全面解析！随机性电源的特点及“即插即用”的要求

作为广泛利用的可再生清洁能源的光伏发电、风力发电，其利用方式分为集中利用和分散利用。分散利用构成的分布式发电（DistributedGeneration，DG）是多个中小型光伏和风力发电分散接入配电网，布置在用户附近，用户自发自用、多余电量上网，接入电压等级在10kV以下，容量一般在6MW以下，具有就地消纳，输配电损耗低，建设成本低等优点。由于光伏发电出力多少是随日照变化而变化，风力发电出力多少是随风速变化而变化，所以分布式发电体现的特征是随太阳昼夜变化及风速等气候变化而变化，即分布式发电具有随机性、间歇性和波动性等特点，这是与常规能源发电的最大不同。为改善分布式发电随机性、间歇性和波动性，引入储能（EnergyStorage，ES）构成的分布式电源（DistributedResources，DR），实现把电能储存起来，在配电网需要时供给配电网，配电网不需要时储存多余的电能，有效改善分布式发电的间歇性，把间歇性的分布式发电变成稳定的分布式电源。目前电动汽车不仅作为交通工具，电动汽车的V2G（Vehicle-to-grid，V2G）特性可将电动汽车的电能输送到电网，使电动汽车具备双向可控负荷（ControllableLoad，CL）特征，可作为配电网的有效可调负荷使用，电动汽车是一种储能装置的特殊载体，充电站的充电设备，同电动汽车的电池，可以实现电能在电动汽车和电网之间的能量互换，可作为配电网的有效负荷使用。

分布式光伏发电、分布式风力发电、储能装置和电动汽车的发展是新能源利用的发展趋势，它们都属于电源转换，应用场景都是需要接入配电网，但它们在时间及空间上存在差异，接入配电网也存在不同，把它们统一按照“随机性电源”（randompowersupply）考虑，本文从随机性电源的“即插即用”角度，探讨随机性电源的特点及即插即用的要求，实现即插即用需要的关键技术。

1 随机性电源特点

1.1 电力电子类型电源

光伏发电是采用电力电子类型的光伏逆变器（inverter）并网，风力发电是采用电力电子类型风机变流器（converter）并网，储能装置是采用电力电子类型储能变流器（converter）并网，电动汽车的充电或放电同储能装置，是采用电力电子类型充电机（ger）并网。逆变器、变流器、充电机均是实现电源转换，它们之间功能是根据应用场景的不同，实现不同的电源转换需求，都是采用DC/DC及DC/AC构成需要的电源转换设备。

1.2 改变接入点电压

DG接入配电网后，传统配电网的潮流分布会发生改变，同时会改变接入点稳态电压，改变接入点电压大小与接入点位置与容量有关。

从接入配电网安全考虑，尤其是防止孤岛现象的出现，国内外相关标准均对DG接入后的电压频率异常响应提出了专门要求，这些标准要求都非常苛刻，如：过电压超过1.1Un，在规定的时间内要求DG脱网，频率上限超过fnom+0.5Hz或下限低于fnom－0.7Hz，在规定的时间内要求DG脱网，如表1所示为DG正常运行时要求的电网电压及频率。

1.3 能量流动时空随机

从电源转换角度看，光伏发电是直流到交流转换，风力发电是交流到直流再到交流转换，储能及电动汽车是直流到交流转换，对未来发展的直流电网，电源转换是直流到直流转换。随机性电源接入配电网的并网要求是一致的，但不同类型的电源之间还是有不同的差异，这些差异主要体现在时间、空间、能量流动等方面。在时间方面：光伏发电出力随昼夜日出变化，风力发电出力随气候风速变化，储能出力随消峰填谷曲线变化，电动汽车随人的用车出行行为变化；在空间方面：光伏发电、风力发电、储能位置固定不变，电动汽车随车俩移动位置变化；在能量流动方面，光伏发电、风力发电是发电到电网，能量流动是单向流动，储能及电动汽车是既可以电池到电网，也可以电网到电池，能量流动是双向流动。

1.4 高渗透率与配网安全相互矛盾

随机性电源接入配电网电气特性是一致的，但它们接入配电网的需求是不同的。分布式光伏发电、风力发电是尽可能多发电，渗透率越高越好，DG无约束大规模接入以及负荷的多变性可能引起较大的电压偏差和波动，甚至出现电压越限现象，影响配电网安全，配电网需求是接入DG尽量不影响配电网供电可靠性，这也造成了高渗透率与配网安全相互矛盾：DG尽量多发电，提高发电渗透率，渗透率过高又导致逆变器（变流器）因过电压而退出，DG频繁投入/退出，又降低了DG的发电量。固定储能有效改善分布式发电的间歇性，但电动汽车由于空间差异，可能在甲地充电，而在乙地放电，无约束放电以及负荷的多变性同样引起的电压偏差和波动，影响配电网安全，会造成有车无法放电的现象。

