陳國(guó)呈，蔡立清，周勤利，顧紅兵，雷電

(1．江蘇斯達(dá)工業(yè)科技有限公司，江蘇常州200122;2．上海大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

電力電子在微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能社區(qū)中的應(yīng)用動(dòng)向

陳國(guó)呈1，2，蔡立清1，周勤利1，顧紅兵1，雷電2

(1．江蘇斯達(dá)工業(yè)科技有限公司，江蘇常州200122;2．上海大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

為了可持續(xù)使用能源和保護(hù)地球環(huán)境，世界各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)利用可再生能源。但可再生能源大量并網(wǎng)后會(huì)引發(fā)哪些新問(wèn)題?未來(lái)的能源格局將如何變化?各國(guó)都還在探索之中。本文以富士電機(jī)的案例為基礎(chǔ)，介紹該公司在新能源開(kāi)發(fā)利用、微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能社區(qū)、能源管理、通信網(wǎng)絡(luò)、電力穩(wěn)定、供需平衡等方面的一些構(gòu)想，從中導(dǎo)出電力電子的未來(lái)走向。

新能源;微電網(wǎng);智能電網(wǎng);智能社區(qū);電力電子;能源管理系統(tǒng)

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口持續(xù)增加、人們生活水平不斷提高，能源緊缺、環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。為了可持續(xù)使用能源和保護(hù)地球環(huán)境，各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)利用可再生能源。目前的電力系統(tǒng)還是半個(gè)世紀(jì)以前的格局，屬計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式。電力部門(mén)總把電力事業(yè)據(jù)為己有，獨(dú)占鰲頭，從而壟斷市場(chǎng)價(jià)格，這是黃金律，沒(méi)商量。20多年前，很多國(guó)家引入了電力市場(chǎng)，該黃金律受到了很大挑戰(zhàn)。2002年，美國(guó)電科院提出了智能電網(wǎng)的概念［1］，并在歐洲得以實(shí)現(xiàn)，如今智能電網(wǎng)已得到世界各國(guó)的普遍接受。傳統(tǒng)電力市場(chǎng)不是真正意義上的理想市場(chǎng)，真正意義上的理想電力市場(chǎng)應(yīng)該是智能電網(wǎng)。如今從電力電子角度看，新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)似乎比較成熟，但可再生能源大量并網(wǎng)后會(huì)出現(xiàn)什么新問(wèn)題?未來(lái)的能源格局將會(huì)如何?各國(guó)還在探索之中。近期，作者閱讀了《富士時(shí)報(bào)》(富士電機(jī)公司內(nèi)部期刊)的許多有關(guān)新能源、微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能社區(qū)的文章，覺(jué)得一些思想值得借鑒，遂推介此“他山之石”，供同行共享。

2 智能電網(wǎng)

可再生能源大量使用后，電能質(zhì)量面臨著巨大挑戰(zhàn)。如果并入電網(wǎng)的容量超過(guò)電網(wǎng)供給量的10%，電網(wǎng)的頻率和電壓就會(huì)不穩(wěn)定［2］。而且，電能的流動(dòng)已不是單從電力公司的發(fā)電站流向用戶(hù)一方，而是雙方向的，甚至在各用戶(hù)之間流動(dòng)。為了應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)的波動(dòng)，須在電網(wǎng)側(cè)增設(shè)大量的補(bǔ)償設(shè)備，顯然這些設(shè)備的運(yùn)行率并不高，很不經(jīng)濟(jì)。通過(guò)信息技術(shù)將用戶(hù)和電網(wǎng)融合在一起，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行，讓電網(wǎng)自身具備電力最優(yōu)供需控制功能，以極大地提高電力供應(yīng)能力和利用效率，這就是智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)就是為實(shí)現(xiàn)該協(xié)調(diào)控制的一種手段。智能電網(wǎng)以數(shù)字化電力設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，既控制能量流，也控制信息流，使強(qiáng)弱電技術(shù)相互融合。數(shù)字化電力設(shè)備涉及智能傳感、智能診斷、智能操作、專(zhuān)用集成電路開(kāi)發(fā)、電磁兼容、網(wǎng)絡(luò)化信息交互等技術(shù)。其最終目的是達(dá)到測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化及信息互動(dòng)化。智能電網(wǎng)技術(shù)已成為強(qiáng)化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略支柱［3］。

智能電網(wǎng)能夠吸納其所覆蓋地區(qū)范圍內(nèi)的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等分散型電源，從而大幅度提高該地區(qū)的能源自給率。這樣，在地震、洪澇等大范圍災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可以分散能源基礎(chǔ)設(shè)施遭受損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并利用多種當(dāng)?shù)厣傻哪茉匆匝杆倩謴?fù)該地區(qū)重要部門(mén)的能量供應(yīng)。

在智能電網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)大范圍擴(kuò)大利用新能源，結(jié)合推廣應(yīng)用具有高節(jié)能性能的樓宇、高效率的交通系統(tǒng)、可靠安全的供水系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)低碳、便捷的城市基礎(chǔ)設(shè)施，這就是智能管理的構(gòu)想。在此構(gòu)想下，規(guī)劃和展開(kāi)新城市開(kāi)發(fā)、城市改造等工程。

3 智能社區(qū)的架構(gòu)

3.1 智能社區(qū)

隨著發(fā)展中國(guó)家工業(yè)園區(qū)、新城區(qū)的不斷創(chuàng)立，其能源供給、水源供給、交通、物流等社會(huì)基礎(chǔ)構(gòu)建將需要大量投資［3］;發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)期間所裝備的既有能源設(shè)施通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施再投資和開(kāi)發(fā)，逐步更新為智能電網(wǎng)是必然趨勢(shì)［4］。目前，世界上有300多個(gè)新城市開(kāi)發(fā)和城市改造正在進(jìn)行中，涉及的不單純是電網(wǎng)智能化問(wèn)題，還拓展到如何構(gòu)建包括生活用水、交通、物流等與能源相融合的環(huán)境友好的城市空間問(wèn)題，即智能社區(qū)、生態(tài)城的問(wèn)題［5］。圖1是智能社區(qū)的示意圖。

