光伏并網(wǎng)逆變器檢測技術(shù)初探

崔榮靖，李盛偉，李曉輝，王哲

（1.天津市電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津 300171；2.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

光伏并網(wǎng)逆變器檢測技術(shù)初探

崔榮靖1，李盛偉1，李曉輝2，王哲1

（1.天津市電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津 300171；2.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

為推動和規(guī)范我國并網(wǎng)光伏逆變器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定合乎電網(wǎng)企業(yè)運行要求的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)了光伏并網(wǎng)逆變器測試平臺，以檢驗入網(wǎng)逆變器設(shè)備的性能，完善檢測標(biāo)準(zhǔn)。該檢測平臺由仿真直流電源、模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)、模擬負(fù)載、仿真交流電源和檢測設(shè)備組成，通過24個測試項目，對逆變器的檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測技術(shù)進(jìn)行研究。文中詳細(xì)介紹了檢測平臺的硬件構(gòu)成，并通過部分檢測實例證明該平臺建設(shè)技術(shù)手段先進(jìn)，具有合理性、有效性和可擴(kuò)展性，具備光伏并網(wǎng)逆變器檢測能力。

光伏發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；檢測平臺；檢測技術(shù)

逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，不僅負(fù)責(zé)將光伏組件產(chǎn)生的直流電變成交流電并入電網(wǎng)，還可以通過控制輸出電流（電壓）的波形、頻率和振幅，起到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性等作用，最終實現(xiàn)光伏并網(wǎng)電站節(jié)能、節(jié)材、高效、安全、環(huán)保等多種目標(biāo)。為保證公用電網(wǎng)和用戶的安全，光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)具備完善的保護(hù)措施，因此，有必要進(jìn)一步研究光伏并網(wǎng)逆變器的性能測試。

目前，國際上對于分布式發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備測試平臺還處于起步階段，國內(nèi)對于光伏并網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備檢測平臺的建設(shè)也不多見，文獻(xiàn)[1-5]表明，研究者大多關(guān)注逆變器的逆變技術(shù)以及分布式電源接入系統(tǒng)的控制技術(shù)的研究和應(yīng)用。目前中國電科院搭建了一套并網(wǎng)光伏逆變器的檢測平臺，其整個平臺由控制計算機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、RS485和通用接口總線系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)備配置合理，操作方便[6]。

為推動和規(guī)范我國并網(wǎng)光伏逆變器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定合乎電網(wǎng)企業(yè)運行要求的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，天津電科院針對光伏發(fā)電建設(shè)了并網(wǎng)測試平臺，以檢驗入網(wǎng)逆變器設(shè)備的性能，完善檢測標(biāo)準(zhǔn)。該檢測平臺由一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)和集成系統(tǒng)組成，本文將詳細(xì)介紹檢測平臺的搭建，分析檢測結(jié)果的合理性，證明該平臺運行良好，可擴(kuò)展性高。

1 檢測平臺構(gòu)成

1.1 平臺設(shè)計方案及總體功能

1.1.1 設(shè)計方案

分布式電源并網(wǎng)檢測平臺的主要目的是對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行測試，以驗證是否滿足入網(wǎng)要求，檢測平臺總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 檢測平臺總體設(shè)計方案Fig.1The general design scheme of the testing platform

平臺由三部分組成：一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)和集成系統(tǒng)。平臺一次系統(tǒng)由仿真直流電源、待檢測逆變器、模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)、仿真交流電源、模擬負(fù)載組成；二次系統(tǒng)由功率分析儀、電能質(zhì)量分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀組成；集成系統(tǒng)由工控機、集成軟件和可控開關(guān)設(shè)備組成。

1.1.2 總體功能

目前單相并網(wǎng)逆變器功率主要為10 kW及以下，三相并網(wǎng)逆變器功率主要有500 kW、250 kW、100 kW、50 kW、30 kW、10 kW。考慮平臺搭建的意義及逆變器的常見型號，平臺主要針對具有代表性的30 kW及以下的逆變器進(jìn)行測試。

