器生产商对整个智能电网系统质量的作用不应被低估。能源供应公司和制造商必须考虑所发能量和电源、被动元件的质量,此外,软磁性元件对高效电源系统越来越重要。电力公司需要越来越精确的信息,涉及配电网、方法、范围、质量和供应源,以及不同来源可以智能连接的方式。这种重要信息的先决条件是不仅使用高性能电表,而且也要有高效的电源系统。因此,智能电网及其元件面临巨大的挑战,我们会做的很好,以寻求其所有元件达到尽可能最高的质量,以确保未来的智能电网有一个效率一致的基础。

  智能电网需要现代化的被动元件

  “检测与计量”经常被用来表示所有重要的方面,如电网的稳定性、电磁能力或能量防盗;然而,它很少与电力电子等领域的有效器件需要联系在一起。高精度水平的信息或效率潜力发现的要求很少。但这里的问题不仅是测量精度,还延伸到最小损耗的发电。此外,如果开发人员和设计熟悉现代磁性材料的好处,并意识到其范围广泛的潜在应用,高效的器件和系统的长期可持续发展就会成功。

  未来的智能电网必须具备的特点

  效率是全部和最终的目标:理解了能源价格的上涨,就要求日益提高的能源效率。我们的目标是降低使用成本。然而,当有很少或根本没有低损耗材料知识时,在实践中经常会出现问题,开发商往往不熟悉可以通过使用正确的材料开发低损耗的电网用电源和转换器。因此,适当的材料、智能电网的最小积木结构的专业知识正迅速受到推崇。未来的智能电网具有“生态友好”、“高性能”和“高度灵活”的特点,必须面对一系列挑战,必须掌握未来与电网交互的元件,实现设计的鲁棒性和效率。

  正确的电网技术需要正确的软磁材料

  监测和远程控制智能电网的电流互感器

  最重要的是,智能电网必须应付的将不再是少数从中央供应商的采购电力,而是会来自分散的多元化来源——包括消费者本身,他们从太阳能电站、风力涡轮机或CHP 电站发电并馈入电网,从而造成电网波动。随着馈入源和新能源形式的增长,这些波动可能会增加。在2010 年,德国可再生能源在整个电力平衡中的比例同比上升了几乎10%至17%。然而,生态电源的不一致性已成为一个问题;风会有平静的时候,阳光也会被云层遮挡。挑战在未来只会增加。德国政府已宣布到2050 年,其最低目标是80%的电力来自可再生能源。世界各地的许多国家,尤其是在福岛县的核危机后,也在纷纷效仿。

  变化将不仅是馈入电网电力的形式,而且也包括数量:来自越来越多风力涡轮机的电力,尤其是欧洲沿海地区,将加入南部的无数太阳能电源屋顶板的电力,要传输所有这些电力,意味着电网巨大的新负担。今天,电源功率密度正在增加,太阳能逆变器产生的温度也在上升,迫使器件的设计者解决这一散热问题。

  除了被动元件的散热性能,所使用的材料必须保证足够的长期稳定。十到二十年的寿命是智能电网电源很常见的指标;风力涡轮机,尤其是离岸涡轮机的维修过程非常困难和复杂,往往有更严格的要求。

  eMobility——电网的新消费者

  未来的电网是也面临着来自消费者方面的新挑战。汽车行业也在推进跨越式发展,着手探索新的发展趋势。从混合驱动到全电动驱动汽车的概念目前还在实验阶段——问题就在这里,现有的电力配电网的能力远远低于电动车行业额外的功率消耗的要求。新的概念有几个例子,电动驱动技术、电力电子元件、高性能电池和与能源基础设施的集成。电动车辆充电器的开发是另一个具体例子,主要是为了实现高功率密度和超过97%的效率。再次,我们最终面对的是被动元件:如此规模的规格只能通过新类型半导体的超低导通损耗和同时使用低损耗的磁性材料来实现。

  仍有很多事要做

  升级今天的电网到智能电网面临着很少时间的挑战。原材料价格的上涨、化石燃料即将枯竭,最近的核辩论,都导致了逐步的核淘汰的具体计划,支持可再生能源的增长正在转变成新形式能源管理的优先问题。除了加速电网的转换和升级过程,相应的法规和标准将很快实施,以管理和优化现有的配电网,并引进高效、高精度的监测。

  智能电网中电力电子器件的共模扼流圈

  监测涉及控制仪器的使用,以使电网运营商预测作为短期增加电站容量的风能和太阳能。因此,我们需要的是一种有意义的硬件和软件的互动,配合先进的计量基础设施(AMI)的智能电表和远程抄表。这个部分特别需要高精度和耐用的元件来实现电能计量。有软磁芯电流互感器特别适合这种应用。

  高度工业化国家,如德国和日本目前的情况很独特,能够在未来电网的扩展和升级中起技术领导者的作用。大多数先进电力电子元件生产商可以保证稳定性和可靠性,并已准备好面对这些挑战。

