你好，太阳能：一名来自太阳城公司的工人在夏威夷一处房屋上安装太阳能光伏板。夏威夷是全美并网屋顶太阳能系统普及率最高的州。

　　史蒂夫•约翰逊(Steve Johnson)家住美国科罗拉多州博尔德，若干年之前，他在房顶安装了太阳能板。他把这一举动认为是他个人为“清洁”世界做出的微薄贡献，而且，如果这个与电网相连的光伏(PV)系统能在白天“时不时”地将电表读数“调回一点”，让他少交电费的话，就更好了。

　　不久之后，约翰逊参观了国家可再生能源实验室(NREL)，就在附近的戈尔登。这次参观让他了解到太阳能的潜在不利因素：当检测到严重故障时，光伏系统会断开与电网的连接。如果只是单个家用光伏系统断开连接，或许只会对该家庭造成影响。但如果成千上万个光伏系统同时发生这种情况，就会对整个供电网络的平衡产生影响，从小规模的供电紊乱发展到影响全市甚至全国的大规模停电事故。

　　许多发达国家的电力企业都面临着前所未有的挑战。越来越多的人选择在家中或办公地点安装太阳能光伏系统。单就美国而言，2010年以来，光伏系统安装数量的复合年增长率接近60%，装机容量为32千兆瓦。这部分光伏系统输入到配电线路中的电能，会导致电压控制和频率控制问题，威胁电网平衡。目前这个问题还不算严重，但随着分布式太阳能光伏系统不断发展，它的严重性会愈发凸显。

　　上述问题产生的原因在于逆变器。所谓逆变器，是指能够将光伏板提供的直流电(DC)转换为电网中的交流电(AC)的电子系统。现在，绝大多数家庭和公司企业所买到的逆变器(包括史蒂夫家中所使用的那个)都是“非智能”的。尽管这种逆变器输出的交流电电压和频率能够与配电网同步，但是这种供电是被动的，它们无法感知电网中的具体变化，也无法据此对自身进行调整。

　　而新一代的“智能”逆变器能够让光伏系统不到万不得已时不会掉线。根据NREL及其合作伙伴的近期研究成果，这种逆变器可避免在成千上万个光伏板突然断开连接时导致电压和频率恶化问题，从而实现更高的电网稳定程度。我们在NREL的同事们也正在努力开发一种控制逆变器的创新性方法。利用这种方法，即便所有电能都来自太阳能、风能或其他使用逆变器与电网相连的能源形式，也可确保电网稳定工作。

　　智能逆变器已做好了准备来应对发展迅速的电力工业的巨大需求。随着越来越多的家庭安装光伏板，光伏板提供的电能正逐步降低人们对大型中央发电厂的需求。这一现象导致的结果是：越来越多的传统发电厂退出市场;而电网运营者正寻找各种途径，确保以客户早已习惯的稳定度继续运行他们的供电网络。智能逆变器和全新控制方法的结合对于帮助供电企业过渡至未来的电网时代而言至关重要。在未来电网时代大量电力由风力和太阳能产生将成为常态。

　　平稳状态：一项名为“虚拟振荡器控制”(VOC)的全新技术可使智能太阳能逆变器感知频率或电压突变等电网扰动情况，并做出相应调整。随着分布式太阳能系统数量不断增长及大型发电厂逐渐退出市场，VOC将能够帮助维持电网的稳定。

　　试想一下，在某个艳阳高照的午间，如果某个燃煤发电厂突然电线脱落或某条输电线路突然出现故障会导致什么样的结果：电网电压可能下降多达10%。为将电压恢复至正常状态，技术人员需尽快为输电线路提供补充电力供应。例如，通过供电企业专为应对上述紧急情况而设置的“备转容量”来应急。或者，电力企业会限制消费者供电需求，采取一种被称为“需求响应”的自动机制：当电费较高或电网可靠性受到影响时，征询用户的合作，减少部分用户的用电需求。

　　在发生上述紧急情况后，你最不希望的就是其他发电机也不工作——而这正是非智能逆变器集体关闭时经常发生的状况。如果未及时发现，那么当初不明显的电压下降就会迅速演变为波及面极广的“大灾难”。

　　当然，当电网出现故障时，我们确实应将逆变器与电网分离：如果光伏系统为那些掉落在地的电线继续供电，那么万一有人不小心碰到这条电线，就会触电。但在电网出现故障后的几秒钟内，保证光伏系统为那些没有损坏的电网供电也很重要。

　　相对于非智能逆变器，智能逆变器可以应对电压、频率下降等短期电网波动。如果该类智能逆变器具备通信能力，那么电网运营者就可借此进行监测，并在电网发生变化时对智能逆变器进行控制，使其做出相应的响应。