平臺具有分布式電源接入設(shè)備（逆變器）的檢測能力，具體測試項目包括[7-10]：電壓偏差測試、頻率測試、電流諧波測試、功率因數(shù)測試、電壓不平衡度測試、直流分量測試、閃變測試、交流過/欠電壓保護(hù)測試、過/欠頻率保護(hù)測試、反孤島保護(hù)測試、恢復(fù)并網(wǎng)測試、防雷和接地測試、逆向功率保護(hù)測試、短路保護(hù)測試、過流保護(hù)測試、輸入反接保護(hù)測試、絕緣與介電強度測試、電磁干擾測試、浪涌承受能力測試、逆變器效率測試、最大功率點追蹤測試、自動開關(guān)機測試、軟啟動功能測試、瞬時電壓下降測試、交流電壓追從測試。

1.2 一次系統(tǒng)

1.2.1 仿真直流電源

仿真直流電源主要用來模擬直流分布式電源（例如太陽能發(fā)電、燃料電池、蓄電池等）的輸出特性，包括模擬天氣、溫度等環(huán)境的影響，模擬各種分布式電源的控制特性、響應(yīng)時間等，以盡求能夠向逆變器模擬一個最接近真實情況的電能輸入。

根據(jù)測試項目需要，仿真直流電源應(yīng)具有程序控制功能，可定義輸出VI曲線。功率方面，直流仿真電源要與逆變器相匹配，即直流仿真電源的最大輸出功率要大于等于被測逆變器的最大功率。因此，平臺選擇了32 kW的直流仿真電源，能夠滿足對30 kW逆變器的測試需要。考慮平臺的擴(kuò)展性，仿真直流電源還具有可擴(kuò)容性。

電源具有函數(shù)發(fā)生器，具有恒壓、橫流、恒功率輸出功能，具有開放的可編程性?？删幊炭刂齐妷?、電流、功率、電阻等，可以作為時間，或者相互之間的任意函數(shù)關(guān)系進(jìn)行輸出；高穩(wěn)態(tài)精度，高動態(tài)響應(yīng)，便于進(jìn)行光伏電池、燃料電池、整流風(fēng)機等直流分布式電源的動態(tài)輸出特性模擬。其保護(hù)功能包括過流、過壓、過載、短路和反向保護(hù)功能。由于提供輸出特性曲線的用戶自定義方式，直流電源還可以模擬直流分布式電源在不同天氣、溫度等環(huán)境下的真實輸出，另外，在恒壓模式下可以設(shè)置最大輸出電流，在恒流的模式下可以設(shè)置最小輸出電流，在額定功率下電壓和電流可以自由組合所要的設(shè)定值。各種運行狀態(tài)下的波形都可以查看。

另外，由于需要進(jìn)行逆變器的過流保護(hù)和短路保護(hù)的測試，需要仿真直流電源提供的功率應(yīng)至少是被測逆變器最大直流輸入功率的1.5倍。

1.2.2 模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)

逆變器若要進(jìn)行交流電壓追從測試、運轉(zhuǎn)功率因數(shù)測試、電壓上升抑制功能測試等項目，需要逆變器端口的電能環(huán)境接近真實電網(wǎng)。由于仿真交流電源的輸出阻抗幾近為零，因此仿真交流電源的輸出端必須要連接模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)，方可進(jìn)行上述測試。因此，本平臺配置了模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)，用來模擬線路，從而可以對分布式電源接入系統(tǒng)的影響進(jìn)行精確的模擬和分析，包括對故障電壓、短路電流水平、潮流、系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量等。

1.2.3 仿真交流電源

在進(jìn)行系統(tǒng)連接測試時，根據(jù)測試項目要求不同，需要調(diào)節(jié)交流側(cè)電網(wǎng)特性，因此被測逆變器不能直接連接到實際電網(wǎng)中，需要能夠模擬電網(wǎng)特性的測試用交流電源。仿真交流電源是平臺中最重要的設(shè)備之一，其性能對測試項目的結(jié)果有著直接決定性作用，對仿真交流電源的要求主要有：可快速調(diào)節(jié)電壓、電流、功率，具有可承受逆潮流功能；可單相、三相運行；可擴(kuò)展容量；具有程控功能。