2 随机性电源即插即用的要求

2.1 转换统一

随机性电源都属于电力电子类型电源，由于应用场景的不同，把它们分成逆变器、变流器、充电机。在工程应用中，由于电力电子电源根据应用场景专用设计，存在拓扑结构差异大，电气接口不统一，设备损坏更换可替换性差，对配电网影响差异大等，同时存在传统两电平DC/AC及DC/DC开关器件损耗大、整机效率低、功率密度不高等缺点。很难解决目前交流接入配电网并网点电压波动、频率偏移、电网故障穿越及不对称短路故障下分相动态无功支撑技术、负荷不平衡抑制、微电网并网/孤岛运行模式无缝切换、微电网扩容时多机无通信线即插即用/自主并联等技术难题；及对未来发展的交直流混合微电网系统中直流电网节点功率波动、电压振荡、孤岛运行模式下直流电网电压支撑、直流微电网扩容时多机无通信线即插即用/自主并联等技术难题。因此需要不同类型的随机性电源的电源转换统一，采用高功率密度、可自主并联、接口统一的三电平DC/DC及DC/AC构成需要的电源转换设备，实现随机性电源接入设备的即插即用。

2.2 安全并网

随机性电源接入配电网后，都需要考虑并网安全，最重要的是要考虑配电网由于故障或自然因素等原因中断供电时，随机性电源向负荷供电，与负荷形成孤岛现象。随机性电源接入的安全并网，保证维修人员的人身安全是第一位的。目前的孤岛检测方法，一种是设置在逆变器内部，采用被动检测法和主动检测法，被动式通过电压、频率、相位、谐波等是否出现异常来判断孤岛，被动检测法存在检测盲区问题；主动式通过在输出电流的幅值、频率、初始相位注入扰动，经常采用的有功率扰动法、频率扰动法、相位偏移法等，主动检测法存在多台逆变器并联运行时，扰动不同步会使检测不准确问题。另一种是设置逆变器外部，通过通信手段检测断路器状态实现孤岛检测或通过设置专门的反孤岛装置，通过操纵开关及扰动负载，改变平衡实现孤岛检测，依赖通信检测断路器状态方法复杂，要求配网自动化水平高，采用专门的反孤岛装置需要手动投入。因此需要一种不依赖逆变器，不依赖通信，不需要人工投入的主动式反孤岛方法，实现随机性电源的安全并网。

2.3 信息互联

分布式电源接入配电网需要相应的互联设备，互联设备信息众多，规约类型多样，实现信息互联互通，实现信息互联即插即用。为适应分布式能源各种运行和控制模式的需求，《IEC61850-90-7分布式能源系统》应用IEC61850建模，实现分布式能源紧急控制、电压无功控制、频率控制、电压管理等各类业务。实现随机性电源信息互联，可以实现区域随机性电源接入设备的运行状况，并根据设备的运行状况及维修记录进行评估并提前进行维护，提高设备正常运行时间，同时实现设备的电子化运行维护流程，解决现有运维的困难，提高随机性电源的利用水平。信息互联技术特征是“随机性电源+互联网”，采用移动终端对电气设备调试整定，实现了非接触式的安装、调试、运维检查、诊断，更能保证人身设备的安全。

2.4 超高速控制

分布式电源接入配电网使得传统配电网变成主动配电网（ADN），配电网控制中心从传统的计算型向分析型、智能型转变。需要配电网的智能化控制技术实现对随机性电源的协调、有序控制，实现对随机性电源接入配电网的自适应。方法之一是采用配电网控制中心，利用测量、通信、计算机、自动化等IT技术，获取各类配电网信息，实现对随机性电源的协调、有序控制，其缺点是依赖通信，控制响应速度慢。另一种是采用就地自身控制，快速响应配电网要求，这就需要对随机性电源接入能够实现超高速控制，超高速控制技术应用于随机性电源控制方面有：超高速无功补偿技术、超高速储能充放电技术、超高速有源滤波技术、超高速并网技术等。超高速控制能毫秒级无功反向切换、无功灵活自由调节，毫秒级充放电转换，毫秒级有源滤波无冲击平滑切换，毫秒级并网有功从零到满功率输出、满功率输出到零等。

3 应用场景的拓展

3.1 光储一体机

分布式电源的商业应用朝两个方向发展，一个是区域的分布式发电接入，一般容量较大，大于50kW；另一个是家庭用的户用光伏接入，容量较小，适合一个家庭或多个家庭使用，一般小于20kW。户用光伏通过采用光储一体机方式，解决家庭照明等一些日常电器的基本用电需求。光储一体机设计方式有共交流母线、共光伏母线以及共直流母线三种形式。其中采用共直流母线的系统结构，如图1c）所示，光伏电池通过单向DC/DC，储能经过双向DC/DC并入直流母线，直流母线通过双向DC/AC并入电网，这种结构优点是电池的充电级数比较少、效率高、成本低，是目前比较常用的一种一体机方式结构形式。

图1 光储一体机结构