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借助虛擬振蕩器控制這一全新技術(shù)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)能夠幫助提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

史蒂夫?約翰遜（Steve Johnson）家住美國(guó)科羅拉多州博爾德，若干年之前，他在房頂安裝了太陽(yáng)能板。他把這一舉動(dòng)認(rèn)為是他個(gè)人為“清潔”世界做出的微薄貢獻(xiàn)，而且，如果這個(gè)與電網(wǎng)相連的光伏（PV）系統(tǒng)能在白天“時(shí)不時(shí)”地將電表讀數(shù)“調(diào)回一點(diǎn)”，讓他少交電費(fèi)的話，就更好了。

不久之后，約翰遜參觀了國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL），就在附近的戈?duì)柕恰＿@次參觀讓他了解到太陽(yáng)能的潛在不利因素：當(dāng)檢測(cè)到嚴(yán)重故障時(shí)，光伏系統(tǒng)會(huì)斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接。如果只是單個(gè)家用光伏系統(tǒng)斷開(kāi)連接，或許只會(huì)對(duì)該家庭造成影響。但如果成千上萬(wàn)個(gè)光伏系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生這種情況，就會(huì)對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的平衡產(chǎn)生影響，從小規(guī)模的供電紊亂發(fā)展到影響全市甚至全國(guó)的大規(guī)模停電事故。

許多發(fā)達(dá)國(guó)家的電力企業(yè)都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。越來(lái)越多的人選擇在家中或辦公地點(diǎn)安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。單就美國(guó)而言，2010年以來(lái)，光伏系統(tǒng)安裝數(shù)量的復(fù)合年增長(zhǎng)率接近60%，裝機(jī)容量為32千兆瓦。這部分光伏系統(tǒng)輸入到配電線路中的電能，會(huì)導(dǎo)致電壓控制和頻率控制問(wèn)題，威脅電網(wǎng)平衡。目前這個(gè)問(wèn)題還不算嚴(yán)重，但隨著分布式太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)不斷發(fā)展，它的嚴(yán)重性會(huì)愈發(fā)凸顯。

上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因在于逆變器。所謂逆變器，是指能夠?qū)⒐夥逄峁┑闹绷麟姡―C）轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)中的交流電（AC）的電子系統(tǒng)?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)家庭和公司企業(yè)所買(mǎi)到的逆變器（包括史蒂夫家中所使用的那個(gè)）都是“非智能”的。盡管這種逆變器輸出的交流電電壓和頻率能夠與配電網(wǎng)同步，但是這種供電是被動(dòng)的，它們無(wú)法感知電網(wǎng)中的具體變化，也無(wú)法據(jù)此對(duì)自身進(jìn)行調(diào)整。

而新一代的“智能”逆變器能夠讓光伏系統(tǒng)不到萬(wàn)不得已時(shí)不會(huì)掉線。根據(jù)NREL及其合作伙伴的近期研究成果，這種逆變器可避免在成千上萬(wàn)個(gè)光伏板突然斷開(kāi)連接時(shí)導(dǎo)致電壓和頻率惡化問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)更高的電網(wǎng)穩(wěn)定程度。我們?cè)贜REL的同事們也正在努力開(kāi)發(fā)一種控制逆變器的創(chuàng)新性方法。利用這種方法，即便所有電能都來(lái)自太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他使用逆變器與電網(wǎng)相連的能源形式，也可確保電網(wǎng)穩(wěn)定工作。

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智能逆變器已做好了準(zhǔn)備來(lái)應(yīng)對(duì)發(fā)展迅速的電力工業(yè)的巨大需求。隨著越來(lái)越多的家庭安裝光伏板，光伏板提供的電能正逐步降低人們對(duì)大型中央發(fā)電廠的需求。這一現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)果是：越來(lái)越多的傳統(tǒng)發(fā)電廠退出市場(chǎng)；而電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者正尋找各種途徑，確保以客戶早已習(xí)慣的穩(wěn)定度繼續(xù)運(yùn)行他們的供電網(wǎng)絡(luò)。智能逆變器和全新控制方法的結(jié)合對(duì)于幫助供電企業(yè)過(guò)渡至未來(lái)的電網(wǎng)時(shí)代而言至關(guān)重要。在未來(lái)電網(wǎng)時(shí)代大量電力由風(fēng)力和太陽(yáng)能產(chǎn)生將成為常態(tài)。

