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屋顶太阳能系统如何稳定电网
新能源与节能
2016-12-29 19:16
原创  Peter Fairley
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继德国之后,美国加州也在电网中强化了高级逆变器的作用。

在为加州的家庭和企业输送电力的配电网中,屋顶太阳能发电系统找到了第二个用武之地。目前,加州的光伏电池板只是用于发电(发电量可满足该州约百分之一的用电量),但在几个月之内,部分系统将同时发挥初级电网调节器的作用——这一角色将使得这些太阳能电池板在日落之后仍旧持续工作。

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虽然加州的这一最新发展情况只是得益于加州公用事业委员会(CPUC)在2014年12月通过的一项本州标准,但同时这也是太阳能发电系统的全球发展趋势:德国、日本以及其他大力发展太阳能发电系统的国家都在推广类似的变革进程,令屋顶太阳能装置发挥调节电压的作用,并开展一些其他的电网支持任务。

太阳能发挥的作用越来越大正是逆变器升级发展的结果。所谓逆变器,就是连接屋顶的光伏发电系统等分布式发电机和电网的电力电子设备。逆变器可以将光伏电池板中的直流电转换成可与交流电网同步的交流电。同时,逆变器还可以合成无功功率(此时交流电的电流波超前或滞后于电压波),全世界的电网运营商都在使用这种手段调控输电线的电压水平。通过超前电流增加无功功率可以提高交流输电线的电压,通过滞后电流减少无功功率则会使交流电压水平下降。

新的逆变器标准标志着这一被大多数电力公司视为“眼中钉”的设备发生了重大的变化。截至目前,相关标准都要求太阳能逆变器在出现线路故障时立即关停,以便保护工作人员免受意外电流的伤害。南加州爱迪生电力公司的高级技术总经理罗伯特.史瑞克(Robert Sherick)表示:“过去,我们一直在寻找能够在配电系统发生小故障时便能关停的设备。现在,逆变器已成为了一个不错的选择。”

电力公司必须作出改变,原因在于,随着分布式发电的水平越来越高,保持电力质量已经越来越困难。10年前,当太阳能电力系统在德国开始蓬勃发展时,德国的电网运营商便首先经历了这一过程。位于德国尼斯特塔尔市的逆变器生产商SMA太阳能技术公司的电网集成总监贝恩哈特.恩斯特(Bernhard Ernst)解释道,在电力需求较低时,较高的太阳能输出电量便会提高电压水平。这种情况会促使电力公司暂时关停某些输电线上的光伏发电装置。

于3年前出台的德国智能逆变器规范解决问题的方式是,规定逆变器在光伏电池板阵列的输出电量超过装机容量的50%时开始减少无功功率。这一做法平衡了太阳能发电系统的电压提升影响。

与使用更粗的电缆升级配电馈线相比,智能逆变器能够以一种成本更低的方式确保光伏发电系统的持续发展,恩斯特如是表示。同时,他还补充说:“借助这一功能,我们能够在保持输电线不变的同时增加40%的光伏装机容量。” 

德国还规定,必须提高光伏发电系统在电网出现紧急情况时的性能表现。一旦过多的供电量导致交流电频率比欧洲的标准频率50赫兹高出0.2赫兹,逆变器必须立即通过电子方式削减光伏电池板的输出电量,而不是立即关停。在“刻板严谨”的欧洲大陆电网中,频率偏差现象非常少见,但德国监管机构担心光伏发电系统大批关停会引发失稳作用,因此强制规定必须对逆变器进行升级,所有者和安装者为此须承担大约3亿美元的成本。

加州的标准则是由2013年启动的一项合作进程开发而来,这套标准提高了智能逆变器的性能范围。尽管目前太阳能发电系统仍会给加州的电力公司带来一些问题,但屋顶光伏发电系统正在飞速发展——在圣地亚哥煤气电力公司的服务区域内,年增长率超过了40%。加州的智能逆变器标准最初与德国的标准要求相仿,但后来要求逆变器在此基础上变得更加智能。

考虑到电压调整,加州的智能逆变器将像德国的逆变器一样,平衡光伏发电系统对于电网电压的直接影响。但是,他们还将采用动态方式调整电压。如果智能逆变器发现电压超出正常水平的1%,逆变器将吸收额外的无功功率。而如果输电线电压降到正常值以下(当经过的云层突然抑制光伏发电系统时会发生这种情况),智能逆变器将通过注入无功功率为光伏发电系统提供支持。

实际上,逆变器相当于安装在公用配电站中用于管理高压电线中流经电流的小型灵活交流输电系统(FACTS)设备。而这种作用最终会令逆变器成为一项正式存在并时时发挥作用的装置。在夜间,当光伏电池板停止工作之后,逆变器仍将使用电网电力继续运行。

圣地亚哥煤气电力公司首席工程师迈克尔.特纳(Michael Turner)表示,加州将鼓励安装太阳能系统的用户在未来几个月内开始使用智能逆变器。同时,他还预期逆变器制造商会进行硬件升级,从而令现有逆变器具备标准所要求的高级功能。

与此同时,关于将加州的升级更新纳入管理配电设备的IEEE 1574标准的工作正在进行之中,这将加速智能逆变器在整个美国投入使用。

位于加州博尔德河的Xanthus国际咨询公司的总裁兼CPUC的智能逆变器技术顾问弗朗西斯.克里夫兰(Frances Cleveland)指出,加州的这项标准在2016年年中之前甚至无法形成一项强制性规定。但是,她表示,这一理念的意义在于为电力公司提供时间,以便他们能够设计出适合其系统的逆变器的最佳设置。他们应注意的一个潜在问题是相同输电线上的多个以动态方式调整电压的智能逆变器之间的电流反馈——部分逆变器会吸收其他逆变器生成的无功功率。

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对逆变器的协调实时控制会解决这一问题,且加州的智能逆变器的共同研究团队已经开始解决智能逆变器和电网运营商之间的通信连接的标准化问题,以便尽可能地开展实时管控。

南加州爱迪生电力公司的史瑞克表示,在未来5年之内,分布式逆变器将完全成为电力公司配电控制系统中的集成组件。届时,CPUC希望另一个有可能会分化目前正在协同合作的智能逆变器开发者的问题将得以解决,那就是逆变器所有者是否应该为提供电网调整服务而得到补偿。



作者:Peter Fairley


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