圖1 智能社區(qū)的示意圖Fig．1Diagram of smart community

智能社區(qū)的市場(chǎng)需求不是提供單一的核心技術(shù)，而是把作為能源基礎(chǔ)設(shè)施的能源供給、能源流通乃至用戶(hù)對(duì)能源的高效利用等一并考慮，構(gòu)成一條“一站式”的能源供應(yīng)鏈，作為商業(yè)規(guī)劃操作，且要求具有水供給、廢棄物處理、交通、物流等綜合的社會(huì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的功能［3］。

3.2 智能社區(qū)的架構(gòu)

圖2是富士電機(jī)考慮的智能社區(qū)架構(gòu)。富士電機(jī)擁有大規(guī)?；鹆Πl(fā)電、水力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電的工廠(chǎng)技術(shù)，還能提供可利用低溫低熱的雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電、輕量可彎曲的非晶太陽(yáng)能電池、工業(yè)用磷酸燃料電池等很有特色的供電方用的產(chǎn)品，以及為將以上產(chǎn)品安全接入電網(wǎng)的變電站保護(hù)系統(tǒng)、為光伏發(fā)電/風(fēng)力發(fā)電時(shí)的電力波動(dòng)進(jìn)行削峰填谷使之平滑并入電網(wǎng)的一系列電力系統(tǒng)穩(wěn)定化裝置［3］。

圖2 智能社區(qū)的架構(gòu)Fig．2Architecture of smart community

富士電機(jī)把“智能社區(qū)”作為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，它涵蓋了智能電網(wǎng)、交通系統(tǒng)及給排水等公用設(shè)施。其中智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分為5個(gè)層面，即:功率器件、電力電子設(shè)備、用戶(hù)電網(wǎng)、微電網(wǎng)及作為能源基礎(chǔ)設(shè)施的智能電網(wǎng)本身。

電力電子設(shè)備:包括UPS、直流大電流電源、電動(dòng)汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)、交通運(yùn)輸各領(lǐng)域所需的各種電力電子設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器、可再生能源剩余電力儲(chǔ)存系統(tǒng)、維持電網(wǎng)電壓平穩(wěn)的無(wú)功功率補(bǔ)償及電壓調(diào)整器等。富士電機(jī)利用其特有的反向阻斷型IGBT(RB-IGBT)研發(fā)出三電平變換器［6］，其功耗降低了30%～40%。

用戶(hù)電網(wǎng):智能電網(wǎng)的重點(diǎn)是考慮家庭、產(chǎn)業(yè)、交通等用戶(hù)側(cè)的節(jié)能。富士電機(jī)以工廠(chǎng)和樓宇的用戶(hù)為對(duì)象，利用EMS實(shí)現(xiàn)能源的可視化、分析評(píng)估及設(shè)備整體的優(yōu)化運(yùn)行，且通過(guò)電力電子設(shè)備向用戶(hù)綜合提供節(jié)能對(duì)策的解決方案，即綠色導(dǎo)航(Green Navigation)。此外，隨著服務(wù)器集成化程度的提高和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)對(duì)能量密度需求的不斷增大，電力電子設(shè)備以IDC為對(duì)象，提供了以超高效UPS和當(dāng)?shù)乜照{(diào)系統(tǒng)為中心的綠色I(xiàn)DC解決方案，進(jìn)而以便利店、物流業(yè)界為對(duì)象，提供一站式節(jié)能店鋪的綜合解決方案。

微電網(wǎng):包括光伏組件、燃料電池、風(fēng)電機(jī)、生物質(zhì)發(fā)電、余熱發(fā)電等組成的網(wǎng)絡(luò)。孤島的電力供應(yīng)多半還是靠柴油發(fā)電機(jī)，因此存在著燃料運(yùn)輸費(fèi)用及環(huán)保問(wèn)題。孤島的微電網(wǎng)通過(guò)現(xiàn)有的柴油發(fā)電及蓄電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，消除光伏發(fā)電/風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電時(shí)所引起的能源供需不平衡，并維持良好的電網(wǎng)質(zhì)量。

智能電網(wǎng):包括發(fā)電廠(chǎng)、變電站、高壓電網(wǎng)，它將上述EMS與上位地區(qū)的EMS在同一個(gè)信息平臺(tái)上分級(jí)聯(lián)結(jié)起來(lái)。對(duì)于家庭類(lèi)小規(guī)模用戶(hù)來(lái)說(shuō)，通過(guò)“智能電表”實(shí)現(xiàn)與上位EMS及電力公司間的雙向攜手。智能電表除了具備原有的電量累計(jì)功能外，還裝有信息顯示終端，能與上位EMS不斷進(jìn)行信息交換，并根據(jù)電力公司的電力供應(yīng)狀況和用戶(hù)需求響應(yīng)變更電力售價(jià)、指導(dǎo)用戶(hù)控制負(fù)荷。圖3為富士電機(jī)的地區(qū)能源管理系統(tǒng)(CEMS)。

圖3 地區(qū)能源管理系統(tǒng)Fig．3Cluster energy management system

4 新一代能源社會(huì)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)，人們都在考慮使用可再生能源、電動(dòng)汽車(chē)、節(jié)能住宅、零排放樓宇，企業(yè)也采用高效率機(jī)器。在日本國(guó)內(nèi)，能源最優(yōu)管理方式是以全區(qū)域內(nèi)的電力公司、可再生能源發(fā)電者及用戶(hù)為對(duì)象，推進(jìn)不單純是電能，還包括熱能、燃?xì)狻⑺h(huán)境有效利用、居民生活方式變革等在內(nèi)的和諧型城市空間構(gòu)建的實(shí)證項(xiàng)目，在海外也積極展開(kāi)城市和工業(yè)園區(qū)的電力、熱、燃?xì)狻⑺h(huán)境、交通等基礎(chǔ)設(shè)施的整備工程［7］。

