测试新兴的智能电网

日期:2017-02-14

保持快速增长关键基础设施的领先
作者:Ken Christensen, Keysight Technologies
 
“智能电网”的实施正在加速。在电力工程师和电力公司眼中曾经只是一个愿景的智能电网正在迅速形成。实现真正的智能电网的一个主要驱动力是分布式能源(DER)的采用。分布式并网发电已成为世界电力生产投资组合中一个越来越重要的组成部分。
随着更多可再生能源生产系统和并网存储设备的安装和电力生产能力的实现,不只有这一代已被证明是可行的电力来源,另外这些DER也有助于电网稳定。这些DER智能协调和控制功率实质上就是智能电网。
当DER,如风力和太阳能逆变器、蓄电池、柴油发电机、双向电动汽车(EV)充电被智能协调和控制时,电网运营商和消费者都会受益。这些可控组合发电机共同称为微电网。微电网与电网相连运行,当从电网断开时处于“孤岛”模式。微电网的大小从住宅应用的几千瓦到社区应用的数十兆瓦,如San Diego Gas & Electric Berrego Springs的微电网。
 
远程控制
对于电网运营商,这些采用现代电力电子技术的智能DER可以远程控制来调节它们的有功和无功功率。这允许运营商改变有功功率,以减轻频率异常事例,并改变无功功率,以在电压异常实例期间协助电网。
电力公司和政府机构也从微电网看到了巨大的好处。微电网可以与电网断开,在紧急情况和其他电力中断时提供电力。在自然灾害情况下,学校和杂货店的微电网可以为应急电源提供照明、通信与食品安全。这其中的一个例子是新泽西州巴约讷Advanced Solar Product设计的微电网。在超级风暴桑迪期间,这个微电网为好几天的通信和照明提供电力。
消费者也可以从微电网中受益。通过集成蓄电池储能和太阳能电动汽车,智能微电网可以用来减少或消除峰值需求高峰,存储来自午间最高产量的多余能量,在当天晚些时候电费可能是中午近两倍时使用。
特斯拉的Elon Musk最近宣布,他从SolarCity公司的角度描绘了一个在车库里结合了特斯拉汽车充电(及放电)的太阳能发电愿景,特斯拉Powerwall电池存储一起工作来优化能源生产。他巧妙地陈述了它们的共生关系,他说,“太阳能电池在一起就像花生酱和果冻。”在同一个星期,Musk谈到了微电网ConEd,纽约城电力供应商宣布将通过部署DER来抵消峰值将推迟12亿美元的子系统升级,后者需要主要基础设施的改进。
 
降低成本
在过去的5年中DER成本已大幅下降,可再生能源生产(平准化能源成本——–LCOE)等同于常规发电。事实上,在最近的DER文章和讨论中,话题完全集中在整合可再生能源与智能电网的积极金融方面,离开了拯救地球的好处!
现在对于DER生产者的挑战是验证他们用于电网的产品。许多供应商从来没有创建一个必须符合安全标准和电力公司和政府实体互动要求的产品。测试和认证DER的时间和资源挑战在不断增加,成为DER供应商越来越沉重的负担。最先进的实验室可以测试全面的各种环境条件、电网电气特性和系统组件。
在现实世界中及时测试这复杂变化的不同参数是不可能的。例如,对一套天气条件和一种类型太阳能电池模块,测试早上启动条件的太阳能逆变器的性能每天只能完成一次。如果测试设置中出现问题,如果条件不正确的话,测试必须等待更好的一天。受控制的实验室测试是满足供应商日益增长的上市时间压力的唯一合理方法。
任何并网发电都需要有一系列测试(见表1)。在许多情况下,每个国家(有时每个电力公司)都有独特的要求。这些测试可以从四个方面展开(括号中包括了北美洲太阳能逆变器的每个例子):
•     产品设计验证
•     安全/电气规范/政府法规(NFPA70/NEC, FCC)
•     行业标准(IEEE 1547 / UL1741, CEC逆变器效率)
•     并网要求(CAISO Rule 21, ERCOT, WECC)
 
表1:典型标准和电网要求
 
此外,对分布式发电机供应商被要求在多种操作条件下执行完成发电机性能的性能表征,这可能要经历通常超过20年的设备服务寿命。在所有这些操作条件下,工程师需要测量电能质量、谐波、能量产生和功率转换效率。
太阳能逆变器是DER一个很好的例子。DER有时也被称为分布式发电(DG)。测试之前通常要列出消耗30-40%时间开发一个太阳能逆变器的所有区域。太阳能逆变器必须在最恶劣环境条件下可靠发电;从1月份加拿大北部的屋顶飞雪到8月美国西南部的沙漠风沙。逆变器都必须被证明检测了异常电压和频率条件,并根据电网运营商的意见“穿越(ride-through)”或断开。
 
