「智慧電網」(smart grid)的建構速度正在迅速加快中。智慧電網曾經只是電力工程師和電力公司心中的一個願景,如今正快速成型。在實現真正智慧電網的過程中,主要的驅動力量就是採納了分散式能源(distributed energy resources;DER)。在全世界各個電力公司的發電結構中,併網的分散式發電是一種越來越重要的方式。

當我們裝設了更多的再生能源發電系統和併網儲能設備,並且達到預期的發電量時,這些DER系統的運作,不僅證明其為一種可用的電力來源,同時也有助於電網的穩定。透過智慧的方式調配和控制這些DER所產出的電力,在本質上就是智慧電網。

諸如風力和太陽能逆變器、電池儲能、柴油發電以及電動車(EV)雙向充電器等DER,當它們透過智慧的方式進行調配和控制時,電網業者和消費者都能因此受惠。這些可控制的併聯發電機通常就稱為微電網。微電網在運作上可以連接到電網,也可以從電網斷開進入「孤島」(island)模式。微電網的規模從住宅應用所需的幾kW,到社區應用的數十MW,例如聖地牙哥天然氣與電力公司(San Diego Gas & Electric)的波瑞哥泉(Berrego Springs)微電網。

遠端控制

對於電網業者來說,這些具有新型電力電子設計的智慧DER,可以進行遠端控制以調節有效和無功功率。這樣的功能可以讓電網業者調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整無功功率以輔助電網。

電力公司和政府機構也看到了微電網的極大優點。微電網可以從電網斷開,也可以在緊急狀態和停電時提供電力。發生天然災害時,學校和商店的微電網可以為照明、通訊和食品安全用途提供緊急電源。舉例來說,像是先進太陽能公司(Advanced Solar Products)為紐澤西州貝永市(Bayonne, NJ)市中心的社區學校所設計的微電網。在珊迪颶風期間,此微電網為通訊和照明用途提供了好幾天的電力。

消費者也可以受惠於微電網。透過將電池儲能及電動車與太陽能進行整合,智慧微電網可用來降低或消除尖峰需求的激增,並且在中午的峰值發電時儲存多餘的能源後在稍晚使用,此時電力公司收取的時間電價(TOU)可能會接近中午的兩倍。

在特斯拉(Tesla)執行長Elon Musk近期發表的談話中,他描繪了一個願景:其SolarCity公司的太陽能發電將與Tesla電動車的車庫充電(和放電),以及Tesla PowerWall電池儲能系統結合在一起,共同運作而為將能源產生實現最佳化。他巧妙地說明了其中的共生關係:「太陽能和電池就像是花生醬和果醬一樣搭配」。就在Musk談到微電網的同一週,紐約市的電力供應商聯合愛迪生(ConEd)宣佈將延後12億美元的子系統升級,改為部署DER以抵銷尖峰用電(需要增加大型基礎設施)。

成本降低

DER的成本在過去5年來已經大幅降低,讓再生能源發電的成本(平準化能源成本—LCOE)與傳統發電不相上下。事實上,在最近針對DER的文章和討論中,其內容完全著重於整合再生能源與智慧電網對財務面的正向影響,而未提及拯救地球的附帶效益!

現在的挑戰在於DER的製造商,他們必須測試和驗證其產品能否用於電網。許多供應商從未開發出一種產品可以符合電力公司及政府機構的安全標準和電網互動要求。測試及認證DER在時間和資源上的挑戰,對DER供應商來說是一個不斷增加的負擔。最先進的實驗室有能力完整測試各式各樣的環境條件、電網的電氣特性以及系統元件。

如此複雜的一組變動參數不可能在短時間內完成真實狀態的測試。舉例來說,要在早晨啟動狀態下測試太陽能逆變器的效能時,一天就只能測試一次,而且只進行一組天氣條件和一種太陽能模組。再者,如果測試條件不正確或是測試配置有問題的話,該測試就必須等待合適的條件出現時才能再次進行。DER供應商若想緩解越來越高的時程壓力,那麼在控制下進行的實驗室測試,就會是唯一合理可行的方式。

所有併網發電機都需要進行一套完整的測試(參見表1)。在許多情況下,每個國家(有時是每家電力公司)都有其獨特的要求。這些測試可被區分為四種領域(每一種領域中,適用於北美太陽能逆變器的範例列於括號中):

  • 產品設計驗證
  • 安規/電工法規/政府規章(NFPA70/NEC、FCC)
  • 產業標準(IEEE 1547/UL1741、CEC逆變器效率)
  • 併網要求(CAISO Rule 21、ERCOT、WECC)

20170425_Keysight_TA31P1 表1:典型DER標準和電網要求

除此之外,分散式發電機供應商還被要求在各種運作條件下(包括設備的使用時間達到專案年限時,這通常是超過20年),對發電機效能進行完整的特性分析。工程師必須在所有的運作條件下量測電力品質、諧波、發電和電力轉換效率。

