绿能时代 INVERTER/CONVERTER 的并网挑战

前言

尽管气候变迁是否由化石能源引起仍莫衷一是，可以确信的是，化石能源属于有限资源，而可再生的替代能源则以其取之不尽用之不竭的特性，成为业界关注的焦点。近来随着太阳能的供货价格不断下跌，加上欧盟宣布欲将境内可再生替代能源占总能源的比例在2020年提高至20%，替代能源已开始逐渐脱离对于政府补助的依赖，走向新的发展。

虽然可再生替代能源的种类众多且不虞匮乏，然而其属于分散且不稳定的输入，因此要将替代能源直接运用在现行以交流电为基础的现代电子与电机产品之上，或者是直接并联到现有的交流电网内，除了要面对效能上的问题，更要重视安装与使用上的安全性。以替代能源在驱动源失效的情况下为例，就极有可能引发安全上的疑虑：小则造成小区域性的火灾，严重者则导致整个电网的瘫痪。因此，身为电网与替代能源的桥接接口，Inverter/Converter担负着不容小觑的安全使命，但却也受限于电力业长久以来的垄断特性及高门坎，也使“并网安全性”成为目前Inverter/converter设计者最重要却不易入手的难题。

不同绿色能源之电源质量、特性各有千秋

绿色能源的来源众多，但由于无法如化石能源可先行存放，因此如何提升转换效率与经济效益成为一大挑战。从《表1》之中可以发现，太阳光电、风力、生质能与燃料电池都具备单一设施规模较小的特性，得以成为大多数政府所鼓励推动的方向。生质能通常必须先进行来源培养、分离纯化、及转换应用，然而转换层次一旦增多，整体经济与社会效应难以评估，再加上近年来爆发粮食与能源争夺的议题后，生质能的研究虽然持续，但热度已大不如前。在燃料电池的部分，虽然具有单一设施小而且输出质量稳定的优势，燃料来源与整体转换效率却迟迟无法统一与规格化，迄今无法看到大规模的民生运用。

风力与太阳光电的特性各有千秋，在替代能源领域中，此两强领军的模式已大势底定。而地位确立后，克服能源稳定性的挑战成为当务之急。太阳光电虽然属于直流性的输出，但仍须视天候而定，若未经“转换”或是“储存”，其很难加以运用。风力发电虽然可以运用涡轮发电的原理而产生交流电，但即便透过再好的变速箱，输出频率也仅能勉强达到接近电厂的水平，输出电流极不稳定。第一阶的储能设施，虽然能够将不稳定的输入转为相对稳定的输出，然而做为独立式的电源供应，却极可能面临发电量超过用电量，产生设备损害或能源浪费的问题。因此，为了提高可再生能源的使用率与整体经济效益，将可再生能源装置的输出进行集中管理，如同“银行吸收游资”一样。这样的观念应用至电力产业，即称之为“并网”，也就是将分散的电源并到现行的电力网络中，再由电力业者进行吸纳与配送。

以银行运作为例，个人或公司把钱存到银行获得利息，银行把钱贷款给个人或公司也收取利息。如同中央银行会为了“金融稳定”而调动存贷款利率，电力业者其实也会面临类似的问题，这也就是近来搜寻率逐渐上升的词汇：“并网安全性”。

稳定性成为并网关键指标

电压与电流为电器产品运作的动力，因此稳定性的重要程度不言可喻。电力的配送发展历史，即使追溯至Thomas Edison（爱迪生，现代化的钨丝灯发明人与GE的创始人之一，同时也是直流电的拥护者）与George Westinghouse（西屋电气的创始人及交流电的拥护者）在19世纪末开始的交直流电大战，至今也不过百来年的历史。

交流电可透过线圈变压而减少配电的能量损失，因为具整体经济性的优势，使其成为至今的主要配电方式。然而当电压与电流采交流配送后，电力质量的描述与维护更形困难。除了电压与电流之外，功率因子（Power Factor）、频率（Frequency）与波形完整性（Integrity）、谐波（Harmonics）皆是描述电力质量的重要关键词群。

由于电力传输相当抽象，一般大多以声音或影像的质量来比喻电力的传送。传统的中央控制电网，如同一支功率无限大的喇叭，可清楚的将一段音乐，传达到每个人的耳朵。但若将分散的绿色电源加入电网，就像是把电网变成“合唱团”，每个人的音质（Integrity）、高低音调（Harmonic）、大小声（Amplitude）、速度快慢（Frequency）都须和谐。如果不能协调一致，就没有人能听得懂。当电力质量变糟时，依赖交流电运作的电器产品就会发生无法运作（电流电压不协调）、受到破坏（突波、共振）或者功能失常（信号错误、频率失调）的情况。
在分布式电源的质量无法等同于主电网的情况下，贸然引入分布式电源入网，除了整体的电网质量可能下降外，各分散电力源可能面临失效，甚至导致整个电网的瘫痪。