  目标必须是使创建智能电网的所有这些组件令人信服,例如以上提到的元件,逆变器制造商是发电机和电网元件之间的关键“转换器”,他们从一开始就应该使用正确的和合适的元件开发自己的产品,以消除不对称和干扰带来的意外风险。

  这实际上是测量旨在提高太阳能电站或风力涡轮机并网逆变器的效率。解决这个问题是用效率优化的专业解决方案来取代广泛的标准元件,尤其是必不可少的EMC 滤波器中的扼流圈等电感元件。

  铁氧体磁芯是迄今为止EMC 滤波器的共模扼流圈中使用最广泛的标准元件。用更高质量的纳米晶(nanocrystalline)带绕磁芯来替代可以增加磁导率达五倍,同时生产出更紧凑的设计。结果是扼流圈损耗大幅下降,通常高达50%。

  Cool Blue 磁芯可避免破坏性的轴承电流

  纳米晶材料

  原料短缺导致了软磁合金中使用的许多基本金属的价格飞涨。然而,纳米晶材料中90%是非常便宜的原材料铁和硅,这方面的发展几乎不受影响。他们往往可以代表成本较低的替代方案,但也提供了技术优势,如以上扼流圈的例子所述。

  现代电力电子技术的发展趋势正朝着更高频率和更紧凑设计或更大功率密度发展。因此,近年来在工业电力电子技术应用中纳米晶磁芯的应用需求将继续增加。多种应用中的各种磁芯、变压器和扼流圈包括以下内容,所有这一切都可以在智能电网中看到:

  • 电力电子元件(EMC 滤波器、逆变器和脉冲电源)

  • 安装技术(RCCB、保护继电器用触发变压器或线路保护装置和电子电表)

  • 可再生能源(太阳能逆变器和风力涡轮机)

  • 固定和移动电动车充电装置

  软磁纳米晶合金FeCuNbSiB 已经问世几年,NANOPERM®、FINEMET® 和VITROPERM® 品牌。相对简单而又革命性的生产方法是用低成本材料生产硅和铁的超薄条。这提供了一种具有优异软磁性能的新一代独特材料。单一材料即可可以提供与硅铸铁大致相同的高感应摆幅以及优于铁素体的高频特性(低损耗、高渗透性)。这种纳米晶合金还提供了比非晶合金更好的优越性。由于其成本高,对环境的影响,今天非晶合金一般很少使用,只用于特殊应用。

  应用现状和未来领域

  正如前面提到的,新材料应用的主要领域是制造用于EMC 滤波器的共模扼流圈,用在变速驱动器(变频器)的各种脉冲电源。在这方面它提供了显著的体积优势,因为其有关的材料特性(渗透率和饱和电感)明显高于铁素体。Cool-Blue® 磁芯可以防止有害的电机轴承电流,特别是在高输出的逆变器系统中,如1 - 3 兆瓦的风力发电机组。

  已经实现的进一步应用包括用于输出范围从几百瓦到几百千瓦的开关式电源的电源变压器、电流限制磁芯、磁放大器扼流圈、IGBT 晶体管驱动变压器、电源独立RCCB、电流检测器和新型电子电表的电流变压器。

  高科技制造工艺

  制造工艺采用快速凝固技术。用约1300℃的温度对充电的液态金属施加50-200 公斤重力,通过一个特殊形状的陶瓷喷嘴直接浇到一个快速旋转的水冷铜铸造轮上,使其在千分之一秒内凝固。在这种情况下,以超过100 公里/ 小时的速度将液态金属挤压成只有20 微米厚的连续金属带。换句话说,这个产品是在相对紧凑的生产设施中一次处理的,省去了昂贵的冷或热轧工序。然后,用金属带材生产的带绕磁芯在惰性气体中的磁场内以相对与磁带纵向或横向方向退火。在这个不可逆的热处理中,材料最初的无定形结构最终形成有10 纳米典型晶粒尺寸的微观晶体——因此命名为“纳米晶”

  MAGNETEC 是纳米晶元件的生产商,如电源和电力电子逆变器的滤波扼流圈。通过使用采用带绕NANOPERM® 磁芯的非常紧凑的EMC 扼流圈,MAGNETEC 能够显著改善EMI 滤波驱动技术,如太阳能逆变器和变频器。MAGNETEC 过滤器已多年技术国家的最先进的选择 - 尤其是对非常小,需要设计的最大衰减。

  结论

  这里描述的智能电网的构建元件对实现未来的智能电网具有潜在影响,也将在符合当前和未来的发展要求方面发挥很大的作用,并因此确保可靠、稳定的能源管理。智能电网及其元件面临巨大的挑战,我们会做的很好,以寻求其所有元件达到尽可能最高的质量,以确保未来的智能电网有一个效率一致的基础。

  www.magnetec.de

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