智能社區(qū)通過(guò)智能電網(wǎng)等最新技術(shù)構(gòu)建起新一代地區(qū)社會(huì)。這不但能有效利用能源，還能應(yīng)用可再生能源，改變交通系統(tǒng)，形成一個(gè)節(jié)能又舒適的生活空間。這里，信息網(wǎng)絡(luò)在溝通這些部門(mén)聯(lián)系中充當(dāng)著重要角色［8］。

4.1 富士電機(jī)的新一代能源社會(huì)系統(tǒng)

富士電機(jī)把對(duì)象地區(qū)的電力穩(wěn)定性和節(jié)能低碳化以地區(qū)分散方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建的新一代能源社會(huì)系統(tǒng)不影響輸電系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)智能電表直接/間接控制負(fù)荷達(dá)到節(jié)能，還將熱能和燃?xì)獾仍谌貐^(qū)內(nèi)融合起來(lái)，旨在將有關(guān)能源的問(wèn)題在地區(qū)內(nèi)解決。圖4為富士電機(jī)用在智能電網(wǎng)和智能社區(qū)中的地區(qū)分散型新能源社會(huì)系統(tǒng)的方案。

圖4 富士電機(jī)地區(qū)分散型新一代能源社會(huì)系統(tǒng)的方案Fig．4Geographically dispersed type next-generation energy community solution of Fuji Electric

新能源社會(huì)系統(tǒng)要關(guān)注4個(gè)要點(diǎn):對(duì)象規(guī)模、電網(wǎng)品質(zhì)、能源管理、就地消納。與此相關(guān)的技術(shù)是配電自動(dòng)化系統(tǒng)、系統(tǒng)控制、能源管理系統(tǒng)、分散型電源、供需平衡控制、電網(wǎng)品質(zhì)穩(wěn)定性、電量檢測(cè)、配電設(shè)備及作為逆變器/變流器應(yīng)用的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PCS)等。

(1)對(duì)象規(guī)模:有大有小，以緊湊型私人住宅、聯(lián)合企業(yè)、工業(yè)園區(qū)、孤島、無(wú)電地區(qū)為對(duì)象地區(qū)。

(2)電網(wǎng)品質(zhì):對(duì)象地區(qū)使用分散型電源所產(chǎn)生的電壓、頻率波動(dòng)在地區(qū)內(nèi)部吸收掉，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(3)能源管理:作為用戶(hù)的住宅、充電站、店鋪、商業(yè)樓宇、工廠(chǎng)，在使用電能和熱能時(shí)，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)信息，使地區(qū)內(nèi)的能源能融合使用。

(4)就地消納:對(duì)象地區(qū)的能源控制是將輸電系統(tǒng)、地區(qū)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)、分散型電源系統(tǒng)等結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)就地消納。

基于上述要點(diǎn)，富士電機(jī)采取如下措施［9］:

(1)低碳化措施

社區(qū)能源管理系統(tǒng)(CEMS)管理整個(gè)社區(qū)的能源;能源管理系統(tǒng)(REMS、BEMS、FEMS)管理店鋪、樓宇、工廠(chǎng)的能源;智能電表、多級(jí)中繼無(wú)線(xiàn)技術(shù)具備用電指導(dǎo)顯示和應(yīng)答輸入功能，把握并及時(shí)停止/解停用戶(hù)的電力使用量;分散型電源有薄型光伏組件(輕量可彎卷)、商務(wù)用100kW磷酸燃料電池、可低落差發(fā)電的微型管狀水輪機(jī)、將低溫?zé)崮苡行ё儞Q成電能的雙工質(zhì)地?zé)岚l(fā)電等技術(shù)。

(2)電力穩(wěn)定措施

新一代配電系統(tǒng)技術(shù)包括故障點(diǎn)位置探測(cè)與修復(fù)、功率潮流監(jiān)測(cè)、電壓/頻率調(diào)節(jié)功能;高效運(yùn)行的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)電力控制，蓄電池充放電實(shí)現(xiàn)地區(qū)內(nèi)的電力穩(wěn)定;穩(wěn)定電網(wǎng)電能品質(zhì)的配電設(shè)備包括負(fù)載率控制變壓器(LRT)、IT開(kāi)關(guān)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(SVR)、不停電電源等相關(guān)技術(shù);對(duì)于孤島類(lèi)封閉性微電網(wǎng)，需要進(jìn)行能源供需的快速最優(yōu)控制及供需平衡控制。圖5為富士電機(jī)智能電網(wǎng)系統(tǒng)的總圖。

圖5 富士電機(jī)智能電網(wǎng)系統(tǒng)總圖Fig．5Smart grid structure of Fuji Electric

4.2 社區(qū)能源管理

圖6是富士電機(jī)用在北九州市的新一代能源社會(huì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。這里采用的是控制地區(qū)整體能源以實(shí)現(xiàn)低碳化目標(biāo)的應(yīng)對(duì)技術(shù)，包括可再生能源與熱電聯(lián)供系統(tǒng)的合作、向電動(dòng)汽車(chē)供電、電動(dòng)汽車(chē)再生電能利用、利用設(shè)置在地區(qū)內(nèi)的蓄電池實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、各用戶(hù)的用電情況可視化以及根據(jù)動(dòng)態(tài)定價(jià)和環(huán)保激勵(lì)機(jī)制的需求抑制措施等。該系統(tǒng)將對(duì)象地區(qū)的能源供應(yīng)者與用戶(hù)通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，地區(qū)能源管理系統(tǒng)進(jìn)行電、熱、氫的計(jì)量、運(yùn)營(yíng)規(guī)劃、供需平衡控制及與電力系統(tǒng)的合作，從能源管理上看，可作為環(huán)境友好型緊湊城市的典型案例。

本能源管理系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

(1)地區(qū)能源管理系統(tǒng)根據(jù)快速應(yīng)答和頻度的需要，將通過(guò)專(zhuān)用纜線(xiàn)和通用采集順序采集的綜合能源數(shù)據(jù)收集在一起，進(jìn)行一元化管理。

(2)根據(jù)對(duì)象地區(qū)的要求，可獨(dú)立配置多個(gè)商務(wù)處理，實(shí)時(shí)控制發(fā)電、充放電，掌握各用戶(hù)的能源利用情況，進(jìn)行能源供需規(guī)劃。