　　为充分了解智能太阳能逆变器对于发电系统的影响，夏威夷无疑是最佳研究地区。夏威夷州的电费价格全美最高，因此在公用事业公司的激励下，当地居民和企业都非常积极地安装自己的光伏系统。在夏威夷州内，并网太阳能系统的安装数量约为美国内陆州平均安装数量的20倍，而这一差距仍在不断拉大。去年，夏威夷州政府设立了全新目标：到2045年，该州电力供应将全部来自可再生能源。其中一小部分来自风能，绝大部分将来自分布式太阳能。

　　即便是现在，瓦胡岛上的太阳能装置的普及率也很高。该州的供电企业夏威夷电力公司(HECO)通常会将分布式太阳能系统所产生的电力通过配电线输送回变电站之中。这种反馈设计本身不存在问题。然而，若配电线突发故障无法使用，太阳能电力便会重新输回至消费者的设备之中。比方说，如果树枝造成线路接地引发线路断路器开路，电力就又会反向流至那些线路断路器已断开的家庭或企业之中。

　　电涌会形成电压尖峰。如果电压尖峰过高且持续时间足够长，可能会损坏发动机、发电机和配电设备。为避免上述电压过高问题的发生，HECO和夏威夷公用事业委员会在2014年发布规定，瓦胡岛上任何配电线所提供的太阳能电量均不得超过相关线路日间最低电量负载的120%。结果不出意外，数千HECO用户无法将他们的光伏系统接入电网。许多其他计划安装新型屋顶光伏系统的用户因此而决定不再安装，不少太阳能系统安装商的业务也随之出现下滑。

　　很明显，我们需要一项更好的解决方案。通过美国能源部的新能源计划，NREL的研究人员苏迪塔•查克拉博蒂(Sudipta Chakraborty)和安德森•霍克(Anderson Hoke)，同HECO和太阳城(美国最大的太阳能电力供应商)公司的工程师进行合作，探寻能够在瓦胡岛电网中并入更多太阳能电力的方法。首先，他们使用NREL的能源系统集成设备对逆变器进行测试，检查电压过高时的各种不同情况。这一测试的目的是确定，在出现电压过高问题时，智能逆变器能否做出响应，快速降低向电网输入的电量。

　　在进行这些测试时，研究人员使用了5种经济实用的高级逆变器，容量从3千瓦到12千瓦不等。这些被测逆变器包括以下类型：串列型逆变器，可在一串或多串太阳能板中获取直流电;微型逆变器，可在单个太阳能板中获取直流电。研究人员将每一个逆变器与电网模拟器以及一个负载进行连接，负载用于模拟太阳能板所供电的家庭。然后，他们监测上述逆变器在电网模拟器出现电压尖峰时的反应。他们在太阳能发电量与负载的不同比例范围内进行重复测试，发电量与负载比例范围为11至101。

　　测试结果令人欣慰：所有逆变器均立即响应，削减了电力输出。在所有测试中，最高电压均未超过正常电压的两倍，而典型过电压的发生几率更是大幅减小。另外，电压尖峰仅持续了数微秒或数毫秒的时间，是一个可以接受的短持续周期。上述测试表明，在安装智能逆变器之后，电压尖峰引起的问题不再那么令人担忧。

　　根据上述测试结果，HECO在2015年初取消了瓦胡岛内对太阳能系统的限制规定，同时规定，新太阳能安装用户须安装由NREL审查通过的高级逆变器。HECO现正与逆变器制造商进行合作，使用NREL测试方法对其他型号的逆变器进行验证。此外，HECO还与加利福尼亚州佩特卢马的Enphase Energy公司合作，对已安装在瓦胡岛电网中的80万台微型逆变器进行重新编程，确保其在出现频率和电压异常时能正常运行，并在上述异常状况下，帮助改善电网的稳定性。目前，HECO已将对每一配电线的光伏电量限制加倍至日间最低电量负载的250%。国际逆变器技术标准制定机构，例如IEEE和美国保险商实验室(UL)已准备将过压保护纳入智能逆变器的标准，HECO所采取的上述措施最终将对全国甚至全球产生重要影响。

　　尽管当前的智能逆变器可以解决像HECO等供电企业所遇到的部分问题，但还有更大的问题等待解决。现在的电网仍依赖大型的中央发电厂，使用大型发电机按适当的转速以固定的频率发电——全球绝大多数地区的发电频率为每秒50个周期，在美国和部分亚洲地区可达到每秒60个周期。上述大型发电机能够为整个电网提供充分的机械惯量：发电机均规模庞大且相互间均严格同步作业，所以，只有十分严重的扰动情况才会对电网的频率产生影响。

　　但是，分布式能源，包括太阳能、风能、燃料电池和电池，并不具备同步发电机;它们提供的电量多变，数量不确定，且它们利用的与电网相连的逆变器也只是用于锁定、追踪电网频率，并按照电网频率进行供电。另外，随着可再生能源发电的覆盖范围不断扩大，许多大型中央发电厂——特别是煤炭发电厂——已经关停。因此，当发生大规模扰动时，电网将缺少目前所拥有的机械惯量来维持电压和频率的平稳。

