藉助虛擬振盪器控制這一全新技術，太陽能光伏系統能夠幫助提高電網的穩定性。
你好，太陽能：一名來自太陽城公司的工人在夏威夷一處房屋上安裝太陽能光伏板。夏威夷是全美併網屋頂太陽能系統普及率最高的州。
史蒂夫•約翰遜（Steve Johnson）家住美國科羅拉多州博爾德，若干年之前，他在房頂安裝了太陽能板。他把這一舉動認為是他個人為“清潔”世界做出的微薄貢獻，而且，如果這個與電網相連的光伏（PV）系統能在白天“時不時”地將電錶讀數“調回一點”，讓他少交電費的話，就更好了。
不久之後，約翰遜參觀了國家可再生能源實驗室（NREL），就在附近的戈爾登。這次參觀讓他了解到太陽能的潛在不利因素：當檢測到嚴重故障時，光伏系統會斷開與電網的連接。如果只是單個家用光伏系統斷開連接，或許只會對該家庭造成影響。但如果成千上萬個光伏系統同時發生這種情況，就會對整個供電網絡的平衡產生影響，從小規模的供電紊亂髮展到影響全市甚至全國的大規模停電事故。
許多發達國家的電力企業都面臨著前所未有的挑戰。越來越多的人選擇在家中或辦公地點安裝太陽能光伏系統。單就美國而言，2010年以來，光伏系統安裝數量的複合年增長率接近60%，裝機容量為32千兆瓦。這部分光伏系統輸入到配電線路中的電能，會導致電壓控制和頻率控制問題，威脅電網平衡。目前這個問題還不算嚴重，但隨著分佈式太陽能光伏系統不斷髮展，它的嚴重性會愈發凸顯。
上述問題產生的原因在於逆變器。所謂逆變器，是指能夠將光伏板提供的直流電（DC）轉換為電網中的交流電（AC）的電子系統。現在，絕大多數家庭和公司企業所買到的逆變器（包括史蒂夫家中所使用的那個）都是“非智能”的。儘管這種逆變器輸出的交流電電壓和頻率能夠與配電網同步，但是這種供電是被動的，它們無法感知電網中的具體變化，也無法據此對自身進行調整。
而新一代的“智能”逆變器能夠讓光伏系統不到萬不得已時不會掉線。根據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個光伏板突然斷開連接時導致電壓和頻率惡化問題，從而實現更高的電網穩定程度。我們在NREL的同事們也正在努力開發一種控制逆變器的創新性方法。利用這種方法，即便所有電能都來自太陽能、風能或其他使用逆變器與電網相連的能源形式，也可確保電網穩定工作。
智能逆變器已做好了準備來應對發展迅速的電力工業的巨大需求。隨著越來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大型中央發電廠的需求。這一現象導致的結果是：越來越多的傳統發電廠退出市場；而電網運營者正尋找各種途徑，確保以客戶早已習慣的穩定度繼續運行他們的供電網絡。智能逆變器和全新控制方法的結合對於幫助供電企業過渡至未來的電網時代而言至關重要。在未來電網時代大量電力由風力和太陽能產生將成為常態。
平穩狀態：一項名為“虛擬振盪器控制”（VOC）的全新技術可使智能太陽能逆變器感知頻率或電壓突變等電網擾動情況，並做出相應調整。隨著分佈式太陽能系統數量不斷增長及大型發電廠逐漸退出市場，VOC將能夠幫助維持電網的穩定。
試想一下，在某個豔陽高照的午間，如果某個燃煤發電廠突然電線脫落或某條輸電線路突然出現故障會導致什麼樣的結果：電網電壓可能下降多達10%。為將電壓恢復至正常狀態，技術人員需儘快為輸電線路提供補充電力供應。例如，通過供電企業專為應對上述緊急情況而設置的“備轉容量”來應急。或者，電力企業會限制消費者供電需求，採取一種被稱為“需求響應”的自動機制：當電費較高或電網可靠性受到影響時，徵詢用戶的合作，減少部分用戶的用電需求。
在發生上述緊急情況後，你最不希望的就是其他發電機也不工作——而這正是非智能逆變器集體關閉時經常發生的狀況。如果未及時發現，那麼當初不明顯的電壓下降就會迅速演變為波及面極廣的“大災難”。
當然，當電網出現故障時，我們確實應將逆變器與電網分離：如果光伏系統為那些掉落在地的電線繼續供電，那麼萬一有人不小心碰到這條電線，就會觸電。但在電網出現故障後的幾秒鐘內，保證光伏系統為那些沒有損壞的電網供電也很重要。
相對於非智能逆變器，智能逆變器可以應對電壓、頻率下降等短期電網波動。如果該類智能逆變器具備通信能力，那麼電網運營者就可藉此進行監測，並在電網發生變化時對智能逆變器進行控制，使其做出相應的響應。
