摘要：  由于可再生能源的大量引入电力系统，对整个系统将产生影响，智能网络就是减少这一影响的系统。可再生能源产生的功率一般难以控制，当可再生能源大量并入系统时，迫切需要一种高速、高精度控制的电源系统。在实现这一控制的过程中，电力电子技术发挥了重要的作用。

关键字：  智能网，电力电子

1 前言
作为全世界地球升温的对策之一，促进了可再生能源的发展并引入电力系统。但是，可再生能源的发电功率通常难以控制，一旦大量的并网，在整个系统中将产生频率的波动，还担心局部地方会产生电压变动。智能网就是在可再生能源大量引入时，能减少对整个系统造成的影响，并保证稳定供电的一个系统，同时对能量的产生、流通、消费进行控制，力图有效的利用能量。
为了将难于控制发电功率的可再生能源与系统并网，必须引入高速、高精度的电源系统。因而PE技术起着重要的作用。尤其对于分散型的电源，多数是以直流形式发电的，进行功率变换的PE技术，在智能网中即为最重要的技术之一。
本文阐述了智能网中PE技术的作用，所要求的功能，PE器件与适用的事例，以及今后热衷研制的重点。
2 适用于智能网的PE器件发展动向
对用于智能网的PE器件，要求具有相应于频率或电压变动的功能，与系统安全联网的功能。本节对有关PE器件的要求及技术动向予以介绍。
2.1 与系统联网功能及技术动向
(1)LVRT作为联网所必须的功能首先应列出LVRT（低电压穿越）。LVRT是当系统电压降低，为维持尽可能不解列的输出功率的能力。比如，在电网发生严重故障时（短路或瞬间掉电），可通过使用有源或无源crowbar硬件，提供对电网的支持，保证电机依然在网。在可再生能源引入量少的情况下，系统电压降低，即使分散型电源解列，对整个系统的影响极小，不会出现问题，然而，引入量多的情况下，分散型电源可能会一齐解列，将出现发电量与负荷量的不均衡，系统频率的稳定性下降，一齐解列的量大，又要保持系统频率就必须用掉负荷。
要将分散型电源联网，须做到以下三点：1)能相应于频率的变化；2)电压降低时也尽可能与系统并网以供给电力；3)即使在解列的场合，当系统电压复归时刻应迅速并网以供给电力。
(2)单独运转检测功能
其次，作为连接系统的必要功能，是单独运转检测功能。所谓单独运转，即从系统分离的独立系统内，仅由分散型电源向独立系统供电的状态。在单独运转状态下，有可能引起感应电和损坏机器，必须尽早进行检测，以切离分散型电源。
作为这一检测方式，有被动型（无源）方式和主动型（有源）方式两种。被动型方式是在过渡到单独运转时，对因发电功率和负荷不平衡导致电压相位和频率等的急剧变化进行检测的方式。主动型方式是利用过度至单独运转，电压和频率的变化比平时更显著的特点而进行检测，在现有的配电系统中，因负荷比发电量大，过渡到单独运转时，被动型检测方式能确实动作，然而在分散型电源增加的配电系统内，发电量与负荷处于平衡状态，过渡单独运转时系统的变动小，被动型单独运转检测则有出现不动作的可能性。过去，一直是采用被动型为主保护，主动型为备用的操控方式，但当分散型电源大量引入时，被动型检测方式因存在不能检测出单独运转的危险性，故近年来趋向于以主动型作为主保护方式。
目前，特别对与小型太阳光伏发电不相互干扰的主动型检测，力图统一。相对于中大容量功率调节器(PCS)的单独运转方式，也必须重视其发展动向。
2.2 适应于发电变动与系统变动的功能
原来，负荷的变化是由发电机的控制来吸收，使保持频率稳定，但当可再生能源发生变动时，仅靠发电机的控制是难于实现供需平衡的，为此，在可再生能源一侧也要调整功率，把对系统的影响限制到最小。为实现这一功能，使用了电力储存装置。但要相应于变动的周期而改变蓄电池、锂离子电池、双电层电容器等电力储存的方式，还需具备适合这一方式的充放电控制技术。
来自可再生能源的发电量变动部分，用单个的电力稳定化装置调整时，必须有与发电机（或发电站）数量相同的稳定化装置。与此相应，采用广阔区域内吸收负荷变化的区域型稳定化装置，由于可力图变动的平均化，且设备的总容量减少，与用单个电力稳定化装置比较，其经济性好。