試想一下，在某個(gè)艷陽(yáng)高照的午間，如果某個(gè)燃煤發(fā)電廠突然電線脫落或某條輸電線路突然出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致什么樣的結(jié)果：電網(wǎng)電壓可能下降多達(dá)10%。為將電壓恢復(fù)至正常狀態(tài)，技術(shù)人員需盡快為輸電線路提供補(bǔ)充電力供應(yīng)。例如，通過(guò)供電企業(yè)專(zhuān)為應(yīng)對(duì)上述緊急情況而設(shè)置的“備轉(zhuǎn)容量”來(lái)應(yīng)急。或者，電力企業(yè)會(huì)限制消費(fèi)者供電需求，采取一種被稱(chēng)為“需求響應(yīng)”的自動(dòng)機(jī)制：當(dāng)電費(fèi)較高或電網(wǎng)可靠性受到影響時(shí)，征詢用戶的合作，減少部分用戶的用電需求。

在發(fā)生上述緊急情況后，你最不希望的就是其他發(fā)電機(jī)也不工作——而這正是非智能逆變器集體關(guān)閉時(shí)經(jīng)常發(fā)生的狀況。如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，那么當(dāng)初不明顯的電壓下降就會(huì)迅速演變?yōu)椴懊鏄O廣的“大災(zāi)難”。

當(dāng)然，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，我們確實(shí)應(yīng)將逆變器與電網(wǎng)分離：如果光伏系統(tǒng)為那些掉落在地的電線繼續(xù)供電，那么萬(wàn)一有人不小心碰到這條電線，就會(huì)觸電。但在電網(wǎng)出現(xiàn)故障后的幾秒鐘內(nèi)，保證光伏系統(tǒng)為那些沒(méi)有損壞的電網(wǎng)供電也很重要。

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相對(duì)于非智能逆變器，智能逆變器可以應(yīng)對(duì)電壓、頻率下降等短期電網(wǎng)波動(dòng)。如果該類(lèi)智能逆變器具備通信能力，那么電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者就可借此進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)對(duì)智能逆變器進(jìn)行控制，使其做出相應(yīng)的響應(yīng)。

為充分了解智能太陽(yáng)能逆變器對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)的影響，夏威夷無(wú)疑是最佳研究地區(qū)。夏威夷州的電費(fèi)價(jià)格全美最高，因此在公用事業(yè)公司的激勵(lì)下，當(dāng)?shù)鼐用窈推髽I(yè)都非常積極地安裝自己的光伏系統(tǒng)。在夏威夷州內(nèi)，并網(wǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)的安裝數(shù)量約為美國(guó)內(nèi)陸州平均安裝數(shù)量的20倍，而這一差距仍在不斷拉大。2015年，夏威夷州政府設(shè)立了全新目標(biāo)：到2045年，該州電力供應(yīng)將全部來(lái)自可再生能源。其中一小部分來(lái)自風(fēng)能，絕大部分將來(lái)自分布式太陽(yáng)能。

即便是現(xiàn)在，瓦胡島上的太陽(yáng)能裝置的普及率也很高。該州的供電企業(yè)夏威夷電力公司（HECO）通常會(huì)將分布式太陽(yáng)能系統(tǒng)所產(chǎn)生的電力通過(guò)配電線輸送回變電站之中。這種反饋設(shè)計(jì)本身不存在問(wèn)題。然而，若配電線突發(fā)故障無(wú)法使用，太陽(yáng)能電力便會(huì)重新輸回至消費(fèi)者的設(shè)備之中。比方說(shuō)，如果樹(shù)枝造成線路接地引發(fā)線路斷路器開(kāi)路，電力就又會(huì)反向流至那些線路斷路器已斷開(kāi)的家庭或企業(yè)之中。