平臺所選擇的仿真交流電源，能夠高精度地穩(wěn)頻穩(wěn)壓并可以快速調(diào)節(jié)電壓和頻率，功率模組設(shè)計。高精度有效值數(shù)字表頭對頻率、電壓、電流、有功功率等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的顯示。暫態(tài)反應(yīng)速度快，對100%加載/去載，穩(wěn)壓反應(yīng)時間在2 ms內(nèi)。輸出相電壓可以模擬世界各國的電壓，穩(wěn)壓精度不大于±1%，頻率穩(wěn)定度≤0.01%，整機效率≥90%。此外，輸入無熔絲開關(guān)，電子電路快速偵測過電壓、過電流、過載、輸入欠壓、過高溫和短路，進(jìn)行快速保護(hù)并鎖定故障，發(fā)出警告，顯示故障。具備故障時一鍵停機功能。

1.2.4 模擬負(fù)載

模擬負(fù)載可以模擬不同的負(fù)載特性，以檢驗?zāi)孀兤鞯亩ǔＬ匦?，并可以通過調(diào)整負(fù)載匹配逆變器的輸出功率，斷開與仿真交流電源的連接，檢測逆變器的反孤島保護(hù)性能。

為滿足并網(wǎng)逆變器的防孤島效應(yīng)保護(hù)試驗、過載保護(hù)試驗、過流保護(hù)試驗、功率因數(shù)測定試驗、工作效率測量試驗、并網(wǎng)電流諧波試驗等需要。平臺選擇的三相模擬負(fù)載三相功率獨立控制，可任意組合模擬各種功率負(fù)荷，此外負(fù)載還可精確模擬交流用電設(shè)備發(fā)生諧振，三相電壓不平衡時，也能快速調(diào)試出每一相諧振點，檢測并網(wǎng)逆變器防孤島保護(hù)功能及工作效率、供電性能。

1.3 二次系統(tǒng)

1.3.1 功率分析儀

功率分析儀用于測量交流接入點處的電壓、電流、頻率、諧波、功率、功率因數(shù)、電壓不平衡度、直流分量，以及變流設(shè)備直流側(cè)的電壓、電流、功率、紋波系數(shù)等參數(shù)。其輸入量有直流側(cè)的電壓和電流、交流側(cè)的三相電壓和電流，每一組電壓、電流信號算1路輸入，共計4路模擬量輸入。它要有數(shù)據(jù)存儲功能，有單相和三相兩種不同的接線方式，可以承受一定的功率波動范圍。

1.3.2 電能質(zhì)量分析儀

電能質(zhì)量分析儀的功能是檢測電能的質(zhì)量?？梢赃M(jìn)行三角形和星型等方式的接線，可測量電壓和電流的有效值、頻率、功率、功耗（電量）、不平衡度和閃變等，能夠測量所有相線、零線和地線，能測量配電系統(tǒng)中的每一線路。平臺根據(jù)功能選擇的電能質(zhì)量分析儀除具有上述功能外，還具有故障檢測、數(shù)據(jù)采集等功能。具有外界通訊接口以及外界操作顯示單元，同時可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和通訊，諧波測量至63次，可以檢測三相不平衡度、瞬態(tài)尖峰脈沖信號、浪涌電流。

1.3.3 數(shù)據(jù)記錄儀

數(shù)據(jù)記錄儀用來記錄從各個設(shè)備輸入的模擬量和開關(guān)量。主要用于分布式電源并網(wǎng)設(shè)備性能測試及直流分布式電源的模擬試驗等，按照平臺功能要求，可以記錄從傳感器中獲取的測量結(jié)果，并將這些結(jié)果存儲起來。

