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智能正弦波逆变器标准缘何成为分布式光伏并网的核心组成部分?

2017年12月6日,中国光伏CTO俱乐部论坛正弦波逆变器技术峰会——数字化时代的技术变革在京重磅开幕!世界资源研究所的资深研究员马天瑞教授作了特别报告。

  智能正弦波逆变器第一阶段的标准是电压与频率的支持。第二阶段是数据通讯与互联。第三阶段是进阶功能,包括提高电网的灵活性,聚合批发或辅助市场。

智能正弦波逆变器标准缘何成为分布式光伏并网的核心组成部分?

  智能正弦波逆变器工作组的产出。第一期的成果,关于电压与电频控制。我们没有考虑外部控制元件,关于电网本身的电压和频率的控制是2014年1月份的初期成果,关于自发性功能的改进与建议。包括防孤岛保护、电压穿越保护、电压有波动时正弦波逆变器不应该断开连接、高频、低频的穿越,如果电流频率有波动,应该保障整体运行。无功操作,控制整体的无功输出和爬坡率,相应针对功率因子的考虑。

  第二期的成果,针对电力公司和智能正弦波逆变器之间的通信沟通协议,包括具体的要求和通信协议,以及相应的技术考虑。目前草案在2015年撰写,明年正式纳入条例中。

  第三期的成果,针对进阶功能。我们可以考虑智能正弦波逆变器的远程控制以及聚合作用,这是第三期工作中关注的重点。最终版本将于2017年早期发布。

  2013年,加州定稿针对智能太阳能正弦波逆变器的规定,包括太阳能并网的要求所达成的协议。经过几年发展,第一期工作已结束,第二期明年年初将会有报告,第三期的工作已经结束了讨论,但不确定最后政策会如何纳入法律法规中。第三期的建议只是技术性的讨论结果,部分会纳入到政策框架中。结束的日期是两年前,Frances Cleveland是智能正弦波逆变器工作组的负责人,她在全球不同的地区和国家之间出差,把200多位专家联系一起,每个月每周都会有定期讨论,通过电话和网络会议等,她对第三期工作的总结:智能正弦波逆变器工作组从2013年开始。目标是希望针对分布能源系统不断新出现技术的可行性和技术挑战进行讨论,探究在加州实施智能正弦波逆变器的技术,包括并网和互联的要求。第一期结果关注7个自发性的功能。工作组借鉴1547的报告,讨论加州是否应该直接使用1547标准,还是应该打造出一套加州自己的标准。因为现在面临的问题,1547标准没有最终定稿,可能需要等很久。

  第一期第一个阶段的讨论,一共提出三点功能上的建议,支持防孤岛效应,异常状况发生,可能会演变为安全事件。我们希望不要在事件发生时,电网都是一个孤岛,针对电力企业中工作人员的安全考虑:针对电压的波动,关于功率或无功的控制,主要希望能够控制动态的平衡,更好地响应本地的电压变化或电压波动的具体情况。电力系统可以使用正弦波逆变器做无功的控制,可以做输电线缆的无功配置,同时需要定义关于故障或紧急事件中爬坡速率以及上下限值。使用固定的功率因数提供无功。如果正弦波逆变器断开连接,需要有软启动的方法,进行相应功率的提高,保证在安全事故发生之后不会一起开启,而是会有一些时间的延迟或提前,保证有阶段性的爬坡率。针对功能的建议,能够让正弦波逆变器自主地回应相应事件进行外部协调。去年开始要求所有新的基于正弦波逆变器系统都要采纳这些一个7点功能建议。第一期的工作成果结构清晰,一共有7点。现在看到市面上新的正弦波逆变器都能满足7个功能特点。