(3)將收集到的信息提供給外部的服務(wù)供應(yīng)商，以便提供新的服務(wù)。

表1為地區(qū)能源管理系統(tǒng)的各功能項(xiàng)，圖7為地區(qū)能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

表1 地區(qū)能源管理系統(tǒng)的各功能Tab．1Functions of regional energy management system

圖6 北九州市新一代能源社會(huì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig．6New generation of energy systems structure of Kitakyushu City

圖7 地區(qū)能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．7Structure of regional energy management system

4.3 用戶(hù)能源管理

富士電機(jī)參與了關(guān)西科學(xué)城的“以設(shè)施電網(wǎng)為對(duì)象的能源控制器開(kāi)發(fā)”，推進(jìn)了對(duì)含有出租辦公樓、大會(huì)廳、賓館、餐廳等綜合樓宇的低碳化技術(shù)示范工程，其目標(biāo)如下:

(1)將整幢綜合大樓作為一個(gè)封閉網(wǎng)，在綜合樓內(nèi)配備蓄電池、光伏電池、燃料電池、智能電表，通過(guò)高效運(yùn)行蓄電池、燃料電池和熱泵，將大樓內(nèi)的可再生電能和熱能在大樓內(nèi)得到有效利用。

(2)通過(guò)間接控制負(fù)荷，推動(dòng)承租人實(shí)現(xiàn)節(jié)能和低碳化，增強(qiáng)承租人和樓宇使用者的環(huán)保意識(shí)，為綜合大樓整體的零排放做貢獻(xiàn)。

用戶(hù)能源管理系統(tǒng)是通過(guò)在綜合大樓內(nèi)設(shè)置緊湊型樓宇用能源控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該控制器在直接控制綜合大樓內(nèi)蓄電池、燃料電池的同時(shí)，還通過(guò)智能電表間接控制承租人的負(fù)荷。通過(guò)與傳統(tǒng)的以監(jiān)視和可視化為中心的樓宇管理系統(tǒng)的合作，更有效地利用樓宇內(nèi)的能源。表2所示為樓宇用能源控制器的主要功能項(xiàng)，圖8是以綜合樓宇為對(duì)象的用戶(hù)能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

表2 樓宇用能源控制器的主要功能項(xiàng)Tab．2Main function of energy controllers used in buildings

圖8 以綜合樓宇為對(duì)象的用戶(hù)能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig．8Structure of user energy management system used in integrated building

4.4 海外項(xiàng)目的拓展

富士電機(jī)與住友商事株式會(huì)社、三菱電機(jī)株式會(huì)社、東電設(shè)計(jì)株式會(huì)社接受了獨(dú)立行政法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的委托，準(zhǔn)備進(jìn)入東南亞國(guó)家工業(yè)園區(qū)，需要考慮的是:

(1)為確保穩(wěn)定生產(chǎn)，要求電能質(zhì)量水平與日本相同。

(2)與日本相比，工廠(chǎng)的能源管理里還有節(jié)能、低碳化的充分余地。

(3)工業(yè)園區(qū)的電力合同需求量與一個(gè)配電用變電站所管理的電力容量相當(dāng)，規(guī)模上與地區(qū)能源管理的對(duì)象地區(qū)相仿。

表3為工業(yè)園區(qū)用智能電網(wǎng)技術(shù)，圖9為工業(yè)園區(qū)智能電網(wǎng)的系統(tǒng)模型。該模型把整個(gè)工業(yè)園區(qū)作為能源管理的對(duì)象區(qū)域，在整個(gè)工業(yè)園區(qū)內(nèi)利用電力系統(tǒng)化和能源管理系統(tǒng)實(shí)施節(jié)能和削峰填谷。主要技術(shù)有:在工業(yè)園區(qū)設(shè)置“電能品質(zhì)穩(wěn)定化裝置”，向多家工廠(chǎng)提供高品質(zhì)電源;在園區(qū)中心，“工業(yè)園區(qū)EMS”集中管理能源和限制工廠(chǎng)的用電要求。

表3 工業(yè)園區(qū)用智能電網(wǎng)技術(shù)Tab．3Smart grid technology in industrial park

圖9 工業(yè)園區(qū)智能電網(wǎng)的系統(tǒng)模型Fig．9System model of smart grid in industrial park

5 孤島的微電網(wǎng)系統(tǒng)

世界上有無(wú)數(shù)的有人孤島，其中多數(shù)是以獨(dú)立的電力系統(tǒng)運(yùn)作的。中小規(guī)模孤島因?yàn)橐?guī)模小，發(fā)電機(jī)的慣性能量小，易受可再生能源輸出波動(dòng)的影響［10］。20世紀(jì)90年代后半葉，歐盟各國(guó)為應(yīng)對(duì)地球環(huán)境，大力推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電，結(jié)果也暴露出很多問(wèn)題，盡快解決這些問(wèn)題成為當(dāng)時(shí)的當(dāng)務(wù)之急［11］。為此，孤島微電網(wǎng)也應(yīng)運(yùn)而生。

5.1 孤島上的微電網(wǎng)

微電網(wǎng)系統(tǒng)使用多套分散型電源，以保持地區(qū)內(nèi)電力的供需平衡。其特點(diǎn)是［12］:適用于多個(gè)用戶(hù)存在的特定地區(qū);由分散型電源和小規(guī)模電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成;獨(dú)立于原有的大規(guī)模電力系統(tǒng)，是可現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的電力供應(yīng)系統(tǒng);分并網(wǎng)型和獨(dú)立型兩種;一般利用信息與通信技術(shù)(ICT)對(duì)多組分散型電源和負(fù)荷進(jìn)行綜合控制。

孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)繼承了原微電網(wǎng)的特點(diǎn)，是獨(dú)具特色的中小規(guī)模系統(tǒng)，目的是維持可再生能源大量應(yīng)用時(shí)電能品質(zhì)的穩(wěn)定性，確保供電的可靠性。孤島獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)由于受到運(yùn)作上的限制，一般都采用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電，使用的燃料是CO2排放系數(shù)較大的化石燃料。由于遠(yuǎn)程運(yùn)輸燃料加大了發(fā)電成本，因此孤島獨(dú)立發(fā)電有經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。為此，不能使用化石燃料，而必須大量應(yīng)用可再生能源，這樣既減輕對(duì)環(huán)境污染的壓力，也可降低發(fā)電成本?？墒?，大量應(yīng)用可再生能源會(huì)引發(fā)電能質(zhì)量和可靠性的下降，必須采取必要對(duì)策［13］。表4為孤島應(yīng)用可再生能源面臨的課題。

表4 孤島應(yīng)用可再生能源面臨的課題Tab．4Arising issues of islanding application of renewable energy

5.2 孤島微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖10所示，由原來(lái)的內(nèi)燃柴油發(fā)電機(jī)、可再生能源及電力儲(chǔ)存設(shè)備組成。各設(shè)備發(fā)出的電力、電能品質(zhì)(頻率、無(wú)功功率等)通過(guò)傳感器檢測(cè)，經(jīng)高速傳輸線(xiàn)送到微電網(wǎng)控制裝置。

圖10 孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig．10Structure of islanding micro grid system

小規(guī)模系統(tǒng)多使用慣性能量小的小容量柴油發(fā)電機(jī)，可再生能源輸出的突變或停止都會(huì)造成頻率波動(dòng)、電能品質(zhì)下降。這種突然波動(dòng)靠原來(lái)發(fā)電系統(tǒng)的控制裝置(調(diào)速控制器)是跟蹤不了的，如不采取措施，將造成頻率偏離規(guī)定值，引發(fā)電能品質(zhì)下降。

對(duì)于規(guī)模為數(shù)百千瓦的小規(guī)模孤島，這種頻率波動(dòng)變得更顯著，必須進(jìn)行快速補(bǔ)償。對(duì)于更小的孤島，發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)也更少，運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍很小。此時(shí)，如果可再生能源發(fā)電的比例較高，則原有發(fā)電機(jī)很難在運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，為此，必須限制可再生能源的輸出能力或冗余電力儲(chǔ)存設(shè)備，通過(guò)增大容量以實(shí)現(xiàn)高峰后移運(yùn)行。

對(duì)于1MW左右的中規(guī)模孤島，一般采用多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，以控制其運(yùn)行臺(tái)數(shù)為主，如果備用電源余量充足，則其運(yùn)行范圍可以設(shè)寬些。因此，微電網(wǎng)系統(tǒng)有望在現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備的控制范圍內(nèi)構(gòu)建出最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。

5.3 小規(guī)模孤島的控制功能

富士電機(jī)的“UPS8000G系列不停電電源”產(chǎn)品具有緩沖功能，當(dāng)高效率燃?xì)獍l(fā)電機(jī)突加負(fù)荷時(shí)，該UPS能協(xié)助跟蹤負(fù)荷，并根據(jù)負(fù)荷的瞬變?cè)跀?shù)毫秒到10ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬變的補(bǔ)償。日本“WindPower西目發(fā)電站株式會(huì)社”從2008年開(kāi)始實(shí)施抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出電能波動(dòng)的穩(wěn)定裝置試驗(yàn)。通過(guò)該試驗(yàn)確認(rèn)了穩(wěn)定性控制技術(shù)和蓄電池的運(yùn)用管理技術(shù)［14］。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)面向小孤島的微電網(wǎng)控制功能。圖11為用于小規(guī)模孤島的控制功能示意圖。該方案在風(fēng)力發(fā)電機(jī)解列或光伏發(fā)電逆變器停機(jī)時(shí)能確保頻率不偏離。

圖11 用于小規(guī)模孤島的控制功能示意圖Fig．11Control function diagram for small island application

對(duì)于多臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)電的中規(guī)模孤島，利用發(fā)電機(jī)的慣性能量可以吸收一部分動(dòng)態(tài)過(guò)程中的波動(dòng)。這種系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行范圍也較寬，考慮到添加儲(chǔ)能設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，須選擇合適的蓄電池并適當(dāng)減小其容量。系統(tǒng)規(guī)模再大時(shí)，可再生能源的設(shè)置點(diǎn)增多，可再生能源輸出波動(dòng)的檢測(cè)變得很困難。這種情況下，采用包括負(fù)載波動(dòng)在內(nèi)的系統(tǒng)快速頻率補(bǔ)償是最有效的方法。

微電網(wǎng)中，可用于波動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾娙莘N類(lèi)很多，包括鉛酸電池、鋰離子電池、鋰離子電容、電雙層電容等，選用時(shí)需考慮其特性、循環(huán)壽命、設(shè)置面積、經(jīng)濟(jì)性等。一般說(shuō)，對(duì)于峰值后移類(lèi)負(fù)荷均衡用途，需要大容量蓄電池，最好選擇體功率密度大的蓄電池。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于只有數(shù)分鐘短周期波動(dòng)的補(bǔ)償，最好采用循環(huán)壽命長(zhǎng)、體功率密度大的電容;而對(duì)于數(shù)十分鐘以上長(zhǎng)周期波動(dòng)的補(bǔ)償，可采用包括鋰離子電池等在內(nèi)的各種電池。鋰離子電容幾乎可與雙電層電容一樣使用，但比雙電層電容體積小、重量輕。

5.4 高速頻率檢測(cè)裝置

微電網(wǎng)頻率檢測(cè)不單只是為確保電能質(zhì)量這個(gè)指標(biāo)，還可以獲得包括內(nèi)燃發(fā)電機(jī)在內(nèi)的微電網(wǎng)域內(nèi)的電力供需平衡狀況等重要指標(biāo)。為了對(duì)孤島獨(dú)立系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，針對(duì)原有控制設(shè)備不能跟蹤的瞬時(shí)頻率波動(dòng)，微電網(wǎng)控制必須具備有效的跟蹤控制功能。