这一区域型稳定化装置，是对包含可再生能源在内的发电量进行大范围控制的一种装置，为实现这点，要求增大电力储存装置用逆变器的单机容量，并要求并联化导致的稳定装置大容量化。
此外，在小规模系统中，发电机的惯性常数小，易引起由发电量变化造成的供需不平衡和震荡现象。这些不稳定状况可通过电力储存装置稳定化，故要求逆变器具有高速和高精度的控制。[#page#]
3 智能网中PE技术的应用
最近，可以制作出利用上述技术的电力电子产品，PE技术的适用范围在不断扩大，而且能量流通中的复杂控制已变得简单容易，社会基础设施的有效利用也在逐步变成可能。
图1所示为电力流通供电系统的智能化概念图，图中由传感器和智能仪表监测系统的信息，力图系统有效运转的发电、流通和用电最佳化。富士公司对此作了大量工作。这里介绍在智能网中可能利用的PE技术有关发电和流通的实施例子。
3.1 发电中的PE技术 
在发电方面，作为PE技术利用的例子是电力稳定化装置。
电力系统中的发电机，以旋转型的为主，在智能网中没有本质的变化。但是，由上述可再生能源的发电装置大量引入系统时，因发电的不稳定性影响到系统的频率控制。发电机的不稳定性将利用电力储存装置解决。作为输出功率稳定的发电装置，通过对其控制，可能为系统输出稳定的电力，使这一电力稳定化的装置结构如图2所示。图2是以风力发电为对象，对于太阳能的光伏发电同样可相应构成。如由蓄电池的充放电对可再生能源的功率变动部分进行补充完善那样，电力稳定化装置是对与系统连接点的合成功率进行平稳化的装置，藉助双向逆变器的控制才可能不断地进行充放电。
平稳化的目的是系统电压的稳定和频率的稳定，为实现电压的稳定进行了有功功率控制和无功功率控制，为实现频率的稳定，进行了相应短时间变动的无调节(GF)控制，相应于长时间变动的负荷频率控制(LFC)，还有相应于长周期变动的经济负荷分配控制(EDC)等。根据各种不同的控制方式，所需的电力储存量是不同的，因电池容量对设备的影响大，期望尽可能的减少容量。
富士电机公司的电力稳定化装置，设置在威氏电力公司(winpower)所属的西目风力发电站，对该装置进行了验证研究，其结果确认了风力发电站功率稳定化有效果。与此同时，在最小的设备容量下，也可实现所要求功能的充放电控制方式。
3.2 流通中的PE技术利用
上述区域(area)型电力稳定化装置，是力图在广阔区域内能实现电力稳定化的装置。在较窄的区域内进行电力供需的调整，作为力求电力稳定化的例子，独立行政法人的新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的“新能源地区集中验证研究、京都Echo能源项目验证实验”（2003年~2007年），对此予以介绍。
本验证研究中，设置了生物质发电，太阳能发电和风力发电。在由这些可再生能源的发电设备与若干预先选定的用户之间，进行了规定时间内供需平衡的控制（5分钟同时同量控制）。由4个企业单位和2个自治团体共同实施验证研究，富士电机公司主要以控制系统的开发为重点参与计划。
本系统中，太阳光伏发电与风力发电的功率由传感器检测，利用通信线将监视情况发送至控制中心。在控制中心，对补偿变动部分的二次电池功率进行运算，通过通信线给出二次电池的功率指令。由此，吸收太阳光伏发电与风力发电的功率变动部分，从数据的计测、收集直到输出二次电池的指令值，应在20秒钟左右处理完毕，数10秒钟可将发电量变动补充完善。进行了功率调整，监视和控制，因可利用通用的宽带通信网(ADSL、LSDN)，故能不考虑距离的远近来选择计测对象和控制对象，可望以低成本实现大规模的供需调整系统。
而且，本系统中，当进行同时同量控制时，负荷变动部分基本上由燃气发动-发电机调整，单位时间内负荷变动量大，由燃气发动机跟踪困难的情况下，则利用二次电池将负荷变动部分的调整补充完善。
验证试验，作为同时同量控制的精度，目标是5分钟，3%的误差，可得到基本满意的结果。因而，可确保由通用宽带通信网的高精度控制，这已得到验证。此外，智能网中作为供需控制的手段，二次电池的有效性已能确认。
4 今后智能网络中PE器件的研制动向
富士公司针对智能网的构建进行了种种研制工作，也促进了有关PE器件新的技术开发，本节介绍今后智能网发展不可或缺的技术。[#page#]
