克服新兴智能电网的测试挑战

“智能电网(smart grid)”的建构速度正在迅速加快中。智能电网曾经只是电力工程师和电力公司心中的一个愿景，如今正快速成形中。在实现真正智能电网的过程中，主要的驱动力就是采纳了分布式能源(DER)。在全世界各个电力公司的发电结构中，并网的分布式发电是一种越来越重要的方式。

当我们装设了更多的再生能源发电系统和并网储能设备，并且达到预期的发电量时，这些DER系统的运行，不仅证明其为一种可用的电力来源，同时也有助于电网的稳定。通过智能的方式调配和控制这些DER所产出的电力，在本质上就是智能电网。

诸如风力和太阳能逆变器、电池储能、柴油发电以及电动车(EV)双向充电器等DER，当它们通过智能的方式进行调配和控制时，电网企业和消费者都能因此受惠。这些可控制的并联发电机通常就称为微电网。微电网在运作上可以连接到电网，也可以从电网断开进入“孤岛(island)”模式。微电网的规模从住宅应用所需的几kW，到小区应用的数十MW，例如圣地亚哥天然气与电力公司(San Diego Gas & Electric)的波瑞哥泉(Berrego Springs)微电网。

远程控制

对于电网企业来说，这些具有新型电力电子设计的智能DER，可以进行远程控制以调节有效和无功功率。这样的功能可以让电网企业调整有效功率以减缓异常频率的情况，还能在异常电压的情况下调整无功功率以辅助电网。

电力公司和政府机构也看到了微电网的极大优点。微电网可以从电网断开，也可以在紧急状态和停电时提供电力。发生天然灾害时，学校和商店的微电网可以为照明、通信和食品安全用途提供紧急电源。举例来说，像是先进太阳能公司(Advanced Solar Products)为纽泽西州贝永市(Bayonne, NJ)市中心的小区学校所设计的微电网。在珊迪飓风期间，此微电网为通信和照明用途提供了好几天的电力。

消费者也可以受惠于微电网。通过将电池储能及电动车与太阳能进行整合，智能微电网可用来降低或消除尖峰需求的激增，并且在中午的峰值发电时储存多余的能源后在稍晚使用，此时电力公司收取的时间电价(TOU)可能会接近中午的两倍。

在特斯拉(Tesla)首席执行官Elon Musk近期发表的谈话中，他描绘了一个愿景：其SolarCity公司的太阳能发电将与Tesla电动车的车库充电(和放电)，以及Tesla PowerWall电池储能系统结合在一起，共同运作而为将能源产生实现优化。他巧妙地说明了其中的共生关系：“太阳能和电池就像是花生酱和果酱一样搭配”。就在Musk谈到微电网的同一周，纽约市的电力供货商联合爱迪生(ConEd)宣布将延后12亿美元的子系统升级，改为部署DER以抵销尖峰用电(需要增加大型基础设施)。

成本降低

DER的成本在过去5年来已经大幅降低，让再生能源发电的成本(平准化能源成本—LCOE)与传统发电不相上下。事实上，在最近针对DER的文章和讨论中，其内容完全着重于整合再生能源与智能电网对财务面的正向影响，而未提及拯救地球的附带效益！

现在的挑战在于DER的制造商，他们必须测试和验证其产品能否用于电网。许多供货商从未开发出一种产品可以符合电力公司及政府机构的安全标准和电网互动要求。测试及认证DER在时间和资源上的挑战，对DER供货商来说是一个不断增加的负担。最先进的实验室有能力完整测试各式各样的环境条件、电网的电气特性以及系统组件。

如此复杂的一组变动参数不可能在短时间内完成真实状态的测试。举例来说，要在早晨启动状态下测试太阳能逆变器的效能时，一天就只能测试一次，而且只进行一组天气条件和一种太阳能模块。再者，如果测试条件不正确或是测试配置有问题的话，该测试就必须等待合适的条件出现时才能再次进行。DER供货商若想抒解越来越高的时程压力，那么在控制下进行的实验室测试，就会是唯一合理可行的方式。

所有并网发电机都需要进行一套完整的测试(参见表1)。在许多情况下，每个国家(有时是每家电力公司)都有其独特的要求。这些测试可被区分为四种领域(每一种领域中，适用于北美太阳能逆变器的范例列于括号中)：

• 产品设计验证
  
• 安规/电工法规/政府规章(NFPA70/NEC、FCC)
  
• 产业标准(IEEE 1547/UL1741、CEC逆变器效率)
  
• 并网要求(CAISO Rule 21、ERCOT、WECC)
  

表1：典型DER标准和电网要求

除此之外，分布式发电机供货商还被要求在各种运作条件下(包括设备的使用时间达到项目年限时，这通常是超过20年)，对发电机效能进行完整的特性分析。工程师必须在所有的运作条件下量测电力质量、谐波、发电和电力转换效率。

