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太陽光電逆變器的認證與發展關鍵
從電源轉換跨入智慧電網

【作者: 陳立閔】   2011年10月17日 星期一

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隨著太陽光電模組價格陷入了摩爾定律的魔咒,卻也因此加速了太陽能邁入普及化時代的來臨。當全球太陽光電模組的生產量不斷上升,價格持續向下探底,品質亦持續向上推升的同時,預告了太陽光再生能源將成為舉足輕重的分散式獨立電力源,亦將推動未來智慧電網的發展。其中擔任獨立的電源供應角色,亦是將來電網與太陽光電接口守門員的逆變器(Inverter),也成了太陽光電及併網發展成敗的關鍵。


太陽光電逆變器的基本認證要求

由於太陽光電池的輸出為直流電,而目前全世界通用的電氣系統為交流電,太陽光電池輸出的電流必須進行交流化與變壓後才能被電氣產品所使用,擔任交流化與變壓功能的裝置則被稱為Inverter,通稱為逆變器或變頻器,與一般通稱變頻冷氣的可變動運轉頻率不同,太陽光電的逆變器則必須輸出與電網相同且穩定的輸出頻率才能夠使電氣設備穩定的持續運作。


作為電源供應的設備,逆變器一般所需要取得的驗證包含轉換效率、功能特性與電氣安全。其中以電氣安全最為重要;轉換效率則與投資報酬及政府補助有極大關聯;功能特性中則以電壓與頻率穩定率因及負載穩定性相關,也是普遍受產業重視的兩大重要特性。


在眾多測試認證要求中,最易被忽略的反而是逆變器的可靠度驗證或者是所謂的使用年限驗證。太陽能模組由於機電結構簡單,動輒二、三十年的使用年限並非問題,逆變器由於採用大量的電子控制元件,頻繁的操作頻率,目前的使用年限大約只有五年,也往往成為太陽光電系統被忽視的關鍵成本。


併入智慧電網的太陽光電逆變器

電力網路,主要分為三大區域,第一為發電(Generation),第二為配送電(Transmission),第三則是用電(Application)。由於各自具備專業與效能安全的考量,如發電考慮電力品質、配送電考慮的是電力的損失與轉換效率、用電則考慮負載控制。過往這三個領域專業各自獨立,幾乎是互不接觸的獨立運作系統,電廠內的設備驗證、配送電的設備驗證,以及用電的設備驗證的主管機關也都不盡相同,法規亦不統一。


然而隨著智慧電網與再生能源的推展,分散電源供應打破了傳統由電廠與電網共主的局面,為了避免電業混亂、電網穩定與經濟秩序,大多數國家開始將電網視為一獨立系統,將電網與電廠分離,但電網仍然維持與用電單線連結的情況。在歐美地區雖鼓勵電業自由化的區域,允許不同電網業者跨區或共區經營與鋪設,但仍不允許私人未經許可的封閉商業電網(也稱為孤島;Island)的存在。


因此,目前除了自用的太陽光電模組以外,幾乎所有的太陽光電模組的終點都必須回到電網,也就是所謂的併網(Utility Interaction)。與不斷電系統(Uninterruptible Power Source;UPS)不同的是,不斷電系統主要是在停電才啟動,而目前的太陽光電系統併網則是採取隨時供電,但若在電網失效的情況下,就必須依照電網失效模式的不同採取持續供電或是斷電的功能。如圖一,當失效電網中發生孤島電源持續供應電能時,可能會造成維修人員的電擊危險。


《圖一 孤島發生時的維修危險》
《圖一 孤島發生時的維修危險》

由於必須具備與電網狀態互動的功能,因此擔負併網節點角色的逆變器,就必須依據每個電網功能特性而進行設定與調整,因此逆變器的併網驗證,成為了電網與逆變器業者目前最大的挑戰。


目前逆變器併網的驗證標準,主要分為IEC(整合歐盟與紐澳標準)與UL(基於IEEE)兩大系統,然而對於併網的特性,均以下列幾項特性作為考量:


  • (1)異常電壓與頻率響應 (Response to abnormal voltage and frequency)