2 檢測實例

平臺搭建完成后，針對國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的三相30 kW逆變器進(jìn)行了測試。

2.1 電能質(zhì)量測試

啟動檢測平臺，將逆變器并網(wǎng)運行后，用電能質(zhì)量分析儀測試逆變器輸出側(cè)的電壓，如圖2所示。

圖2 逆變器輸出側(cè)電壓Fig.2The inverter output voltage and current

由圖2可知，逆變器輸出側(cè)含有一定的諧波，繼續(xù)測得電壓、電流的3次、5次、7次諧波含有率如表1所示。電壓、電流的3～15次奇次諧波含有率如表2所示。由以上測試可知，逆變器輸出側(cè)奇次諧波總畸變率為3.6，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表1 電壓、電流奇次諧波Tab.1The odd harmonic voltage and current

表2 電壓、電流3～15次奇次諧波含有率Tab.2The odd harmonic ratio of voltage and current

相測試項電流/% THDH3H5H7H9H11H13H15 L13.10.40.80.70.10.30.20.1 L22.51.81.00.70.20.30.20.1 L33.61.81.10.60.20.30.20.1 N2.21.80.30.20.30.10.10.1

實驗測量4 min內(nèi)總諧波含有率曲線，如圖3所示。由圖3可知，在4 min內(nèi)，電壓總諧波畸變率均不超過0.1，逆變器諧波測試符合規(guī)定。

圖3 4min內(nèi)電壓諧波總畸變率Fig.3The total harmonic distortion of voltage in 4 minutes

2.2 逆變效率測試

啟動檢測平臺，將逆變器并網(wǎng)運行后，用功率分析儀檢測不同狀態(tài)下逆變器的逆變效率，測試結(jié)果如表3所示。

圖4 逆變器過壓測試Fig.4The inverter over-voltage test

圖5 逆變器欠壓測試Fig.5The inverter under-voltage test

表3 逆變效率測試Tab.3The inverting efficiency test

由逆變器的逆變效率定義可知以上各狀態(tài)下，此逆變器的逆變效率均大于94%，這與產(chǎn)品說明書中的逆變效率一致，并且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3 交流過電壓/欠電壓保護(hù)測試

啟動檢測平臺，將逆變器并網(wǎng)運行后，用數(shù)據(jù)記錄儀測試模擬負(fù)載接入點的三相電壓及逆變器輸出的三相電流。

將交流側(cè)電壓由220 V升高至268 V，測試結(jié)果如圖4所示。可知，電網(wǎng)電壓升高后，逆變器于725 ms后跳閘，報告過壓故障。

將交流側(cè)電壓由220 V降低至160 V，測試結(jié)果如圖5所示。可知，電網(wǎng)電壓降低后，逆變器于626.1 ms后跳閘，報告欠壓故障。

將測試結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，所進(jìn)行的測試項目均表明被檢逆變器符合規(guī)范要求，與出廠檢測報告一致。

2.4 功率因數(shù)測試

圖6 不同預(yù)設(shè)功率時的功率因數(shù)波形Fig.6The power factor at different inverter output

啟動檢測平臺，將逆變器并網(wǎng)運行后，分別記錄直流側(cè)和交流側(cè)的功率并計算功率因數(shù)，結(jié)果如圖6所示。將圖6的功率因數(shù)波形與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，表明被檢逆變器符合規(guī)范要求。

2.5 防孤島測試

啟動檢測平臺，將逆變器并網(wǎng)運行后，分別調(diào)整負(fù)載的有功功率、無功功率與額定值的偏差為+5%、-5%、-10%，記錄逆變器的分閘時間，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，分別調(diào)整負(fù)載的有功功率、無功功率與額定值的偏差為+5%、-5%、-10%，逆變器的分閘時間分別為19.60 ms、22.90 ms、17.40 ms。