太阳能逆变器是DER的绝佳范例。DER有时又称为分布式发电(DG)。在开发太阳能逆变器时，完整测试前述领域通常会耗费掉30-40%的时间。太阳能逆变器必须在最严苛的环境状态下可靠地产生电力；从加拿大北部在一月时屋顶上的高吹雪，到美国西南部沙漠到了八月时的高吹沙。逆变器必须能侦测到异常的电压和频率状态，由电网者自行决定要“穿越”或断开。

效率至关重要

分析太阳能发电厂的财务可行性时，最重要的一个考虑点，就是太阳能逆变器进行直流/交流(DC/AC)电力转换效率最大化的程度。在发电机的寿命中，不到1%的发电量提升可能会增加几百或几千美元的能源，在电力公司规模的项目中甚至可达几百万美元。在当今能源经济的微薄利润下，这些财务收益经常会影响到项目的可行性。

太阳能逆变器总转换效率的高低有两大要素：最大功率追踪(MPPT)效率，以及DC/AC电力转换效率。太阳能板所产生的电力取决于在I-V特性曲线上的运作位置。如图1所示为太阳能板I-V曲线的范例。当辐射增加时，太阳能板产生的电流就会变大。温度上升时，电压就会降低。一整天下来，温度和辐射照度会不断变化。逆变器内建的控制韧体负责准确而有效率地追踪最大功率点(MPP)。在某种程度上，这些控制算法是每一种逆变器的“秘密配方”。

图1：典型的太阳能板I-V和功率曲线

Inverter MPPT: 逆变器MPPT

Current: 电流

Voltage: 电压

Power: 功率

为了测试逆变器追踪太阳能数组最大功率点的能力，可以使用太阳能光电(PV)数组仿真器，针对选用的数组技术仿真其特性。PV数组仿真器可以产生一条功率曲线，以符合特定太阳能板的发电特性。每一种太阳能板模型有其独特的I-V曲线，取决于所采用的技术(薄膜、多晶硅等)，以及太阳能电池的设计特性。在尝试测试每一种可能的太阳能板搭配逆变器时，若未使用太阳能数组仿真器的话，您可以想象其复杂度和成本会很高。

先进的PV数组仿真器还可依照EN50530(量测MPP追踪效能的产业标准)进行自动测试并产生报告。EN50530协议会在静态和动态模式下运用逆变器的MPP追踪器，一致地量测逆变器的MPPT效率。EN50530完整测试需花费将近7小时完成。若能自动执行EN50530协议测试和自动产生标准所规定的报告，就能有效提升测试工程师的效率。

图2：Keysight N8900APV(60kW配置)

DC/AC电源转换测试通常按照Sandia逆变器测试协议和IEC 61683，此种国际标准定义了电源调节器量测效率的程序。这些测试程序相当复杂，需使用到环境试验室和精密量测仪器。如同所有的量测一样，测试仪器的精密度必须比想要的量测精密度更高。最新型太阳能逆变器的峰值转换效率高于98%。而就转换效率的量测而言，工程师不断针对其设计尝试取得0.1%的效率提升。因此，要进行DC输入和AC输出的量测时，使用的电源分析仪至少必须具备0.05%的准确度。

太阳能逆变器技术不断变化，增加了这些测试的复杂度。为了降低组件成本、安装成本和i2T损耗，太阳能数组的DC电压正持续提高。新一代的太阳能发电机(包括太阳能板和逆变器)运作在1500Vdc。因此，测试实验室必须升级其电源分析仪、太阳能数组仿真器和电源供应器，才能在此更高的DC电压下工作。

是德科技(Keysight Technologies)研发出一套测试解决方案，可测试新一代的1500Vdc逆变器，以及600Vdc和1000Vdc逆变器。这种解决方案包含Keysight N8937APV PV数组仿真器(图2)和Keysight IntegraVision PA2203A电源分析仪(图3)，连接到12kW的三相太阳能逆变器)。有了这种解决方案后，工程师可以仿真真实的环境状态，并针对逆变器的各方面评估其效应。若进一步结合AC电网仿真器，此逆变器测试解决方案就可以让工程师测试电力质量问题、发电机的功率和效率质量等。

图3：Keysight PA2203A四通道电源分析仪

测试DER的挑战可能相当复杂且棘手。研究微电网中的所有组件如何安全地互动，并持续遵守严格的电网互动要求，这些都大幅提升了测试工程师的工作复杂度。当电网之中的微电网数量激增时，毫无疑问地，电网企业必须进行的认证测试将会更多。

电网企业的一个主要义务在于供应干净、可靠的电力给用户。在将产品接至电网前，若没有适当的测试，那么电网的可靠度便会降低。未来，期待测试与量测的领导厂商与这些设备的供货商持续合作，在发电产业中引领智能电网的发展。