55 kW集中型光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行性能分析

許海園， 劉祖明， 李景天， 馬遜，楊康， 謝明達(dá)， 馬銘， 趙冬陽

(1.云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092；2.云南電網(wǎng)公司 大理供電局，云南 大理 671000)

隨著國家對光伏并網(wǎng)發(fā)電的支持，并網(wǎng)容量不斷增長，作為整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心，并網(wǎng)逆變器的效率以及輸出交流電的電能質(zhì)量直接影響到用戶的用電質(zhì)量.文獻(xiàn)[1-3]中，研究者對光伏逆變器綜合性能檢測平臺進(jìn)行了研究，包括光伏并網(wǎng)逆變器的效率測試、電能質(zhì)量、功率因數(shù)等幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)的測試.本文以云南師范大學(xué)1 MW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的游泳館部分作為研究對象，實(shí)際檢測了55 kW集中型并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行情況，對其運(yùn)行效率、電能質(zhì)量進(jìn)行了分析.

1 并網(wǎng)逆變器性能概況

并網(wǎng)逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為電壓為380 V(單相220 V)、頻率為50 Hz、電壓波形為正弦波的三相交流電的轉(zhuǎn)換裝置.因此，并網(wǎng)逆變器承擔(dān)著電壓、電流轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)匹配的功能.由于逆變器與電網(wǎng)是直接相連的，因此，逆變器的效率及并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種干擾和波動會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓閃變、諧波污染和穩(wěn)態(tài)電壓波動等問題.為保障電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，世界各國對并網(wǎng)逆變器的輸出效率和電能質(zhì)量做了一系列技術(shù)要求規(guī)范和并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

集中型光伏并網(wǎng)逆變器性能包括很多方面，本文就其主要的兩個(gè)性能——逆變器運(yùn)行效率以及并網(wǎng)逆變器的輸出電能質(zhì)量進(jìn)行檢測研究，通過對這些性能參數(shù)準(zhǔn)確有效的測量計(jì)算和分析，從而可以進(jìn)一步研究和提高光伏并網(wǎng)逆變器的性能.

2 并網(wǎng)逆變器檢測及分析

云南師范大學(xué)1 MW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的游泳館部分裝機(jī)功率89.21 kW，每個(gè)子串由18塊185 W單晶硅組件構(gòu)成，子串最大功率點(diǎn)電壓為631 V,所有子串經(jīng)匯流后分別送入兩臺55 kW的逆變器(逆變模塊).每臺55 kW逆變器的最大直流輸入功率為59 kW，MPPT工作范圍為465～850 V.本次測試針對其中一個(gè)逆變器(模塊)進(jìn)行.測試設(shè)備采用三相電能質(zhì)量分析儀PQA824、太陽能光電系統(tǒng)和三相系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀SLR300N和三相電能質(zhì)量分析儀CA8335，三種測量設(shè)備均可對所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動記錄，其中SLR300N可同時(shí)測量及記錄交直流端的電壓、電流.本文中所涉及的測量參數(shù)包括直流端輸入電壓和電流，交流端輸出三相電壓、電流和電能質(zhì)量的各項(xiàng)性能參數(shù).測試在多云天氣條件下進(jìn)行，采樣時(shí)間為5 sec～5 min.

2.1 逆變器的運(yùn)行效率

光伏逆變器的效率是指其交流側(cè)輸出有功功率與直流側(cè)輸入功率之比[3]：

圖1為逆變器效率隨逆變器負(fù)載點(diǎn)變化圖.

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器效率隨負(fù)載點(diǎn)變化圖

由圖可知，在負(fù)載點(diǎn)達(dá)到20%前逆變器效率隨負(fù)載點(diǎn)的增大而升高，負(fù)載點(diǎn)高于20%后，逆變器效率基本穩(wěn)定在92%～94%之間，整體運(yùn)行效率較高；曲線中部分地方變化劇烈，這是因?yàn)樵谟性茖诱趽醯那闆r下會引起光照強(qiáng)度劇烈波動，從而使效率發(fā)生波動.

