克服新興智能電網(wǎng)的測(cè)試挑戰(zhàn)
時(shí)間：2017-05-10 14:34:24
作者：Ken Christensen
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“智能電網(wǎng)(smart grid)”的建構(gòu)速度正在迅速加快中。智能電網(wǎng)曾經(jīng)只是電力工程師和電力公司心中的一個(gè)愿景，如今正快速成形中。在實(shí)現(xiàn)真正智能電網(wǎng)的過(guò)程中，主要的驅(qū)動(dòng)力就是采納了分布式能源(DER)。在全世界各個(gè)電力公司的發(fā)電結(jié)構(gòu)中，并網(wǎng)的分布式發(fā)電是一種越來(lái)越重要的方式。
當(dāng)我們裝設(shè)了更多的再生能源發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)備，并且達(dá)到預(yù)期的發(fā)電量時(shí)，這些DER系統(tǒng)的運(yùn)行，不僅證明其為一種可用的電力來(lái)源，同時(shí)也有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定。通過(guò)智能的方式調(diào)配和控制這些DER所產(chǎn)出的電力，在本質(zhì)上就是智能電網(wǎng)。
諸如風(fēng)力和太陽(yáng)能逆變器、電池儲(chǔ)能、柴油發(fā)電以及電動(dòng)車(chē)(EV)雙向充電器等DER，當(dāng)它們通過(guò)智能的方式進(jìn)行調(diào)配和控制時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)和消費(fèi)者都能因此受惠。這些可控制的并聯(lián)發(fā)電機(jī)通常就稱(chēng)為微電網(wǎng)。微電網(wǎng)在運(yùn)作上可以連接到電網(wǎng)，也可以從電網(wǎng)斷開(kāi)進(jìn)入“孤島(island)”模式。微電網(wǎng)的規(guī)模從住宅應(yīng)用所需的幾kW，到小區(qū)應(yīng)用的數(shù)十MW，例如圣地亞哥天然氣與電力公司(San Diego Gas & Electric)的波瑞哥泉(Berrego Springs)微電網(wǎng)。
對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，這些具有新型電力電子設(shè)計(jì)的智能DER，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以調(diào)節(jié)有效和無(wú)功功率。這樣的功能可以讓電網(wǎng)企業(yè)調(diào)整有效功率以減緩異常頻率的情況，還能在異常電壓的情況下調(diào)整無(wú)功功率以輔助電網(wǎng)。
電力公司和政府機(jī)構(gòu)也看到了微電網(wǎng)的極大優(yōu)點(diǎn)。微電網(wǎng)可以從電網(wǎng)斷開(kāi)，也可以在緊急狀態(tài)和停電時(shí)提供電力。發(fā)生天然災(zāi)害時(shí)，學(xué)校和商店的微電網(wǎng)可以為照明、通信和食品安全用途提供緊急電源。舉例來(lái)說(shuō)，像是先進(jìn)太陽(yáng)能公司(Advanced Solar Products)為紐澤西州貝永市(Bayonne, NJ)市中心的小區(qū)學(xué)校所設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)。在珊迪颶風(fēng)期間，此微電網(wǎng)為通信和照明用途提供了好幾天的電力。
消費(fèi)者也可以受惠于微電網(wǎng)。通過(guò)將電池儲(chǔ)能及電動(dòng)車(chē)與太陽(yáng)能進(jìn)行整合，智能微電網(wǎng)可用來(lái)降低或消除尖峰需求的激增，并且在中午的峰值發(fā)電時(shí)儲(chǔ)存多余的能源后在稍晚使用，此時(shí)電力公司收取的時(shí)間電價(jià)(TOU)可能會(huì)接近中午的兩倍。
在特斯拉(Tesla)首席執(zhí)行官Elon Musk近期發(fā)表的談話(huà)中，他描繪了一個(gè)愿景：其SolarCity公司的太陽(yáng)能發(fā)電將與Tesla電動(dòng)車(chē)的車(chē)庫(kù)充電(和放電)，以及Tesla PowerWall電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合在一起，共同運(yùn)作而為將能源產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。他巧妙地說(shuō)明了其中的共生關(guān)系：“太陽(yáng)能和電池就像是花生醬和果醬一樣搭配”。就在Musk談到微電網(wǎng)的同一周，紐約市的電力供貨商聯(lián)合愛(ài)迪生(ConEd)宣布將延后12億美元的子系統(tǒng)升級(jí)，改為部署DER以抵銷(xiāo)尖峰用電(需要增加大型基礎(chǔ)設(shè)施)。