為充分了解智能太陽能逆變器對於發電系統的影響，夏威夷無疑是最佳研究地區。夏威夷州的電費價格全美最高，因此在公用事業公司的激勵下，當地居民和企業都非常積極地安裝自己的光伏系統。在夏威夷州內，併網太陽能系統的安裝數量約為美國內陸州平均安裝數量的20倍，而這一差距仍在不斷拉大。去年，夏威夷州政府設立了全新目標：到2045年，該州電力供應將全部來自可再生能源。其中一小部分來自風能，絕大部分將來自分佈式太陽能。
即便是現在，瓦胡島上的太陽能裝置的普及率也很高。該州的供電企業夏威夷電力公司（HECO）通常會將分佈式太陽能系統所產生的電力通過配電線輸送回變電站之中。這種反饋設計本身不存在問題。然而，若配電線突發故障無法使用，太陽能電力便會重新輸回至消費者的設備之中。比方說，如果樹枝造成線路接地引發線路斷路器開路，電力就又會反向流至那些線路斷路器已斷開的家庭或企業之中。
電湧會形成電壓尖峰。如果電壓尖峰過高且持續時間足夠長，可能會損壞發動機、發電機和配電設備。為避免上述電壓過高問題的發生，HECO和夏威夷公用事業委員會在2014年發佈規定，瓦胡島上任何配電線所提供的太陽能電量均不得超過相關線路日間最低電量負載的120%。結果不出意外，數千HECO用戶無法將他們的光伏系統接入電網。許多其他計劃安裝新型屋頂光伏系統的用戶因此而決定不再安裝，不少太陽能系統安裝商的業務也隨之出現下滑。
很明顯，我們需要一項更好的解決方案。通過美國能源部的新能源計劃，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和太陽城（美國最大的太陽能電力供應商）公司的工程師進行合作，探尋能夠在瓦胡島電網中併入更多太陽能電力的方法。首先，他們使用NREL的能源系統集成設備對逆變器進行測試，檢查電壓過高時的各種不同情況。這一測試的目的是確定，在出現電壓過高問題時，智能逆變器能否做出響應，快速降低向電網輸入的電量。
在進行這些測試時，研究人員使用了5種經濟實用的高級逆變器，容量從3千瓦到12千瓦不等。這些被測逆變器包括以下類型：串列型逆變器，可在一串或多串太陽能板中獲取直流電；微型逆變器，可在單個太陽能板中獲取直流電。研究人員將每一個逆變器與電網模擬器以及一個負載進行連接，負載用於模擬太陽能板所供電的家庭。然後，他們監測上述逆變器在電網模擬器出現電壓尖峰時的反應。他們在太陽能發電量與負載的不同比例範圍內進行重複測試，發電量與負載比例範圍為11至101。
測試結果令人欣慰：所有逆變器均立即響應，削減了電力輸出。在所有測試中，最高電壓均未超過正常電壓的兩倍，而典型過電壓的發生機率更是大幅減小。另外，電壓尖峰僅持續了數微秒或數毫秒的時間，是一個可以接受的短持續週期。上述測試表明，在安裝智能逆變器之後，電壓尖峰引起的問題不再那麼令人擔憂。
根據上述測試結果，HECO在2015年初取消了瓦胡島內對太陽能系統的限制規定，同時規定，新太陽能安裝用戶須安裝由NREL審查通過的高級逆變器。HECO現正與逆變器製造商進行合作，使用NREL測試方法對其他型號的逆變器進行驗證。此外，HECO還與加利福尼亞州佩特盧馬的Enphase Energy公司合作，對已安裝在瓦胡島電網中的80萬臺微型逆變器進行重新編程，確保其在出現頻率和電壓異常時能正常運行，並在上述異常狀況下，幫助改善電網的穩定性。目前，HECO已將對每一配電線的光伏電量限制加倍至日間最低電量負載的250%。國際逆變器技術標準制定機構，例如IEEE和美國保險商實驗室（UL）已準備將過壓保護納入智能逆變器的標準，HECO所採取的上述措施最終將對全國甚至全球產生重要影響。
儘管當前的智能逆變器可以解決像HECO等供電企業所遇到的部分問題，但還有更大的問題等待解決。現在的電網仍依賴大型的中央發電廠，使用大型發電機按適當的轉速以固定的頻率發電——全球絕大多數地區的發電頻率為每秒50個週期，在美國和部分亞洲地區可達到每秒60個週期。上述大型發電機能夠為整個電網提供充分的機械慣量：發電機均規模龐大且相互間均嚴格同步作業，所以，只有十分嚴重的擾動情況才會對電網的頻率產生影響。
但是，分佈式能源，包括太陽能、風能、燃料電池和電池，並不具備同步發電機；它們提供的電量多變，數量不確定，且它們利用的與電網相連的逆變器也只是用於鎖定、追蹤電網頻率，並按照電網頻率進行供電。另外，隨著可再生能源發電的覆蓋範圍不斷擴大，許多大型中央發電廠——特別是煤炭發電廠——已經關停。因此，當發生大規模擾動時，電網將缺少目前所擁有的機械慣量來維持電壓和頻率的平穩。