  第二阶段,通信领域有三个不同通路,三种不同的通信渠道。输电线缆有电池和柴油发电机,太阳能光伏,电动汽车。在这一层级上,这都是自发性的功能,正弦波逆变器本身的功能和具体应用,电力公司如何与不同的系统进行沟通与通信,这是第一条通信渠道,可以与光伏所在的输电线缆进行通信,还会有系统ISO独立的电网运营商。运营商有一定控制权,能够与不同系统进行通信。针对电网运营商而言能不能将数万个小的发电机组全部接入现有系统中,电网运营商可能与发电机组主要在分布式能源系统中扮演角色,目的仅仅只是去运作配电系统,所以并不是与输电有关,只与配电相关。这种通讯的目的要避免在配电方面进行新投资。包括应对式或被动式的电能系统,配电方面用相关的电压。电力公司控制智能正弦波逆变器,调节相关电压和频率,把它限制在一定范围内,可以超越第二阶段的自主控制。电力公司和相关设施,电力管理系统、建筑等设施的电力管理系统有负载和需求响应,某些情况要管理发电和储能,管理整个系统的负载。第三级是电力公司和潜在的聚合者之间的关系,这是零售的电能提供者或者说是分布式电能的聚合者,另外层次的通讯,聚合者和设施以及分布式电源的所有者之间的沟通。Enernoc是主要的聚合者,它会聚合非常多的负载,把它们聚合成一个可以控制的聚合式负载。再把负载卖出去,灵活聚合式的能够受到市场中的负载。电力公司和聚合者之间有一定程度的沟通,电网运营者和聚合者之间也要有联系。这条线指向标准,标准是电力公司和第三方之间的通讯,包括电力公司和DER系统和设施能源管理系统、聚合者之间的关系。标准是统辖的,但标准不会管理聚合者和能源管理系统间的联系。这条线也是独立的,聚合者怎样和消费者联系是没有标准的。标准仅仅只管理一二三级电力公司和其它几部分之间的联系。

  聚合者选择的协议,居民和小型商务的系统与聚合者之间的联系,完全都是由聚合者选择,他们之间的协议和标准没有关系。标准和电力公司相关,包括电力公司和管理系统,电力公司和DER,以及电力公司与聚合者之间的联系。可以用各种媒体和网络,移动网络。电力公司可以用智能电表去管理,电力公司有非常多的数据,他们通过在加州每一个消费者中安装智能电表得到很多数据。所有加州的家庭消费者都装了智能电表,他们累计非常多的数据,知道消费者的需求变化。电力公司可以选择是否使用这些数据,并且知道配电出现什么问题,可以实时地了解消费情况。加州在讨论如何使用数据,谁有权力获取数据。聚合者也想获得这些数据,他们想了解消费者的用电情况,目前电力公司不需要一定要提供给他们。加州还在讨论谁能获得什么样的数据,权限问题,因为有隐私性和分享的考虑。

  第二阶段的建议,对沟通和通讯要求的建议,还有数据监测和控制的要求。通讯的标准比较直接,细节不多。有三种不同类型的要求,包括并网的要求,每一种并网都要有通信数据的要求。共同的电力DER运营协议的要求,里面都要包括通讯要求。市场卖方之间的关系,它们都有三层要求。

  第三阶段的程序考虑非常多的情况。想想智能正弦波逆变器可以干什么。突出高中级和选项问题,功能分类。他考虑智能正弦波逆变器的设计和时机的把握,即时?记录?需要考虑什么功能?最后是并网的法规中需要包括什么要求,是不是所有的第三阶段都纳入21条?在消费者和卖方之间达成双方协议考虑的选项吗?这个要求是否仅仅只是建议性的,而不是强制性的,让他们自己选择,采取手册的形式是不是可以?早期筹备低三阶段时考虑这些问题。功能是有关监测和控制,电力公司会监控电网和微电网,聚合者会管理DER系统。很多小型的供电人员或方面被聚合者统一起来,真实的电力产出,电量DER功能。这些电力公司能不能限制自己的最大电力产能?是不是可以对DER系统提出相关要求,对管理系统或聚合者提出要求?可以直接地通过三个箭头向三方进行要求。可以直接地对三方DER系统或管理系统、聚合者提出要求。电力公司可以设定实际的真实电能产出,并不是进行实时的控制,而是提前事先的制定出接下来几小时、几天,电力公司说要发多少电,事先规划,根据天气条件进行调整,有智能正弦波逆变器后可以做这件事情。