　　基于此原因，未来的电网需要一种高级逆变器。这种逆变器不仅可以辅助电网运作，而且能主动帮助“形成”电网，例如对扰动情况做出反应并且彼此协作，以确保电网稳定。该种方法被称为虚拟振荡器控制(VOC)，由布莱恩•约翰逊(Brian Johnson)带领的NREL团队以及明尼苏达大学的赛拉杰•多尔珀(Sairaj Dhople)、圣巴巴拉加州大学的弗朗西斯科•布鲁(Francesco Bullo)以及苏黎世联邦理工学院的弗洛莱恩•多福勒(Florian Dörfler)共同开发。

　　VOC的基本理念是利用振荡器的属性;振荡器即任何周期性运动的事物，例如机械弹簧、节拍器或发动机等。当两个振荡器配对或耦合时，它们的运动情况将自然进入一致、同步的状态。试想一下，有一个与刚性固定平板相连的弹簧，我们在弹簧下悬挂几个砝码。当向砝码施加拉力从而使弹簧运动后，弹簧会不协调地四处乱弹。但是，如果该平板本身也是通过弹簧挂在天花板下的，那么，就会形成反馈机制，对弹动的砝码给予反向推力。在一段时间后，所有的砝码将以同样的频率、同样的步调来回弹动。

　　VOC的巧妙之处是使每一个逆变器像弹簧那样做出响应：如电网电压下降，逆变器会增加供电量，如此将电压“推回”至原有状态;同样，如果电网电压突然升高，逆变器会将其“拉回”至合理电压范围之内。同理，电网频率的升高或降低，也会导致逆变器对其提供的电量进行调整，予以补偿。

　　VOC通过软件控制逆变器从而发挥作用。在具有VOC功能的逆变器连接至电网之后，电网本身就如同上文所述的靠弹簧悬挂的平板，能够与相当于弹簧的逆变器相耦合。在同一电路中设置成千上万个类似逆变器，这些逆变器就可协同作业，维持系统电压和频率处于一个可以接受的范围之内。

　　NREL研究人员最初在设计VOC时，主要目的是保持规模相对较小的独立电力网络(即微电网)的稳定。微电网可与大型电网连接共同作业，也可断开连接单独作业。在与大型电网断开连接后，微电网须自行产生所需的所有电力。在这种情况下，很难保证并维持微电网的稳定性。因为在本质上，微电网的总负载较少。所以，如果突然增加新的用电负载，如使用大型中央空调等，将会导致总用电需求量的相对激增。

　　智能太阳能：逆变器能够将光伏板中的直流电转换为电网所使用的交流电。当发现故障时，传统逆变器会自动关停;但如图所示的新一代逆变器可经过远程更新，抵御电网扰动。

　　为在微电网中测试VOC方法，NREL研究人员采用的测试装置包含多种小型逆变器以及不同负载类型，逆变器的尺寸可安装于光伏板上。该组研究人员为每一个逆变器安装了VOC软件，以便持续对电网情况进行评估和响应。多个VOC逆变器可协同作业，无需任何特别的通信或专用监控系统，即可确保微电网的稳定作业。从本质来看，该团队创造了一个自调节式微电网。

　　该方法的响应速度比现行机制提高很多，称为“下垂控制”。下垂控制被用于控制逆变器和其他需同步的机器(如发电机)。下垂控制的理念是：每台发电机的电压和频率变化(下垂)与其发电量成正比，下垂控制可使多个发电机集成为一个系统。

　　但如果要将下垂控制应用到基于逆变器的系统，就需要一个控制系统，它能够首先测量频率和电压数值，然后计算出相应的合理响应方式。这些必要的计算过程会导致响应速度过慢。但VOC可以像弹簧响应外力激励那样，迅速对电网中的变化做出响应，只须进行极少量的测量或计算工作。而且，逆变器之间无须进行直接的通信活动。

　　NREL目前正在测试VOC方法能否适用于连接数以千计家庭和企业的公用事业规模的电网。显然，我们肯定不能在实际电网中进行实验。我们的测试采用了许多家庭级别的逆变器和电量负载。逆变器与负载将与模拟电网进行真实的交互，可模拟众多情形，供我们确定电网电压和频率在正常工作状态下以及扰动情况下，是否均可处于预想的范围之内。

　　NREL测试所使用的VOC逆变器是专门定制和编程的逆变器。但是，我们需要对VOC软件进行标准化处理，使其可直接被应用到市面上已有的逆变器。在我们的测试中，我们也证明了VOC逆变器可与现在大型电网所使用的下垂控制方法兼容。

　　在更远的将来，当全球电网脱离同步转动式机械并转向由电力电子控制的分布式发电形式时，VOC将是保持电网稳定的最佳方法之一。这种转变过渡已是大势所趋，现在就是开始准备的时候了。