DER的成本在過(guò)去5年來(lái)已經(jīng)大幅降低，讓再生能源發(fā)電的成本(平準(zhǔn)化能源成本—LCOE)與傳統(tǒng)發(fā)電不相上下。事實(shí)上，在最近針對(duì)DER的文章和討論中，其內(nèi)容完全著重于整合再生能源與智能電網(wǎng)對(duì)財(cái)務(wù)面的正向影響，而未提及拯救地球的附帶效益！
現(xiàn)在的挑戰(zhàn)在于DER的制造商，他們必須測(cè)試和驗(yàn)證其產(chǎn)品能否用于電網(wǎng)。許多供貨商從未開(kāi)發(fā)出一種產(chǎn)品可以符合電力公司及政府機(jī)構(gòu)的安全標(biāo)準(zhǔn)和電網(wǎng)互動(dòng)要求。測(cè)試及認(rèn)證DER在時(shí)間和資源上的挑戰(zhàn)，對(duì)DER供貨商來(lái)說(shuō)是一個(gè)不斷增加的負(fù)擔(dān)。最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室有能力完整測(cè)試各式各樣的環(huán)境條件、電網(wǎng)的電氣特性以及系統(tǒng)組件。
如此復(fù)雜的一組變動(dòng)參數(shù)不可能在短時(shí)間內(nèi)完成真實(shí)狀態(tài)的測(cè)試。舉例來(lái)說(shuō)，要在早晨啟動(dòng)狀態(tài)下測(cè)試太陽(yáng)能逆變器的效能時(shí)，一天就只能測(cè)試一次，而且只進(jìn)行一組天氣條件和一種太陽(yáng)能模塊。再者，如果測(cè)試條件不正確或是測(cè)試配置有問(wèn)題的話(huà)，該測(cè)試就必須等待合適的條件出現(xiàn)時(shí)才能再次進(jìn)行。DER供貨商若想抒解越來(lái)越高的時(shí)程壓力，那么在控制下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，就會(huì)是唯一合理可行的方式。
所有并網(wǎng)發(fā)電機(jī)都需要進(jìn)行一套完整的測(cè)試(參見(jiàn)表1)。在許多情況下，每個(gè)國(guó)家(有時(shí)是每家電力公司)都有其獨(dú)特的要求。這些測(cè)試可被區(qū)分為四種領(lǐng)域(每一種領(lǐng)域中，適用于北美太陽(yáng)能逆變器的范例列于括號(hào)中)：
表1：典型DER標(biāo)準(zhǔn)和電網(wǎng)要求
除此之外，分布式發(fā)電機(jī)供貨商還被要求在各種運(yùn)作條件下(包括設(shè)備的使用時(shí)間達(dá)到項(xiàng)目年限時(shí)，這通常是超過(guò)20年)，對(duì)發(fā)電機(jī)效能進(jìn)行完整的特性分析。工程師必須在所有的運(yùn)作條件下量測(cè)電力質(zhì)量、諧波、發(fā)電和電力轉(zhuǎn)換效率。
太陽(yáng)能逆變器是DER的絕佳范例。DER有時(shí)又稱(chēng)為分布式發(fā)電(DG)。在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能逆變器時(shí)，完整測(cè)試前述領(lǐng)域通常會(huì)耗費(fèi)掉30-40%的時(shí)間。太陽(yáng)能逆變器必須在最嚴(yán)苛的環(huán)境狀態(tài)下可靠地產(chǎn)生電力；從加拿大北部在一月時(shí)屋頂上的高吹雪，到美國(guó)西南部沙漠到了八月時(shí)的高吹沙。逆變器必須能偵測(cè)到異常的電壓和頻率狀態(tài)，由電網(wǎng)者自行決定要“穿越”或斷開(kāi)。
分析太陽(yáng)能發(fā)電廠的財(cái)務(wù)可行性時(shí)，最重要的一個(gè)考慮點(diǎn)，就是太陽(yáng)能逆變器進(jìn)行直流/交流(DC/AC)電力轉(zhuǎn)換效率最大化的程度。在發(fā)電機(jī)的壽命中，不到1%的發(fā)電量提升可能會(huì)增加幾百或幾千美元的能源，在電力公司規(guī)模的項(xiàng)目中甚至可達(dá)幾百萬(wàn)美元。在當(dāng)今能源經(jīng)濟(jì)的微薄利潤(rùn)下，這些財(cái)務(wù)收益經(jīng)常會(huì)影響到項(xiàng)目的可行性。
太陽(yáng)能逆變器總轉(zhuǎn)換效率的高低有兩大要素：最大功率追蹤(MPPT)效率，以及DC/AC電力轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能板所產(chǎn)生的電力取決于在I-V特性曲線上的運(yùn)作位置。如圖1所示為太陽(yáng)能板I-V曲線的范例。當(dāng)輻射增加時(shí)，太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電流就會(huì)變大。溫度上升時(shí)，電壓就會(huì)降低。一整天下來(lái)，溫度和輻射照度會(huì)不斷變化。逆變器內(nèi)建的控制韌體負(fù)責(zé)準(zhǔn)確而有效率地追蹤最大功率點(diǎn)(MPP)。在某種程度上，這些控制算法是每一種逆變器的“秘密配方”。
圖1：典型的太陽(yáng)能板I-V和功率曲線
Inverter MPPT: 逆變器MPPT
Current: 電流
Voltage: 電壓
Power: 功率