系統(tǒng)頻率檢測(cè)的方法如下:設(shè)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)交流電壓從負(fù)值(－)變?yōu)檎?+)N次，則由N次變化所花時(shí)間可求出1次交流循環(huán)所用時(shí)間［15］。該頻率檢測(cè)需要0.1～10s左右。富士電機(jī)以交流電壓為信號(hào)源，采用獨(dú)特的誤差壓縮算法及特性?xún)?yōu)化濾波，開(kāi)發(fā)出了具有30ms的頻率跟蹤特性的高速頻率檢測(cè)裝置［16］，用于微電網(wǎng)控制功能中的高速頻率波動(dòng)補(bǔ)償。

6 微電網(wǎng)的電力電子技術(shù)

用于微電網(wǎng)的電力電子設(shè)備必須具備能安全并入電網(wǎng)并應(yīng)對(duì)頻率/電壓波動(dòng)的功能［17］。

6.1 并網(wǎng)所需功能

低電壓穿越(LVRT):要并網(wǎng)的微電網(wǎng)首先必須具備LVRT功能。在可再生能源應(yīng)用數(shù)量不多的情況下，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，分散型電源即使解列對(duì)系統(tǒng)整體的影響也很小，不會(huì)有什么問(wèn)題。但應(yīng)用數(shù)量很多時(shí)，分散型電源的同時(shí)解列將產(chǎn)生發(fā)電量與負(fù)荷間的不平衡，系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性就下降了。此時(shí)不是讓分散型電源都解列，而是讓部分負(fù)載退出，以維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。因此，分散型電源并網(wǎng)必須滿(mǎn)足三點(diǎn)要求:①能應(yīng)對(duì)頻率的變化;②電網(wǎng)電壓跌落時(shí)盡量保持與電網(wǎng)連接，繼續(xù)供電;③即使解列了，但當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)必須迅速再并網(wǎng)并提供發(fā)電。

6.2 孤島運(yùn)行檢測(cè)功能

并網(wǎng)運(yùn)行的一個(gè)不可或缺功能是要能夠檢測(cè)出孤島運(yùn)行的狀態(tài)(注:這里孤島不是指島嶼，而是指一種運(yùn)行狀態(tài))。在孤島運(yùn)行狀態(tài)下，容易引發(fā)觸電、損壞設(shè)備，應(yīng)盡快檢出并解列。檢測(cè)的方式有兩種:

(1)被動(dòng)式檢測(cè):微電網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)，由于發(fā)出功率與負(fù)載不平衡，會(huì)引發(fā)電壓相位和頻率的急劇變化，將該變化檢測(cè)出來(lái)，即可識(shí)別出孤島運(yùn)行狀態(tài)。

(2)主動(dòng)式檢測(cè):不斷給逆變器的輸出施以功率或頻率擾動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)，其輸出阻抗或頻率會(huì)有劇變，通過(guò)檢測(cè)該變化即可識(shí)別孤島運(yùn)行狀態(tài)。

目前的配電系統(tǒng)中往往負(fù)荷大于發(fā)電，被動(dòng)式檢測(cè)方法尚能奏效。但當(dāng)分散型電源增加時(shí)，配電系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電和負(fù)荷可能達(dá)到平衡，此時(shí)孤島運(yùn)行輸出的電壓相位和頻率沒(méi)有明顯變化，被動(dòng)式檢測(cè)方法就難以奏效。以前被動(dòng)式作為主要檢測(cè)方法，主動(dòng)式作為備用。現(xiàn)在相反，隨著分散型電源的大量應(yīng)用，被動(dòng)式方法有檢測(cè)不出的風(fēng)險(xiǎn)，所以主動(dòng)式成為主要方式。

目前，特別是對(duì)于小規(guī)模光伏發(fā)電，業(yè)內(nèi)一致認(rèn)為以無(wú)相互干擾的主動(dòng)式檢測(cè)方式為宜［18］，而對(duì)于中大容量功率變換器(光伏/蓄電池的電力并入系統(tǒng))的孤島運(yùn)行方式還在關(guān)注中［19］。

6.3 發(fā)電波動(dòng)及可再生能源波動(dòng)的應(yīng)對(duì)功能

以往，負(fù)荷的波動(dòng)靠控制發(fā)電機(jī)吸收來(lái)穩(wěn)定頻率。但可再生能源一旦發(fā)生波動(dòng)，單靠控制發(fā)電機(jī)就難以控制供需平衡，因此，可再生能源側(cè)也必須調(diào)整輸出量，使得其對(duì)系統(tǒng)的影響降到最小。該功能可通過(guò)電力儲(chǔ)存來(lái)實(shí)現(xiàn)，必須根據(jù)波動(dòng)周期改變蓄電池、鋰離子電池、電雙層電容等的電力儲(chǔ)存方式，即控制其充放電。

可再生能源發(fā)電量往往會(huì)有波動(dòng)，要抑制該波動(dòng)就需要與發(fā)電機(jī)(或發(fā)電站)相同臺(tái)數(shù)的電力穩(wěn)定裝置。相比之下，在地域大的地方采用廣域型電力穩(wěn)定設(shè)備吸收該波動(dòng)能使波動(dòng)得到平均，從而減小設(shè)備的總?cè)萘?，這種方法更經(jīng)濟(jì)。這種廣域型電力穩(wěn)定設(shè)備是在大范圍(如城鎮(zhèn)、縣及以上)內(nèi)控制包括可再生能源在內(nèi)的發(fā)電量波動(dòng)的一種設(shè)備。這時(shí)需要加大用于電力儲(chǔ)存的逆變器的單機(jī)容量，或采用并聯(lián)方式來(lái)加大容量。

小規(guī)模孤島上的發(fā)電機(jī)慣性常數(shù)小，發(fā)電量的波動(dòng)容易引起電力供需不平衡，甚至發(fā)生振蕩。這種不穩(wěn)定狀態(tài)可以通過(guò)電力儲(chǔ)存裝置予以穩(wěn)定，但需要高速高精度控制的逆變器。

6.4 微電網(wǎng)上的電力電子技術(shù)

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在能源流通領(lǐng)域也能方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，使得社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施得到有效利用。圖12是富士電機(jī)在智能電網(wǎng)上所采用的電力流通供應(yīng)鏈的智能化示意圖。圖中，利用傳感器、智能電表監(jiān)視系統(tǒng)信息，使得系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、流通、消費(fèi)的最優(yōu)化。