4.1 配电用PE器件
电力系统中，发电由大规模集中型发电站承担，流通由输电、配电设备完成。然后是消费，由用户解决。从大规模集中型发电站直到用户，电力的流通，也即是从系统的上游到下游是以单方向流通作为前提来构建的。
近年来，正如家用太阳能发电等用户的发电一样，分散型电源大量引入，至少在配电系统中，电力的流通就不一定为单一方向（图4），而且，因可再生能源的发电，发电量无法控制，为了对频率和电压或对潮流的管理，在分散型电源侧，特定区域或大范围区域的管理上，必须采取与原来不一样的手段。
为解决这种配电系统诸多问题的PE装置，可列出配电用自励式无功电力补偿装置和配电线回路用供需平衡控制器(LBC)。普及PE配电用装置时，必须满足户外设置，柱上设置，免费维护及低成本等条件。
作为户外设置，应满足耐环境性的规格，装置的散热、密封技术等很重要。其次，作为柱上设置，重量轻是必要条件，今后还需开发向高压系统直接连接而不用变压器的技术，而且藉助无风扇化，免维护的同时，还要降低成本。
作为配电用装置，为了开发充分满足所要求功能的装置，应考虑碳化硅(sic)等下世代器件的实用化。
4.2 智能化PCS
PCS的直流侧连接到太阳光伏阵列板、二次电池、电容器（含双电层电容器）等。太阳光伏发电的场合；二次电池为电力储存装置；电容器则为无功功率补偿装置。作为逆变器的基本结构，共同的部分很多，智能PCS是标准配备了联系所需通信功能和与系统连接功能的多功能逆变器装置，是可以多目的适用的结构。
PCS的通信，现在正纳入经济产业省的标准化，今后的通信接口、通信协议(protocor)等也将考虑规格化。一方面配备这些标准化的功能，一方面要对能适用多目的PCS进行开发、预定。
关于与系统连接的功能，包括LVRT（低电压穿越）功能，单独运转检测功能，联网保护功能等。组合这些功能，通过装置的通用化，能与各种各样的标准化相对应（图5）。
4.3 新能源的电源组件(package)
针对可再生能源利用的扩大，为了使新能源容易并入系统，希望构建将发电设备与电力储存装置一体化的新能源电源组件。
作为电力系统的类型比较，表1列出5种分类情况。
把较小容量的可再生能源形成的电源装置，实现标准部件化（组件化），不管系统的结构和可再生能源的种类，若均能适合多种用途，则容易利用可再生能源。无论先进国家型（美国、欧洲）、发展中国家型（都市型、郊区型）、还是孤岛型，都使用相同结构的电源组件，通过改变适用对象的控制方式，可容易构成电源装置，能适用于多种电力系统。作为一个研究课题，必须实现扩展性、可靠性和维护性（免维护）。
扩展性是为满足需要可扩展系统的容量，不仅增加机器的容量，而且应能连接各种电源，力图整个系统容易协调。
可靠性是指在多种地区内，由各种各样的人操控时，即使没有精通电气的人也能经常安全运转。而维护性是指故障少，如出现故障也易于应付。
新能源的电源组件，是将太阳光伏发电用PCS，蓄电池用PCS等组合，包装成标准部件。作为选件，能适应小水电和风力发电等系统所构成的。
富士公司开发了可适合多用途的新能源电源组件，并不断向智能网应用发展。
4.4 富士智能网络系统
图6所示为富士智能网络系统中PE技术的适用部分。在工业企业、民生领域，构建用户的微型网络，引入由太阳光伏发电系统、蓄电池PCS、燃料电池等组成的混合电源装置。而且，在配电系统内，由原来负荷分接开关切换的变压器(LRT)和自动电压调节器(SVR)，为稳定电压的无功功率补偿装置，为控制潮流的LBC，以及吸收可再生能源功率变动部分的电力稳定化装置等，使其组合一起，构成区域的微型网络。此外，在送电系统中设置区域型稳定化装置，力图在区域内的供电稳定化。
富士智能网络系统中，能量管理系统EMS，是从智能计测仪表和配电系统中收集的信息，对整个系统进行监控。EMS对为实现能源效率化的设备，输出控制指令。通过PE装置高速、高精度的响应，有利于达到高效率。

（原文出处：仁井 真介，加藤 正树，Power Electronics Technology that Supports Smart Grid。（富士时报）Vol.84 No.3 2011 P203-208）