  智能正弦波逆变器可以理解日程,进行相关编程,把日程表输入到智能正弦波逆变器系统中。我们得考虑政策和电价问题,让电力公司定发电日程,肯定有的赚才会做。这样的日程表下,我的电价是多少,可以赚多少钱。如果允许这些电力公司给系统做日程规划,那它能给我多少钱,我能够赚多少钱。电力公司会限定电压的阐述,限定给DER系统。不仅只是电压和频率,第一阶段中的智能正弦波逆变器在调节频率和瓦数,以及相关实时的产电能。自主地对本地电压变化进行反映。电力公司可以更好地控制馈线的电压和阐述,从负载到发电能够控制在配电的馈线上有多少输电量,这是动态的控制。电力公司会定日程,之后把能量储存起来,之后可以提供。光伏系统不适用,电能和储能设施适用。如果你有储能的系统又连到电池,又连到光伏,这会是不同的情况。电力公司可以控制什么时候储能,储多少能,什么时候想让电池充电就充电。未来充电情况。可以定义相关参数,包括配电、馈线、控制等提供动态的电压调整。电压的控制调整是基于固定的曲线,第三阶段要动态调整更新曲线,可以调整它实现不同的目的与功能。第一阶段是固定的,不能变,第三阶段可以对温度、电流、时间进行调整。

  通过使用自主的反应,气温发生变化,电流或时间发生变化,你都需要对响应式的电能有不同的方法。针对刚才说的要素变化,做出及时地调整。温度怎么会影响系统,这是第一组。第二组是针对功率的功能,进行一些调度和时间的安排。频率的安排还是第一阶的工作计划,包括监控实时的频率分布。用得到的结果进一步管理需求,自动的发电控制希望动态地调制频率,通过参数设计实现自动化调控。正弦波逆变器和太阳能发电系统可以加入由频率控制的系统中,就像大的煤电发电或天然气发电厂一样。紧急事件的处理,电力公司可以发送指令,让分布式能源的系统断开连接或重新连接。对电压和频率的不稳定现象有实时的控制,包括断开连接或重新连接回电网。同时,电力公司还可以接收到提醒,微电网从电网上断开或重新连接的始点可以发送一条消息给电力企业的负责人。

  操控性的储备,可以快速地开启,可以控制在一定的频率或范围之内,为整体的电网做出贡献。通常情况下会有天然气涡轮进行运转,我们可以实时把它发出的电量运送或连接到电网。我们把已经在运转的涡轮叫做操作性储备,让电力企业要求分布式能源系统,让所有的聚合者完成任务,把小规模发电纳入大范围内。针对操作性储备解释的是必须不停地运转。最小的输出额定,必须得不停地运转,可能会达成最小的输出量,这是他们必须要完成的,不可以将到零。我们希望有些时候它们不要运转,如果太阳能的发电量已足够,可以由太阳能的发电量来补足这部分的储备,那天然气涡轮不需要再运转。

  鸭型曲线,白天中午时天然气涡轮机组运转规模太大,产生很多不想要的储备或电量。我们在考虑如何进一步改善系统,我们认为现在的系统中最大的问题保证最小运转量的天然气机组太多,我们希望能够把涡轮关掉。用于储备的量该为用天然气,原来由天然气供应的储备量改为太阳能供给。我们学校考虑可靠性问题,也需要由联邦政府出台政策和要求,保证运转的储备或操作性和运营性的储备持续供给。以前这部分都是由天然气机组完成,如果能把这部分改为太阳能,其实情况会变的完全不一样。我们可以把天然气的机组涡轮关掉也不需要担心会不会有过量的超载供应。这样一来天然气的发电厂就会损失一定利润,考虑改革过程中如何平衡他们的利益。在中国也是一样,我们在改革过程中煤炭发电厂的利益应该如何平衡调节?