(1)發(fā)電用的電力電子技術(shù)

電力穩(wěn)定裝置是發(fā)電方面應(yīng)用電力電子技術(shù)的一個(gè)例子。電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)多以旋轉(zhuǎn)型為主，微電網(wǎng)本質(zhì)上也是如此。當(dāng)電力系統(tǒng)大量應(yīng)用可再生能源后，其發(fā)電的不穩(wěn)定性影響到了系統(tǒng)的頻率控制，電力穩(wěn)定裝置控制蓄電池充放電以補(bǔ)償可再生能源輸出的波動(dòng)，使并網(wǎng)公共點(diǎn)上合成的輸出電力是平滑的，目的是穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓和頻率，如圖13所示［20］。圖13是風(fēng)電系統(tǒng)的例子，光伏發(fā)電系統(tǒng)也一樣。該充放電采用雙向逆變器控制。穩(wěn)定電壓通過(guò)控制有功和無(wú)功補(bǔ)償;穩(wěn)定頻率有不同控制方式，短時(shí)間波動(dòng)采用自由運(yùn)行(GF)，長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)采用負(fù)載頻率控制(LFC)，更長(zhǎng)周期的波動(dòng)采用經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配控制(ELDC)?？刂品绞讲煌?，所需的電力儲(chǔ)存量也不一樣。電池容量對(duì)設(shè)備投資影響很大，應(yīng)盡量減小電池容量。

圖13 電力穩(wěn)定化裝置的概要Fig．13Outline of grid stabilization device

(2)流通上用的電力電子技術(shù)

上述廣域型電力穩(wěn)定裝置是用于廣地域的電力穩(wěn)定設(shè)備。對(duì)于狹小地域，通過(guò)調(diào)節(jié)供需平衡達(dá)到電力穩(wěn)定。圖14是京都生態(tài)能源工程的示意圖。本示范工程設(shè)有生物發(fā)電站、光伏發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站，這些可再生能源發(fā)電設(shè)備和預(yù)先選定的若干用戶(hù)間采用定時(shí)(5min)供需平衡控制［21］。

本系統(tǒng)用傳感器檢測(cè)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的輸出，經(jīng)通信線(xiàn)將監(jiān)測(cè)信號(hào)送到控制中心?？刂浦行母鶕?jù)波動(dòng)量計(jì)算出需要二次電池補(bǔ)償?shù)某隽Γ瑢⒃摮隽χ噶罱?jīng)通信線(xiàn)送到二次電池，以此來(lái)吸收光伏和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的波動(dòng)量。從數(shù)據(jù)的測(cè)量、收集、處理到向二次電池發(fā)送指令需要20s時(shí)間，經(jīng)過(guò)數(shù)十秒鐘的發(fā)電波動(dòng)補(bǔ)償后，能實(shí)現(xiàn)供需平衡調(diào)整。在監(jiān)測(cè)與控制中采用了通用的通信網(wǎng)(ADSL、ISDN)，所以不受距離限制，檢測(cè)對(duì)象和控制對(duì)象可選，可望低成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模供需平衡調(diào)整。

本系統(tǒng)面對(duì)供需平衡控制，負(fù)荷的波動(dòng)量基本上由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)大、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)難以跟蹤調(diào)節(jié)時(shí)，負(fù)荷波動(dòng)量的調(diào)節(jié)可由二次電池來(lái)完成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，5min內(nèi)供需平衡的控制精度在3%內(nèi)，基本達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)也證明了采用通用的廣域通信網(wǎng)控制能達(dá)到高精度要求，使用二次電池作為供需控制手段是有效的。

6.5 智能電網(wǎng)電力電子的未來(lái)

(1)配電網(wǎng)電力電子裝置

電力系統(tǒng)中，發(fā)電、電力流通、電力消費(fèi)分別由大規(guī)模集中型發(fā)電站、輸配電設(shè)備、用戶(hù)來(lái)承擔(dān)。電力從大規(guī)模集中型發(fā)電站流向用戶(hù)，配電系統(tǒng)的建設(shè)也是以從上游向下游流動(dòng)的單方向?yàn)榍疤醽?lái)構(gòu)建的。

近年來(lái)，隨著用戶(hù)端家用光伏發(fā)電的興起及分散型電源的大量應(yīng)用，配電系統(tǒng)中電力的流向已不是單方向的(如圖15所示)。而且可再生能源發(fā)電量是不可控的，因此為了管理好頻率、電壓和潮流，對(duì)于分散型電源側(cè)、特定地區(qū)或廣地域的管理等有必要使用與傳統(tǒng)不同的方法。

圖14 京都生態(tài)能源工程概要Fig．14Outline of Kyoto eco-energy engineering

圖15 配電系統(tǒng)中大量應(yīng)用可再生能源Fig．15Applications for renewable energy in distribution grid system

配電用的電力電子裝置有自勵(lì)式無(wú)功功率補(bǔ)償器、供需平衡控制器等。為便于其普及應(yīng)用，這種裝置必須滿(mǎn)足屋外設(shè)置、柱上設(shè)置、免維護(hù)、低成本等條件。

屋外設(shè)置的設(shè)備必須滿(mǎn)足耐環(huán)境、散熱、密封等技術(shù)要求;柱上安裝的設(shè)備必須重量輕，且取消與高壓電網(wǎng)直接連接的變壓器，無(wú)冷卻風(fēng)扇，以期免維護(hù)、降成本。要使配電用裝置充分滿(mǎn)足上述功能要求，就必須考慮使用碳化硅(SiC)等新一代功率器件，因此，要達(dá)到裝置的實(shí)用化尚需一定時(shí)日。

(2)智能PCS

PCS的直流側(cè)接光伏電池板、二次電池、電容(包括電雙層電容)等。接光伏電池時(shí)是光伏PCS，接二次電池時(shí)是電力儲(chǔ)存器，接電容時(shí)是無(wú)功功率補(bǔ)償器。逆變器部分的基本結(jié)構(gòu)大同小異。智能PCS是按標(biāo)準(zhǔn)配備有并網(wǎng)所需的通信功能和并網(wǎng)控制功能的逆變器，構(gòu)建時(shí)就考慮到了多用途目的。