Inverter/converter的必须性、功能与作用原理

如同“指挥”将“合唱团”的歌声整合成动听的音乐，在分散源配电系统中，每个电源也必须将前述的电力质量参数调整后，才能协调至等同于单一电力源的效果。然而，如同每个歌手都需要透过大脑观看指挥并做出改变，各个电力源也需要有电力质量的调节器。因此为了将绿色能源并入电网，就可能选用下列电力转换功能零部件：
1. 将交流转换为直流，称为“整流器（Rectifier）”
2. 将直流转换为交流，称为“变频器（Inverter）”
3. 将输出电压电流增大减小，称为“变压器（Transformer）”
4. 将某种交直流型式转换为另外一种交直流型式，称为“转换器（Converter）”
5. 将不稳定的电能暂存后调整成稳定输出，称为“储能系统（Energy Storage）”

上述设备只是先将绿色电力源转换成看起来类似交流电的电力源。此外，还需有调整功率因子与滤波的设备，才能够让绿色电力源真正地成为电网的电力来源。

以往各个设备均必须分开工作，而且体积庞大，但是随着集成电路与电路板的发展，上述设备及功能也逐渐整合。现在大多数人以“变频器（Inverter）”或者“converter/inverter”简称之，虽过于简化，但为便于技术与文件的沟通，本文以下仍然以“变频器”做为这些设备整合后的简称。

Inverter/converter并网时的安全测试规范要求简介

Inverter使得分布式的电力系统变得可行，然而大多数人刚开始仅要求Inverter的“功能性”，顶多将一般的电气安全规范（如变压器等）套用在Inverter上，却往往忽略更大的问题 – 并网安全。
不同于一般家用或者公司、工厂电器产品连接于配电箱之后，Inverter是直接与电网相接。一旦Inverter与电网之间的接续出问题，电网挟带无限的电能会压倒分布式电源，不只变频器本身会损坏，后端的绿色电力源更有可能因此成为更大的灾害源！

相反地，如果电网本身已经出现问题而停止供电，而分散的绿色电力源在“不知情”的状况下，因为驱动力仍存在而持续将电馈回电网，让电网呈现带电状态，此时维修电网的人员或设备就可能受到危害！

因此，Inverter的安全标准有别于其他的电器设备安全标准。UL早在1985年即发布平面太阳光电模块的标准；1997年，为因应太阳光电模块的发展，UL公告全世界第一份关于太阳光电Inverter设备的安全标准草案 – UL 1741，该草案随后在1999年5月7日成为正式标准；2001年又因业界需要而延伸至其他形式的分布式电力源；2002年开始与IEEE 1547并网功能标准的调和，其后不断因应业界与科技需求而修订，并于今年公告了UL 1741的第二版。

IEC（International Electrotechnical Commission，国际电工委员会），也在1998年开始推动太阳光电用Inverter的计划，由TC 82负责，标准编号暂定为IEC 62109-1（安全要求，预定公告时间为2010年四月），IEC 62109-2（特殊要求，预定公告时间为2010年10月）与IEC 62109-3（控制器，正在起草中）。其中IEC 62109-1与IEC 62109-2的标准化工作会议成员的主席，皆由目前任职于UL并致力于UL 1741标准的总工程师Mr. Timothy Zgonena所担任。

由于IEC 62109系列标准尚未公告，目前全球唯一的Inverter安规标准就是UL 1741。在UL 1741中，列出了对Inverter产品的安全考虑，其中主要规范如表2所示
相较于一般电器产品，Inverter增加更多安全上的考虑。上述仅列出使用时的安全问题；而在美国，电器设备往往还必须依据美国国家电工法（NEC），或者是NFPA-70，符合安装时的配线安全要求，以确保产品能够正确与安全的安装。

Inverter/converter因应安全要求的未来发展趋势

前文提到Inverter的发展始于分布式电力源的使用，在未来绿色能源使用种类、型态与比例增加后，Inverter将逐渐从工业用途走向了商业与家庭的应用，更接近人群，而Inverter的安全定义也将随之改变。

商业化的应用，可能出现在中小型风机或是小规模的太阳光电数组，除了供货商业应用外，更有可能在电能过剩的情况下，将电回馈到电网之中，而回馈的金融机制就会促发电表的需求。至于电表的安全性，又是另外一个不同的领域。
微型风机（<10kW）与单片太阳光电模块（~200W）则是住宅可以应用与安装的领域，在更贴近人群的情况下，Inverter的防火的要求可能会变得更为严格。

新兴的应用领域则为智能型电网的建构。智能型电网的目的之一，即是透过电能的调度，以提高利用率，降低中央电网的需求。变频器除了担负电表功能以外，也担任电能调度的角色。由于变频器扮演电力网控制通讯网络中各个节点的角色，未来应用于变频器的通讯协议、通讯设备、电气与信息安全性也将是不可忽略的重要问题。

最后，无论是工业用、商业用或住宅用途，电力系统的成立都是为了长久的经济效益。不同于3C电子产品的短暂使用寿命，电力系统产品被要求的使用年限越来越长。例如太阳光电模块的使用年限，已经由过去默认的20年，延长到现今超过30年的预期目标。同样为绿色能源系统的一部分，延长变频器的长期可靠度与安全性将是无可避免的新要求。

结语

变频器的角色虽然重要，但过去几年却被明显忽视。虽然近年来许多厂商开始投入变频器的开发，但由于变频器的功能多样、技术密集度高，且电力网络属于国内产业陌生的领域，国内厂商多将其定位于低调的新业务领域，默默进行研发。然而变频器安全要求随着新功能的发展而变得更为复杂，安规符合困难度也随之提高，这也将成为未来投入厂商亟需突破的重要技术门坎。