將測試結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，表明被檢逆變器符合規(guī)范要求。

圖7 不同負(fù)載P、Q偏差時的孤島測試波形Fig.7The islanding test with different loads

2.6 軟啟動測試

陸續(xù)啟動測試平臺各設(shè)備，讀取數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)，記錄逆變器軟啟動并網(wǎng)時間。測試波形如圖8所示。兩次測試逆變器軟啟動時間分別為63.997 05 s、60.997 05 s，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，表明被檢逆變器符合規(guī)范要求。

圖8 逆變器軟啟動時間測試Fig.8 The soft-starting time test of inverter

3 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了光伏并網(wǎng)逆變器檢測平臺的構(gòu)成，并針對逆變器檢測實例進(jìn)行了分析，實踐證明，該平臺設(shè)備配置合理，運行情況良好，今后可以對逆變器的保護(hù)功能、防孤島檢測等各項功能做進(jìn)一步深入測試研究，所配置的光伏模擬器、電網(wǎng)模擬器也使得平臺具有分布式電源接入仿真實驗?zāi)芰Α?/p>

[1]戰(zhàn)杰，馬夢朝，張彥，等（Zhan Jie，Ma Mengchao，Zhang Yan，et al）.大規(guī)模光伏電站孤島運行方式分析（Analysis for islanding of large-scale photovoltaic power station operation）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（2）：76-80，96.

[2]程軍照，李澍森，張騰飛（Cheng Junzhao，Li Shusen，Zhang Tengfei）.多路并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真與分析（Simulations and analysis on a multi-branch grid-connected photovoltaic system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（4）：58-62.

[3]曾議，吳政球，劉楊華，等（Zeng Yi，Wu Zhengqiu，Liu Yanghua，et al）.分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)（Islanding detection method for distributed generation systems）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（3）：106-110.

[4]林霞，董曉峰，陸于平，等（Lin Xia，Dong Xiaofeng，Lu Yuping，et al）.基于數(shù)據(jù)挖掘的分布式系統(tǒng)孤島檢測方法（Application of data mining in island detection of distributed generation）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（2）：38-44.

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[6]閆華光，章欣，楊湘江，等（Yan Huaguang，Zhang Xin，Yang Xiangjiang，et al）．光伏并網(wǎng)逆變器檢測平臺的研制（Development of detection platform for grid-connected photovoltaic inverters）[J]．電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2011，35（6）：139-143．

[7]GB/T 19939－2005，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S]．

[8]GB/T 20046－2006，光伏（PV）系統(tǒng)接口特性[S]．

[9]IEEE Std 929-2000，IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic systems[S]．

[10]IEEE Std 1547.1-2005，IEEE standard conformance test proceduresfor equipment interconnecting distributed resources with electricpower systems[S]．

Preliminary Study on Testing Technology of Photovoltaic Grid-connected Inverter

CUI Rong-jing1，LI Sheng-wei1，LI Xiao-hui2，Wang Zhe1
（1.Tianjin Electric Power Cooperation Electric Power Economic&Technology Research Institute，Tianjin 300171，China；2.Tianjin Electric Power Cooperation Electric Power Research Institute，Tianjin 300384，China）

In order to promote and regulate the development of grid inverter industry，and also to improve the detection standard，a testing platform for photovoltaic grid-connected inverter was established.The testing platform was composed of the alternating current（AC）simulation power supply，direct current（DC）simulation power supply，impedance network，adjustable load and the detecting instruments.Based on the platform，the inverter detecting standard and technology were studied through 24 tests.The hardware composition was introduced by this paper，and the practicality of platform was also proved by the testing examples.

photovoltaic power system；grid-connected inverter；detecting platform；detecting technology

TM464

A

1003-8930（2013）04-0103-05

崔榮靖（1984—），女，碩士，工程師，研究方向為電磁場與微波技術(shù)。Email：cuirongjing1984@163.com。

2012-05-15；

2013-04-01

李盛偉（1981—），男，博士，工程師，研究方向為分布式電源與電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計。Email：lshengw@163.com

李曉輝（1973—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析。Email：lixiaohui_tj@sina.com