  • (2)同步 (Synchronization)


  • (3)連接完整性(Interconnect integrity)


  • (4)異常性孤島(Unintentional islanding)


  • (5)直流注入限制(Limitation of dc injection)


  • (6)諧波(Harmonics)



太陽光電逆變器的未來發展

隨著太陽光電模組的報價不斷下跌,各國政府的補貼也減少的情況下,市場上更明顯地往兩極化發展,一端是大型的太陽能電廠,另一端則是屋頂式的簡便方案。大型電廠的逆變器容量規模可能在不久的將來將會跨過百萬瓦(MW)等級;針對屋頂式的單一模組則為500瓦以下的等級,也有業者喊出了各種微型逆變器的方案,以下是目前廣為大家討論的議題:


低電壓穿越(Low Voltage Ride Through;LVRT)

由於低壓(600V)變電站的配電力容量大約在50MW左右,因此MW等級的逆變器所承載的電量,確實已具有不可忽略的份量,因此對於這樣規模的逆變器,就必須額外考慮作為備用電源的能力,也就是作為主電網短暫失效狀態下的備用電源能力,直到電網決定全面斷電以進行維修。


智慧化

在逆變器為了併網功能傷腦筋的同時,逆變器業者還必須面臨另外一個重要元件的挑戰 - 智慧電表的功能整合。由於電力不允許私營,但是為了方便併網電量的計算與管制,較為先進的逆變器大多具備了電能(度)表的功能,與家用電錶的不同在於量測的電流方向不同。在智慧電網的架構下,各網路節點均必須能夠受到遠端的控制,而不僅僅是依照電力情況進行自動化的反應,因此作為閘點的逆變器,也將具備網路通訊功能,但是現今各大區域網路並沒有統一通訊架構,多通訊界面與可程式化的通訊設定(Protocol)、非破壞式量測精確度校正,以及無電狀態下的運作能力等,均是逆變器為了因應智慧電網化所必需具備的功能。


微型化

面對太陽光電普及化時代的來臨,家家戶戶安裝太陽光電模組作為備用或併用電源並非夢想,以每平方公尺可以產生80W(轉換效率大約為10%~15%)的一般效率模組,如果將五區每面2平方公尺的標準窗戶換成太陽光電模組,就能夠大約產生800W,也就是大約6~8台電扇或者是30~40顆省電燈泡的電能。無論是併網或者是作為備用電源,以台灣每天等效標準發電時數為5小時計算,一年可以產生約1200度(每度電相當於1KWh)的電量,可相當於3000~4000元的開支。為了減少裝置與安裝成本,逆變器的高效化、微型化與低價化勢必成為決勝的關鍵。


儲能系統管理

如圖二所示,風力與太陽光電一般被認為是可以互補的電力來源,然而儘管風力與太陽光電的特性看似能夠互補,但是考慮到電力的穩定供應,在不同的區域的風光與負載特性下,為了要充分利用光能,作為中介的儲能系統也是必須考慮的方案,儲能系統的方案如大型鉛蓄、鎳氫、鋰離子電池群,或燃料電池等,將便宜的電力(來自電網低價段或再生能源)儲存,在昂貴的使用時區段提取使用或賣回電網,均必須是未來逆變器為了促使智慧電網高效化所必須具備的功能之一。


《圖二 太陽能與風能的互補性》
《圖二 太陽能與風能的互補性》

技術決定輸贏 安全與使用壽命亦是關鍵

作為智慧電網的守門員,逆變器技術將會是決勝的秘密武器,除了價格與效率將不斷受到挑戰外,功能也必須不斷地進化,使用壽命與安全性更是不可忽略的關鍵因素。台灣作為全球資訊產品設計代工的重鎮,本地業者的垂直與平行合作亦是不可或缺。然而由於智慧電網投資龐大,各國均小心翼翼,甚至有原地踏步的狀況,為了進軍國際市場,本地業者必須要考慮整合性的運行合作方案與實驗實績,才能夠在再生能源與智慧電網的未來確保最重要的席位。


…作者陳立閔任職於UL公司,擔任UL University亞太區諮詢事業發展經理…


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