效率是关键
财务可行性的一个最重要方面是太阳能发电站如何从DC到AC电源使太阳能逆变器的转换效率最大化。在发电机的生命周期中,增加能源生产的百分之一可导致电力公司规模项目增加100美元或1000美元的能量。在今天的能源经济中,这些财务收益往往会使项目可行性出现很大差异。
太阳能逆变器的整体转换效率主要源于两个关键因素:最大功率点跟踪(MPPT)效率和DC-AC电源转换效率。太阳能电池板产生的功率取决于在其特性I-V曲线上的操作位置。太阳能电池板I-V曲线的例子如图1所示。电池板产生的电流随着照射的增加而增加。电压随着温度的升高而降低。在一天中,温度和辐射都在不断变化。准确有效地跟踪最大功率点(MPP)是嵌入在逆变器中的控制固件的工作。在一定程度上,这些控制算法是每一个逆变器的“秘制酱汁”。
 

图1:太阳能电池板的典型I-V特性和功率曲线
 
要测试逆变器跟踪太阳能电池阵列最大功率点的能力,一个光伏(PV)阵列模拟器被用来模拟一个选定阵列技术的行为。光伏阵列模拟器可产生一个功率曲线,它匹配一个特定太阳能电池板的发电特性。每个太阳能电池板型号都有其取决于其技术(薄膜、多晶硅等)独特的I-V特性曲线和太阳能电池的设计特点。你可以想象没有光伏阵列模拟器,要试图测试每一个可能的太阳能电池板与一个逆变器的复杂性和成本。
先进的光伏阵列模拟器也可自动化测试和向EN50530报告,它是测量MPP跟踪性能的业界标准。EN50530协议可在静态和动态模式下训练逆变器的MPP跟踪器,以持续测量逆变器的MPPT效率。EN50530需要近7个小时来完成。EN50530协议的自动化和报告中指定标准的自动生成提高了测试工程师的效率。
DC-AC电源转换测试通常遵循Sandia逆变器测试协议和/或IEC 61683,这是指定测量功率调节器效率过程的国际标准。这些都是复杂程序,需要一个环境测试室和精密测量仪器。
正如所有的测量那样,测试仪器必须有比你想做的测量精度更好的精度。大多数当代太阳能逆变器的峰值转换效率在98%以上。在转换效率测量的情况下,工程师们试图看到他们设计中的0.1%的改进。需要至少有0.05%精度的功率分析仪,来进行DC输入和AC输出测量。
为了增加所有测试的复杂性,太阳能逆变器技术在不断地变化着。降低组件成本、安装成本和i2T损耗,光伏阵列的DC电压在继续增加。下一代太阳能发电,包括太阳能电池板和1500Vdc工作的逆变器。因此,测试实验室必须升级他们的功率分析仪、光伏阵列模拟器和电源,以在这种更高DC电压下工作。
Keysight Technologies创建了一个测试方案,能够测试下一代1500Vdc逆变器以及600Vdc和1000Vdc逆变器。该解决方案包括一个Keysight N8937APV光伏阵列模拟器(见图2)和一个KeysightIntegraVision PA2203A功率分析仪(见图3),可连接到一个12kW三相太阳能逆变器。有了这个解决方案,工程师可以模拟现实世界的环境条件,并评估其对他们的逆变器的各个方面的影响。结合一个AC电网模拟器,这种逆变器测试解决方案使工程师能够测试电能质量问题、发电机的功率质量和效率。
 
 
图2:Keysight N8900APV(60kW配置)
 

图3:Keysight PA2203A 4通道功率分析仪
 
 
单独测试DER的测试挑战可能复杂而艰巨。研究微电网的所有组件如何安全地彼此交互,继续严格遵守电网交互要求成倍提高了测试工程师的复杂性。随着电网中微电网的激增,电网运营商所需的认证测试无疑会增加。
电网运营商的主要职责之一是向他们的用户提供清洁、可靠的电力供应。没有连接产品到电网之前正确的测试,电网就会变得不可靠。寻找与这些设备供应商合作的测试和测量领导厂商,就可以站在发电行业智能电网发展的前列。
 
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