  实时调节DER产出模式和功能,包括一些实时的功率设定,无功设定。关于在辅助市场的竞标。我们可能会针对某一个特定的时段或某几个重复的时段做调度和时间安排,按周、按日、按季度地进行安排。我们会有重要性分析,按时调度系统非常复杂。它希望能够自动实时地控制输出和发电量,可以通过程序编程自动化地控制过程。电力公司一旦有程序可以启动或关闭相应的调度安排。关于预测,如果有大规模的太阳能发电厂,那需要做自我监控和预测。明天会发多少电量,尤其是明天的天气或位置是什么。太阳能发电厂本身可以具有预测的功能,可以把信息发回到电力企业,电力企业知道未来短期内的发电量应该是多少。这都是正在考虑中的进阶性的功能,我们还考虑一些使用案例。关于不同的功能可以在哪一些情景下使用?我们具有了这些功能,应该怎样实施,哪种情况下实施?可以看到这里有很多不同的用户案例,电力企业可以监控更新相应的系统设置,向分布式能源系统发送指令。DER和电力系统之间应该有协议,基于协议电力企业可以控制调配DER系统。

  电力企业监控更新设备,不管是商业化、工业化还是发电机组的设备。电力企业可以去发送指令控制一大批的设备,不仅是单个的。电力企业可以去控制并且调控聚合者,可以根据自己的协议做一些调控。在协议中,聚合者需要完成怎样的角色和任务,电力企业可以监控调试聚合者的表现。电力企业如果有紧急事故,自动化的DER系统可以识别出紧急事件,自动地做回应。输电线可能发生故障,而且识别出电压和频率是有所改变的,电力系统需要实时做出反应。紧急情况下,DER系统看见识别出意外事件,然后做自发性的回应。针对本地的电压和频率异常可以做出回应。电力系统有紧急事件,但DER系统不能从本地看到,不能从本地识别出异常。配电的变压器可能有超载、超负荷现象,电力企业可能会知道需要有更多无功注入或者做频率的控制。电力企业发现议程可以进行操作,控制相应的超载。电力企业可能会希望计划的阶段获得所有DER系统截图,然后做相应的预测,比如明天或下一周需要做怎样的部署。我们还希望微电网可以警告电力企业,一旦有计划性的孤岛或重新连接的现象发生,可以向电力企业发送信号,告诉他们相应的情况。有意外的情况发生,关闭电网连接。我们认为这些情景都是有互动式的,可以更好利用这些功能。所有的建议和考虑都纳入最终文件。

  限制最大的输出功率,停止服务请求,就是关于断开连接和重新连接的。关于功率上的模式,动态的无功电流支持模式。当电流和电压有所变化的时候应该如何响应?按时的调度。其它的DER功能也都非常重要,可以实现并网,能够使主动的发电变的更加顺畅。温度控制的功能,峰值的控制,调节所有电荷。

  工作组提出的建议最终纳入条例法规中会变成强制性的要求,它会与1547协调,最终确定如何真正地在市场实施功能要求。电网的连接和断开连接,频率的模式,电压模式,动态的无功模式和按时调度模式,一共提出八项功能。

  美国其它州开始做智能正弦波逆变器尝试,夏威夷扮演领导者角色开始做太阳能光伏的尝试。之前太阳能的发电占电网系统的15%-20%,所以希望更好地调控。亚利桑那州也有类似问题。不同州智能正弦波逆变器的技术实施路径,针对频率的跳闸或其它电压穿越的现象,我们应该如何保证电网的正常运行?亚利桑那州开始实施相应的试点项目,做进一步沟通。它们做很多太阳能光伏正弦波逆变器试点。除了加州以外,也有很多其它州开始尝试太阳能光伏和智能正弦波逆变器技术。整个加州都在重视这部分的讨论,第三阶段在加州执行时会有法律法规,中国的智能正弦波逆变器可以用于太阳能、储能和微电网,可以在中国建立起联盟组织,进行集体活动。


  问:电网角度看智能正弦波逆变器,电网想要的是能源、可靠性,希望能源的价格能够比较低。但如果从系统的角度看这个问题,为什么智能正弦波逆变器的概念是更好的选择,比传统的方式要更好,为什么?我的问题是安全与成本。

  Eric Martinot:它会有功能性问题,也有应用案例。它是不是有商业价值?应用的案例哪一个有商业价值,哪一个能够盈利?哪一个能够进行实际商业操作?我们开发标准和做法是想设想未来,想象未来,但并不知道未来到底哪一种模式比较盈利,而公司又会如何选择。如果看实际的情景与合同,看到里面有额外的功能性也是需要的,这是学习的过程。我们可能需要很多年才能弄清楚怎么运作。