太陽能逆變器是DER的絕佳範例。DER有時又稱為分散式發電(DG)。在開發太陽能逆變器時,完整測試前述領域通常會耗費掉30-40%的時間。太陽能逆變器必須在最嚴苛的環境狀態下可靠地產生電力;從加拿大北部在一月時屋頂上的高吹雪,到美國西南部沙漠到了八月時的高吹沙。逆變器必須能偵測到異常的電壓和頻率狀態,由電網者自行決定要「穿越」或斷開。

效率至關重要

分析太陽能發電廠的財務可行性時,最重要的一個考量點,就是太陽能逆變器進行直流/交流(DC/AC)電力轉換效率最大化的程度。在發電機的壽命中,不到1%的發電量提升可能會增加幾百或幾千美元的能源,在電力公司規模的專案中甚至可達幾百萬美元。在當今能源經濟的微薄利潤下,這些財務收益經常會影響到專案的可行性。

太陽能逆變器總轉換效率的高低有兩大要素:最大功率追蹤(MPPT)效率,以及DC/AC電力轉換效率。太陽能板所產生的電力取決於在I-V特性曲線上的運作位置。如圖1所示為太陽能板I-V曲線的範例。當輻射增加時,太陽能板產生的電流就會變大。溫度上升時,電壓就會降低。一整天下來,溫度和輻射照度會不斷變化。逆變器內建的控制韌體負責準確而有效率地追蹤最大功率點(MPP)。在某種程度上,這些控制演算法是每一種逆變器的「秘密配方」。

20170425_Keysight_TA31P2 圖1:典型的太陽能板I-V和功率曲線

為了測試逆變器追蹤太陽能陣列最大功率點的能力,可以使用太陽能光電(PV)陣列模擬器,針對選用的陣列技術模擬其特性。PV陣列模擬器可以產生一條功率曲線,以符合特定太陽能板的發電特性。每一種太陽能板模型有其獨特的I-V曲線,取決於所採用的技術(薄膜、多晶矽等),以及太陽能電池的設計特性。在嘗試測試每一種可能的太陽能板搭配逆變器時,若未使用太陽能陣列模擬器的話,您可以想像其複雜度和成本會有多高。

先進的PV陣列模擬器還可依照EN50530(量測 MPP追蹤效能的產業標準)進行自動測試並產生報告。EN50530協定會在靜態和動態模式下運用逆變器的MPP追蹤器,一致地量測逆變器的MPPT效率。EN50530完整測試需花費將近7小時完成。若能自動執行EN50530協定測試和自動產生標準所規定的報告,就能有效提升測試工程師的效率。

20170425_Keysight_TA31P3 圖2:Keysight N8900APV(60kW配置)

DC/AC電源轉換測試通常按照Sandia逆變器測試協定和IEC 61683,此種國際標準定義了電源調節器量測效率的程序。這些測試程序相當複雜,需使用到環境試驗室和精密量測儀器。如同所有的量測一樣,測試儀器的精密度必須比想要的量測精密度更高。最新型太陽能逆變器的峰值轉換效率高於98%。而就轉換效率的量測而言,工程師不斷針對其設計嘗試取得0.1%的效率提升。因此,要進行DC輸入和AC輸出的量測時,使用的電源分析儀至少必須具備0.05%的準確度。

太陽能逆變器技術不斷變化,增加了這些測試的複雜度。為了降低元件成本、安裝成本和i2T損耗,太陽能陣列的DC電壓正持續提高。新一代的太陽能發電機(包括太陽能板和逆變器)運作在1500Vdc。因此,測試實驗室必須升級其電源分析儀、太陽能陣列模擬器和電源供應器,才能在此更高的DC電壓下作業。

是德科技(Keysight Technologies)研發出一套測試解決方案,可測試新一代的1500Vdc逆變器,以及600Vdc和1000Vdc逆變器。這種解決方案包含Keysight N8937APV PV陣列模擬器(圖2)和Keysight IntegraVision PA2203A電源分析儀(圖3),連接到12kW的三相太陽能逆變器)。有了這種解決方案後,工程師可以模擬真實的環境狀態,並針對逆變器的各方面評估其效應。若進一步結合AC電網模擬器,此逆變器測試解決方案就可以讓工程師測試電力品質問題、發電機的功率和效率品質等。

20170425_Keysight_TA31P4 圖3:Keysight PA2203A四通道電源分析儀

測試DER的挑戰可能相當複雜且棘手。研究微電網中的所有元件如何安全地互動,並持續遵守嚴格的電網互動要求,這些都大幅提升了測試工程師的工作複雜度。當電網之中的微電網數量激增時,毫無疑問地,電網業者必須進行的認證測試將會更多。

電網業者的一個主要義務在於供應乾淨、可靠的電力給用戶。在將產品接至電網前,若沒有適當的測試,那麼電網的可靠度便會降低。未來,期待測試與量測的領導廠商與這些設備的供應商持續合作,在發電產業中引領智慧電網的發展。