電涌會(huì)形成電壓尖峰。如果電壓尖峰過(guò)高且持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和配電設(shè)備。為避免上述電壓過(guò)高問(wèn)題的發(fā)生，HECO和夏威夷公用事業(yè)委員會(huì)在2014年發(fā)布規(guī)定，瓦胡島上任何配電線所提供的太陽(yáng)能電量均不得超過(guò)相關(guān)線路日間最低電量負(fù)載的120%。結(jié)果不出意外，數(shù)千HECO用戶無(wú)法將他們的光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)。許多其他計(jì)劃安裝新型屋頂光伏系統(tǒng)的用戶因此而決定不再安裝，不少太陽(yáng)能系統(tǒng)安裝商的業(yè)務(wù)也隨之出現(xiàn)下滑。

很明顯，我們需要一項(xiàng)更好的解決方案。通過(guò)美國(guó)能源部的新能源計(jì)劃，NREL的研究人員蘇迪塔?查克拉博蒂（Sudipta Chakraborty）和安德森?霍克（Anderson Hoke），同HECO和太陽(yáng)城（美國(guó)最大的太陽(yáng)能電力供應(yīng)商）公司的工程師進(jìn)行合作，探尋能夠在瓦胡島電網(wǎng)中并入更多太陽(yáng)能電力的方法。首先，他們使用NREL的能源系統(tǒng)集成設(shè)備對(duì)逆變器進(jìn)行測(cè)試，檢查電壓過(guò)高時(shí)的各種不同情況。這一測(cè)試的目的是確定，在出現(xiàn)電壓過(guò)高問(wèn)題時(shí)，智能逆變器能否做出響應(yīng)，快速降低向電網(wǎng)輸入的電量。

在進(jìn)行這些測(cè)試時(shí)，研究人員使用了5種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高級(jí)逆變器，容量從3千瓦到12千瓦不等。這些被測(cè)逆變器包括以下類(lèi)型：串列型逆變器，可在一串或多串太陽(yáng)能板中獲取直流電；微型逆變器，可在單個(gè)太陽(yáng)能板中獲取直流電。研究人員將每一個(gè)逆變器與電網(wǎng)模擬器以及一個(gè)負(fù)載進(jìn)行連接，負(fù)載用于模擬太陽(yáng)能板所供電的家庭。然后，他們監(jiān)測(cè)上述逆變器在電網(wǎng)模擬器出現(xiàn)電壓尖峰時(shí)的反應(yīng)。他們?cè)谔?yáng)能發(fā)電量與負(fù)載的不同比例范圍內(nèi)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，發(fā)電量與負(fù)載比例范圍為1：1至10：1。

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測(cè)試結(jié)果令人欣慰：所有逆變器均立即響應(yīng)，削減了電力輸出。在所有測(cè)試中，最高電壓均未超過(guò)正常電壓的兩倍，而典型過(guò)電壓的發(fā)生幾率更是大幅減小。另外，電壓尖峰僅持續(xù)了數(shù)微秒或數(shù)毫秒的時(shí)間，是一個(gè)可以接受的短持續(xù)周期。上述測(cè)試表明，在安裝智能逆變器之后，電壓尖峰引起的問(wèn)題不再那么令人擔(dān)憂。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，HECO在2015年初取消了瓦胡島內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的限制規(guī)定，同時(shí)規(guī)定，新太陽(yáng)能安裝用戶須安裝由NREL審查通過(guò)的高級(jí)逆變器。HECO現(xiàn)正與逆變器制造商進(jìn)行合作，使用NREL測(cè)試方法對(duì)其他型號(hào)的逆變器進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，HECO還與加利福尼亞州佩特盧馬的Enphase Energy公司合作，對(duì)已安裝在瓦胡島電網(wǎng)中的80萬(wàn)臺(tái)微型逆變器進(jìn)行重新編程，確保其在出現(xiàn)頻率和電壓異常時(shí)能正常運(yùn)行，并在上述異常狀況下，幫助改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性。目前，HECO已將對(duì)每一配電線的光伏電量限制加倍至日間最低電量負(fù)載的250%。國(guó)際逆變器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)，例如IEEE和美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）已準(zhǔn)備將過(guò)壓保護(hù)納入智能逆變器的標(biāo)準(zhǔn)，HECO所采取的上述措施最終將對(duì)全國(guó)甚至全球產(chǎn)生重要影響。 