為了測(cè)試逆變器追蹤太陽(yáng)能數(shù)組最大功率點(diǎn)的能力，可以使用太陽(yáng)能光電(PV)數(shù)組仿真器，針對(duì)選用的數(shù)組技術(shù)仿真其特性。PV數(shù)組仿真器可以產(chǎn)生一條功率曲線，以符合特定太陽(yáng)能板的發(fā)電特性。每一種太陽(yáng)能板模型有其獨(dú)特的I-V曲線，取決于所采用的技術(shù)(薄膜、多晶硅等)，以及太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)特性。在嘗試測(cè)試每一種可能的太陽(yáng)能板搭配逆變器時(shí)，若未使用太陽(yáng)能數(shù)組仿真器的話(huà)，您可以想象其復(fù)雜度和成本會(huì)很高。
先進(jìn)的PV數(shù)組仿真器還可依照EN50530(量測(cè)MPP追蹤效能的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試并產(chǎn)生報(bào)告。EN50530協(xié)議會(huì)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式下運(yùn)用逆變器的MPP追蹤器，一致地量測(cè)逆變器的MPPT效率。EN50530完整測(cè)試需花費(fèi)將近7小時(shí)完成。若能自動(dòng)執(zhí)行EN50530協(xié)議測(cè)試和自動(dòng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的報(bào)告，就能有效提升測(cè)試工程師的效率。
圖2：Keysight N8900APV(60kW配置)
DC/AC電源轉(zhuǎn)換測(cè)試通常按照Sandia逆變器測(cè)試協(xié)議和IEC 61683，此種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義了電源調(diào)節(jié)器量測(cè)效率的程序。這些測(cè)試程序相當(dāng)復(fù)雜，需使用到環(huán)境試驗(yàn)室和精密量測(cè)儀器。如同所有的量測(cè)一樣，測(cè)試儀器的精密度必須比想要的量測(cè)精密度更高。最新型太陽(yáng)能逆變器的峰值轉(zhuǎn)換效率高于98%。而就轉(zhuǎn)換效率的量測(cè)而言，工程師不斷針對(duì)其設(shè)計(jì)嘗試取得0.1%的效率提升。因此，要進(jìn)行DC輸入和AC輸出的量測(cè)時(shí)，使用的電源分析儀至少必須具備0.05%的準(zhǔn)確度。
太陽(yáng)能逆變器技術(shù)不斷變化，增加了這些測(cè)試的復(fù)雜度。為了降低組件成本、安裝成本和i2T損耗，太陽(yáng)能數(shù)組的DC電壓正持續(xù)提高。新一代的太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)(包括太陽(yáng)能板和逆變器)運(yùn)作在1500Vdc。因此，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室必須升級(jí)其電源分析儀、太陽(yáng)能數(shù)組仿真器和電源供應(yīng)器，才能在此更高的DC電壓下工作。
是德科技(Keysight Technologies)研發(fā)出一套測(cè)試解決方案，可測(cè)試新一代的1500Vdc逆變器，以及600Vdc和1000Vdc逆變器。這種解決方案包含Keysight N8937APV PV數(shù)組仿真器(圖2)和Keysight IntegraVision PA2203A電源分析儀(圖3)，連接到12kW的三相太陽(yáng)能逆變器)。有了這種解決方案后，工程師可以仿真真實(shí)的環(huán)境狀態(tài)，并針對(duì)逆變器的各方面評(píng)估其效應(yīng)。若進(jìn)一步結(jié)合AC電網(wǎng)仿真器，此逆變器測(cè)試解決方案就可以讓工程師測(cè)試電力質(zhì)量問(wèn)題、發(fā)電機(jī)的功率和效率質(zhì)量等。
圖3：Keysight PA2203A四通道電源分析儀
測(cè)試DER的挑戰(zhàn)可能相當(dāng)復(fù)雜且棘手。研究微電網(wǎng)中的所有組件如何安全地互動(dòng)，并持續(xù)遵守嚴(yán)格的電網(wǎng)互動(dòng)要求，這些都大幅提升了測(cè)試工程師的工作復(fù)雜度。當(dāng)電網(wǎng)之中的微電網(wǎng)數(shù)量激增時(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)地，電網(wǎng)企業(yè)必須進(jìn)行的認(rèn)證測(cè)試將會(huì)更多。
電網(wǎng)企業(yè)的一個(gè)主要義務(wù)在于供應(yīng)干凈、可靠的電力給用戶(hù)。在將產(chǎn)品接至電網(wǎng)前，若沒(méi)有適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，那么電網(wǎng)的可靠度便會(huì)降低。未來(lái)，期待測(cè)試與量測(cè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商與這些設(shè)備的供貨商持續(xù)合作，在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中引領(lǐng)智能電網(wǎng)的發(fā)展。