基於此原因，未來的電網需要一種高級逆變器。這種逆變器不僅可以輔助電網運作，而且能主動幫助“形成”電網，例如對擾動情況做出反應並且彼此協作，以確保電網穩定。該種方法被稱為虛擬振盪器控制（VOC），由布萊恩•約翰遜（Brian Johnson）帶領的NREL團隊以及明尼蘇達大學的賽拉傑•多爾珀（Sairaj Dhople）、聖巴巴拉加州大學的弗朗西斯科•布魯（Francesco Bullo）以及蘇黎世聯邦理工學院的弗洛萊恩•多福勒（Florian Dörfler）共同開發。
VOC的基本理念是利用振盪器的屬性；振盪器即任何週期性運動的事物，例如機械彈簧、節拍器或發動機等。當兩個振盪器配對或耦合時，它們的運動情況將自然進入一致、同步的狀態。試想一下，有一個與剛性固定平板相連的彈簧，我們在彈簧下懸掛幾個砝碼。當向砝碼施加拉力從而使彈簧運動後，彈簧會不協調地四處亂彈。但是，如果該平板本身也是通過彈簧掛在天花板下的，那麼，就會形成反饋機制，對彈動的砝碼給予反向推力。在一段時間後，所有的砝碼將以同樣的頻率、同樣的步調來回彈動。
VOC的巧妙之處是使每一個逆變器像彈簧那樣做出響應：如電網電壓下降，逆變器會增加供電量，如此將電壓“推回”至原有狀態；同樣，如果電網電壓突然升高，逆變器會將其“拉回”至合理電壓範圍之內。同理，電網頻率的升高或降低，也會導致逆變器對其提供的電量進行調整，予以補償。
VOC通過軟件控制逆變器從而發揮作用。在具有VOC功能的逆變器連接至電網之後，電網本身就如同上文所述的靠彈簧懸掛的平板，能夠與相當於彈簧的逆變器相耦合。在同一電路中設置成千上萬個類似逆變器，這些逆變器就可協同作業，維持系統電壓和頻率處於一個可以接受的範圍之內。
NREL研究人員最初在設計VOC時，主要目的是保持規模相對較小的獨立電力網絡（即微電網）的穩定。微電網可與大型電網連接共同作業，也可斷開連接單獨作業。在與大型電網斷開連接後，微電網須自行產生所需的所有電力。在這種情況下，很難保證並維持微電網的穩定性。因為在本質上，微電網的總負載較少。所以，如果突然增加新的用電負載，如使用大型中央空調等，將會導致總用電需求量的相對激增。
智能太陽能：逆變器能夠將光伏板中的直流電轉換為電網所使用的交流電。當發現故障時，傳統逆變器會自動關停；但如圖所示的新一代逆變器可經過遠程更新，抵禦電網擾動。
為在微電網中測試VOC方法，NREL研究人員採用的測試裝置包含多種小型逆變器以及不同負載類型，逆變器的尺寸可安裝於光伏板上。該組研究人員為每一個逆變器安裝了VOC軟件，以便持續對電網情況進行評估和響應。多個VOC逆變器可協同作業，無需任何特別的通信或專用監控系統，即可確保微電網的穩定作業。從本質來看，該團隊創造了一個自調節式微電網。
該方法的響應速度比現行機制提高很多，稱為“下垂控制”。下垂控制被用於控制逆變器和其他需同步的機器（如發電機）。下垂控制的理念是：每臺發電機的電壓和頻率變化（下垂）與其發電量成正比，下垂控制可使多個發電機集成為一個系統。
但如果要將下垂控制應用到基於逆變器的系統，就需要一個控制系統，它能夠首先測量頻率和電壓數值，然後計算出相應的合理響應方式。這些必要的計算過程會導致響應速度過慢。但VOC可以像彈簧響應外力激勵那樣，迅速對電網中的變化做出響應，只須進行極少量的測量或計算工作。而且，逆變器之間無須進行直接的通信活動。
NREL目前正在測試VOC方法能否適用於連接數以千計家庭和企業的公用事業規模的電網。顯然，我們肯定不能在實際電網中進行實驗。我們的測試採用了許多家庭級別的逆變器和電量負載。逆變器與負載將與模擬電網進行真實的交互，可模擬眾多情形，供我們確定電網電壓和頻率在正常工作狀態下以及擾動情況下，是否均可處於預想的範圍之內。
NREL測試所使用的VOC逆變器是專門定製和編程的逆變器。但是，我們需要對VOC軟件進行標準化處理，使其可直接被應用到市面上已有的逆變器。在我們的測試中，我們也證明了VOC逆變器可與現在大型電網所使用的下垂控制方法兼容。
在更遠的將來，當全球電網脫離同步轉動式機械並轉向由電力電子控制的分佈式發電形式時，VOC將是保持電網穩定的最佳方法之一。這種轉變過渡已是大勢所趨，現在就是開始準備的時候了。
作者：Benjamin Kroposki