盡管當(dāng)前的智能逆變器可以解決像HECO等供電企業(yè)所遇到的部分問(wèn)題，但還有更大的問(wèn)題等待解決?，F(xiàn)在的電網(wǎng)仍依賴(lài)大型的中央發(fā)電廠，使用大型發(fā)電機(jī)按適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速以固定的頻率發(fā)電——全球絕大多數(shù)地區(qū)的發(fā)電頻率為每秒50個(gè)周期，在美國(guó)和部分亞洲地區(qū)可達(dá)到每秒60個(gè)周期。上述大型發(fā)電機(jī)能夠?yàn)檎麄€(gè)電網(wǎng)提供充分的機(jī)械慣量：發(fā)電機(jī)均規(guī)模龐大且相互間均嚴(yán)格同步作業(yè)，所以，只有十分嚴(yán)重的擾動(dòng)情況才會(huì)對(duì)電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生影響。

但是，分布式能源，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池和電池，并不具備同步發(fā)電機(jī)；它們提供的電量多變，數(shù)量不確定，且它們利用的與電網(wǎng)相連的逆變器也只是用于鎖定、追蹤電網(wǎng)頻率，并按照電網(wǎng)頻率進(jìn)行供電。另外，隨著可再生能源發(fā)電的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，許多大型中央發(fā)電廠——特別是煤炭發(fā)電廠——已經(jīng)關(guān)停。因此，當(dāng)發(fā)生大規(guī)模擾動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)將缺少目前所擁有的機(jī)械慣量來(lái)維持電壓和頻率的平穩(wěn)。

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基于此原因，未來(lái)的電網(wǎng)需要一種高級(jí)逆變器。這種逆變器不僅可以輔助電網(wǎng)運(yùn)作，而且能主動(dòng)幫助“形成”電網(wǎng)，例如對(duì)擾動(dòng)情況做出反應(yīng)并且彼此協(xié)作，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定。該種方法被稱(chēng)為虛擬振蕩器控制（VOC），由布萊恩?約翰遜（Brian Johnson）帶領(lǐng)的NREL團(tuán)隊(duì)以及明尼蘇達(dá)大學(xué)的賽拉杰?多爾珀（Sairaj Dhople）、圣巴巴拉加州大學(xué)的弗朗西斯科?布魯（Francesco Bullo）以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的弗洛萊恩?多福勒（Florian D?rfler）共同開(kāi)發(fā)。

VOC的基本理念是利用振蕩器的屬性；振蕩器即任何周期性運(yùn)動(dòng)的事物，例如機(jī)械彈簧、節(jié)拍器或發(fā)動(dòng)機(jī)等。當(dāng)兩個(gè)振蕩器配對(duì)或耦合時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)情況將自然進(jìn)入一致、同步的狀態(tài)。試想一下，有一個(gè)與剛性固定平板相連的彈簧，我們?cè)趶椈上聭覓鞄讉€(gè)砝碼。當(dāng)向砝碼施加拉力從而使彈簧運(yùn)動(dòng)后，彈簧會(huì)不協(xié)調(diào)地四處亂彈。但是，如果該平板本身也是通過(guò)彈簧掛在天花板下的，那么，就會(huì)形成反饋機(jī)制，對(duì)彈動(dòng)的砝碼給予反向推力。在一段時(shí)間后，所有的砝碼將以同樣的頻率、同樣的步調(diào)來(lái)回彈動(dòng)。

VOC的巧妙之處是使每一個(gè)逆變器像彈簧那樣做出響應(yīng)：如電網(wǎng)電壓下降，逆變器會(huì)增加供電量，如此將電壓“推回”至原有狀態(tài)；同樣，如果電網(wǎng)電壓突然升高，逆變器會(huì)將其“拉回”至合理電壓范圍之內(nèi)。同理，電網(wǎng)頻率的升高或降低，也會(huì)導(dǎo)致逆變器對(duì)其提供的電量進(jìn)行調(diào)整，予以補(bǔ)償。

VOC通過(guò)軟件控制逆變器從而發(fā)揮作用。在具有VOC功能的逆變器連接至電網(wǎng)之后，電網(wǎng)本身就如同上文所述的靠彈簧懸掛的平板，能夠與相當(dāng)于彈簧的逆變器相耦合。在同一電路中設(shè)置成千上萬(wàn)個(gè)類(lèi)似逆變器，這些逆變器就可協(xié)同作業(yè)，維持系統(tǒng)電壓和頻率處于一個(gè)可以接受的范圍之內(nèi)。