關(guān)于PCS的通信，目前日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省正在推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化，估計(jì)今后在通信接口和協(xié)議方面會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化。因此，研發(fā)配備有上述標(biāo)準(zhǔn)化功能、適于多用途的PCS是意料之中的事。

系統(tǒng)并網(wǎng)控制功能包括LVRT、孤島運(yùn)行識(shí)別、并網(wǎng)保護(hù)等。這些功能內(nèi)置后，裝置具有通用性，能應(yīng)對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)新能源電源模塊

將發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置做成一體，有望構(gòu)成新能源電源模塊。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省在關(guān)系到智能社區(qū)的系統(tǒng)論壇(Forum)最終報(bào)告中，將電力系統(tǒng)歸納為五類(lèi)［22］，如表5所示。

容量較小的可再生能源電源裝置模塊化后，如果能不受系統(tǒng)構(gòu)建、可再生能源類(lèi)別的限制而供多用途使用，則可再生能源的推廣應(yīng)用就非常方便。不論發(fā)達(dá)國(guó)家型(美、歐)、發(fā)展中國(guó)家型(城市型、郊外型)還是孤島型，使用同樣結(jié)構(gòu)的電源模塊，根據(jù)使用對(duì)象的不同只要改變一下控制方式就能容易構(gòu)成電源裝置，則同樣的部件規(guī)格可用于多種系統(tǒng)。為此，項(xiàng)目研發(fā)時(shí)要考慮到可擴(kuò)展性、安全性、可靠性、免維護(hù)等要求。

表5 電力系統(tǒng)的分類(lèi)Tab．5Classification of power systems

擴(kuò)展性是指根據(jù)需要能擴(kuò)展系統(tǒng)的容量，這不單是指裝置容量的增加，還包括必須能連接各種不同電源，系統(tǒng)整體能容易得到協(xié)調(diào);安全可靠是指在不同地區(qū)，各種人(不是電氣專(zhuān)業(yè)知識(shí)很深的人)隨時(shí)都可安全操作使用;免維護(hù)是指故障少，即使發(fā)生故障也能容易應(yīng)對(duì)。

新能源電源模塊是指將光伏發(fā)電的電力變換系統(tǒng)(PCS)、蓄電池的PCS組合到模塊內(nèi)，通過(guò)選用可構(gòu)建小水力發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

(4)富士智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

富士電機(jī)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電力電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)例如圖5所示。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，在工業(yè)、民生領(lǐng)域，用戶(hù)方構(gòu)建微電網(wǎng)，將光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池PCS、燃料電池等組合在一起，構(gòu)成混合電源裝置。配電系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的有載調(diào)壓變壓器(LRT)、靜止電壓調(diào)整器(SVR)外，還加入了電壓穩(wěn)定用的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置(SVC)、用于潮流控制的環(huán)路平衡控制(LBC)、吸收可再生能源波動(dòng)的電力穩(wěn)定裝置等，構(gòu)成了地區(qū)微電網(wǎng)。輸電系統(tǒng)中，設(shè)置了地區(qū)型穩(wěn)定裝置，以穩(wěn)定地區(qū)的電力供應(yīng)。

富士電機(jī)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中EMS收集智能電表及配電系統(tǒng)中IT設(shè)備上傳來(lái)的信息，監(jiān)管著系統(tǒng)整體。EMS為實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，給電力電子裝置發(fā)送控制指令，電力電子裝置高速、高精度響應(yīng)該指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

7 結(jié)論

為了保護(hù)地球環(huán)境，讓子孫后代可持續(xù)使用能源，人類(lèi)必須積極開(kāi)發(fā)利用新能源，這將使傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)發(fā)生重大變革。未來(lái)的電網(wǎng)必須容納新能源發(fā)電技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能源的流通和控制變得更加復(fù)雜，社會(huì)管理形態(tài)也將產(chǎn)生重大變革，電力消費(fèi)者必須參與到電力生產(chǎn)與消費(fèi)的管理中，電力系統(tǒng)不再是電力事業(yè)的寡頭。智能電網(wǎng)將超脫對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)，通過(guò)能源的多元化，成為獲得能源安全保障的社會(huì)基礎(chǔ)。新能源系統(tǒng)需要許多精細(xì)管控能源的電力電子技術(shù)，因此，在智能電網(wǎng)中電力電子技術(shù)的作用會(huì)越來(lái)越重要，承擔(dān)的責(zé)任也越來(lái)越大。這需要同仁們攜手努力，共同奮斗。

致謝:本文工作得到了浙江大學(xué)徐德鴻、甘德強(qiáng)、趙榮祥三位教授的大力支持和幫助，作者謹(jǐn)借此機(jī)會(huì)向以上三位教授致以衷心感謝。

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Trend of power electronics in micro grid，smart grid and smart community

CHEN Guo-cheng1，2，CAI Li-qing1，ZHOU Qin-li1，GU Hong-bing1，LEI Dian2
(1．Star Industrial Technology Co．Ltd．，Changzhou 200122，China; 2．Department of Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

In order to sustainably use energy and to protect the environment，the renewable energy is developed and used around the globe．However，what problems will arise with the increasing portion of renewable energy connected to grid?How will the future energy landscape change?Countries are still exploring in this field．This paper is based on the solutions of Fuji Electric，introduces new energy development and utilization，micro-grid，smart grid，smart communities，energy management，communication networks，power stability，the balance of supply and demand and other aspects of some of the vision of the company，and tries to explore the trend of the future of power electronics．

new energy;micro grid;smart grid;smart community;power electronics;EMS

TM7

A

1003-3076(2014)11-0001-12

2014-08-08

陳國(guó)呈(1944-)，男，福建籍，教授/博士生導(dǎo)師，博士，主要從事電力電子變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新能源發(fā)電、有源電力濾波等研究;蔡立清(1970-)，男，安徽籍，工程師，碩士，主要從事通信系統(tǒng)、電力電子變換、新能源發(fā)電等研究。