  电力系统本身的本质。加州有相关讨论,中国输电配电是一个公司完成,美国也是一样。如果不变化,那就要考虑它是不是能够应用到国家电网控制的系统下,还是说本地的与国家电网分离开的电网系统如何应用。加州考虑输配电和它们之间如何连接,配电和前面的环节的界面又如何。这样的界面未来可能会发生变化,每一个配电的系统都会成为独立的电力系统,它会自给自足,自己管理自己。对整个的电网市场来看,一个城市,一个小镇和小区域是可预测的,你可以预测它的曲线,也可以控制它。ISO系统控制者(管理者)并不需要考虑输电站的问题,根本不在意。因为这是可预测的,并且可模型化的,可以很好地控制,以整体的方式进行控制。智能正弦波逆变器如何让配电系统可管理,可平衡,能够在本地进行调节,这是电网的架构问题,未来电网架构应该是什么样子的,谁控制,里面的界面长什么样子。输电到配电到用户怎么组织?美国有这样的问题,大家都会想未来会是什么样的架构。智能正弦波逆变器肯定可以在其中扮演一定的角色,但我们却不太清楚角色具体是什么。对公司来说,如果是中国的公司可能会觉得没有必要考虑这么长远的问题,反正都是一样的。我们必须得考虑整体的电网架构。因为配电的本质迫使我们重新思考,到底它的逻辑、效率、最便宜的方式是什么。也许它并不是常规的做法,不是以前老调重弹,我们得思考一下,这个问题非常有意思,但也是长期的问题。


  问:建议非常全面,第一阶段、第二阶段说到即使是传统的发电不一定是遵循这些规则。OEM厂商来说,有多少人在实际做这件事情,有没有法律要求需要遵守,合规有什么设想。

  Eric Martinot:所有加州的正弦波逆变器都要有功能性,如果在加州卖产品必须要有功能性,但我并不确定是第一阶段的功能性。我不确定对OEM厂家而言有什么负担,它们进行合规时有什么障碍。根据加州的标准,很有可能要在另外一个地方生产,可能会有另外的一些标准要遵循。我知道欧洲人在美国卖正弦波逆变器时,关闭了在欧洲有的功能性,在美国又进行关闭,回去开启。如果可以在加州卖,在其它州也可以卖,他们在其它州会选择性的开放一些功能性。你刚才说的OEM厂商对加州进行生产,不知道它们是不是有调整,这是非常重要的讨论话题。


  问:法律的角度有没有强制性的要求。

  Eric Martinot:是的。所有OEM厂商必须得有第一阶段的功能性,这是法律的要求。


  问:第二阶段和第三阶段呢?

  Eric Martinot:第二阶段在明年的某个时间点也会要求OEM,第三阶段需要时间,2018年会有其它问题。第三阶段根本没有任何的规划,包括第三阶段的功能性,什么时候强制要求。OEM制造商在设计时,是不是要根据第三阶段去设计,看哪种比较合理。我们不太知道第三阶段的功能性什么时候会成为强制性的要求,什么时候会成为法律的强制要求,还是说只是建议或指南。


  问:刚才说第三阶段是针对加州而言的,如果是正弦波逆变器的生产商想对整个美国进行市场开发,是不是每个州要遵循不同的规则?怎么生产正弦波逆变器?

  Eric Martinot:确实是问题。美国的一些州会设立自己州独有的要求,厂商要对不同州进行不同的调整,调整产品。但我认为可以把所有的规则都设计一下,同样的产品可以满足所有州的要求。其它州会遵循加州的脚步,像加州一样做第一阶段、第二阶段、第三阶段,因为这些公司可能已经在进行生产,我们希望能够给它们提供便利,能够在我们州进行销售。有一些州不知道他们会不会直接复制加州的模式,如果一个州作为领先者做了一件事情,很多的州都会直接效仿。我猜测法律的要求规定对第二阶段,很有可能会基于这些公司重新设计产品需要多长时间。如果厂商说今年年底可以重新设计完,那加州的政府可能就说把时间定在那个时候,这是政府的监管者和行业之间的协调商量,看有多大的成本,是不是可行。过去是这么做的,未来很有可能是这样,但对第二阶段没有那么关注,所以信息不足。

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