NREL研究人員最初在設(shè)計(jì)VOC時(shí)，主要目的是保持規(guī)模相對(duì)較小的獨(dú)立電力網(wǎng)絡(luò)（即微電網(wǎng)）的穩(wěn)定。微電網(wǎng)可與大型電網(wǎng)連接共同作業(yè)，也可斷開(kāi)連接單獨(dú)作業(yè)。在與大型電網(wǎng)斷開(kāi)連接后，微電網(wǎng)須自行產(chǎn)生所需的所有電力。在這種情況下，很難保證并維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因?yàn)樵诒举|(zhì)上，微電網(wǎng)的總負(fù)載較少。所以，如果突然增加新的用電負(fù)載，如使用大型中央空調(diào)等，將會(huì)導(dǎo)致總用電需求量的相對(duì)激增。

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為在微電網(wǎng)中測(cè)試VOC方法，NREL研究人員采用的測(cè)試裝置包含多種小型逆變器以及不同負(fù)載類(lèi)型，逆變器的尺寸可安裝于光伏板上。該組研究人員為每一個(gè)逆變器安裝了VOC軟件，以便持續(xù)對(duì)電網(wǎng)情況進(jìn)行評(píng)估和響應(yīng)。多個(gè)VOC逆變器可協(xié)同作業(yè)，無(wú)需任何特別的通信或?qū)Ｓ帽O(jiān)控系統(tǒng)，即可確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定作業(yè)。從本質(zhì)來(lái)看，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一個(gè)自調(diào)節(jié)式微電網(wǎng)。

該方法的響應(yīng)速度比現(xiàn)行機(jī)制提高很多，稱(chēng)為“下垂控制”。下垂控制被用于控制逆變器和其他需同步的機(jī)器（如發(fā)電機(jī)）。下垂控制的理念是：每臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率變化（下垂）與其發(fā)電量成正比，下垂控制可使多個(gè)發(fā)電機(jī)集成為一個(gè)系統(tǒng)。

但如果要將下垂控制應(yīng)用到基于逆變器的系統(tǒng)，就需要一個(gè)控制系統(tǒng)，它能夠首先測(cè)量頻率和電壓數(shù)值，然后計(jì)算出相應(yīng)的合理響應(yīng)方式。這些必要的計(jì)算過(guò)程會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度過(guò)慢。但VOC可以像彈簧響應(yīng)外力激勵(lì)那樣，迅速對(duì)電網(wǎng)中的變化做出響應(yīng)，只須進(jìn)行極少量的測(cè)量或計(jì)算工作。而且，逆變器之間無(wú)須進(jìn)行直接的通信活動(dòng)。

NREL目前正在測(cè)試VOC方法能否適用于連接數(shù)以千計(jì)家庭和企業(yè)的公用事業(yè)規(guī)模的電網(wǎng)。顯然，我們肯定不能在實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們的測(cè)試采用了許多家庭級(jí)別的逆變器和電量負(fù)載。逆變器與負(fù)載將與模擬電網(wǎng)進(jìn)行真實(shí)的交互，可模擬眾多情形，供我們確定電網(wǎng)電壓和頻率在正常工作狀態(tài)下以及擾動(dòng)情況下，是否均可處于預(yù)想的范圍之內(nèi)。

NREL測(cè)試所使用的VOC逆變器是專(zhuān)門(mén)定制和編程的逆變器。但是，我們需要對(duì)VOC軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其可直接被應(yīng)用到市面上已有的逆變器。在我們的測(cè)試中，我們也證明了VOC逆變器可與現(xiàn)在大型電網(wǎng)所使用的下垂控制方法兼容。

在更遠(yuǎn)的將來(lái)，當(dāng)全球電網(wǎng)脫離同步轉(zhuǎn)動(dòng)式機(jī)械并轉(zhuǎn)向由電力電子控制的分布式發(fā)電形式時(shí)，VOC將是保持電網(wǎng)穩(wěn)定的最佳方法之一。這種轉(zhuǎn)變過(guò)渡已是大勢(shì)所趨，現(xiàn)在就是開(kāi)始準(zhǔn)備的時(shí)候了。

作者： Benjamin Kroposki