2.2 光伏并網(wǎng)逆變器電能質(zhì)量分析

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供的交流電能應(yīng)在電壓偏差、諧波、功率因數(shù)和頻率等方面均滿足要求并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4].當(dāng)出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)或不符合使用要求的越限狀況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能檢測到這些偏差，并及時(shí)將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)安全地?cái)嚅_.

2.2.1 電壓偏差

根據(jù)GB/T12325規(guī)定，供電電壓偏差是指實(shí)際運(yùn)行電壓對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差相對值，以百分?jǐn)?shù)表示，計(jì)算公式如下[5]：

在正常運(yùn)行時(shí)，光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)接口處三相交流電壓的電壓偏差為±7%，單相電壓偏差-10%～+7%.

本測試系統(tǒng)中，三相電壓測量的線電壓平均值為391.25 V，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為380 V，所以算得電壓偏差為：

符合GB/T12325的規(guī)定.

2.2.2 頻率

在GB/T15945-2008中，頻率偏差的定義為系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值之差[6].根據(jù)GB/T19939-2005規(guī)定，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)應(yīng)與電網(wǎng)保持同步，額定頻率為50 Hz，而頻率偏差值應(yīng)符合GB/T15945-2008的規(guī)定，即偏差值范圍在±0.5 Hz[4].本測試系統(tǒng)中，頻率的變化情況如下圖所示.

圖2 并網(wǎng)逆變器頻率變化圖

由圖2可知，在逆變器啟動的整個(gè)時(shí)間段頻率都在50 Hz附近，變化不大，實(shí)際測出一天中的平均頻率為50.003Hz，頻率偏差值為50.003-50=0.003 Hz，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).

2.2.3 諧波與波形畸變

低的電壓和電流的諧波水平是有益的，但高諧波增加率會對所連接的設(shè)備產(chǎn)生有害影響.逆變器通過逆變電路的調(diào)制、整流濾波、升壓等，最終得到用戶使用的正弦交流電.由于逆變器中電力電子器件的大量應(yīng)用，增加了非線性負(fù)載，從而造成波形失真，給系統(tǒng)帶來大量諧波，因此，諧波的幅度和階次會受到系統(tǒng)的發(fā)電方式及逆變器工作模式的影響.

2.2.3.1 電流諧波及其波形畸變

光伏系統(tǒng)的輸出須有較低的電流畸變，來確保不會對連接到公用電網(wǎng)的其他設(shè)備造成不利影響.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求(GB/T19939-2005)中規(guī)定總諧波電流應(yīng)小于逆變器額定輸出電流的5%，即各次諧波電流值應(yīng)限制在下表1、表2所列的百分比范圍之內(nèi)，偶次諧波畸變應(yīng)小于低的奇次諧波畸變限值的25%[4].

表1 奇次諧波電流畸變限值

表2 偶次諧波電流畸變限值

本次共測得電壓、電流50次的諧波分量，現(xiàn)將對總諧波畸變貢獻(xiàn)較大的主要分量統(tǒng)計(jì)如下：

圖3 3次至9次電流奇次諧波含有率

由圖3可知，3次、7次和9次諧波含有率大部分均在4%以下，而5次諧波起伏較大且不滿足畸變限值.

圖4 11次至15次電流奇次諧波含有率

由圖4可知，11次至15次電流奇次諧波除了在下午五點(diǎn)四十左右出現(xiàn)大幅度畸變外，其余時(shí)間均在2%的畸變限值以內(nèi).

圖5 17次至21次電流奇次諧波含有率

由圖5可知，17次至21次電流奇次諧波全部符合低于1.5%的畸變限值要求.

圖6 23次至33次電流奇次諧波含有率

由圖6可知，23次至33次電流奇次諧波中，27、31、33次諧波基本滿足低于0.6%的畸變限值，但23、25、29次諧波波動幅度較大，且25和29次諧波大都高于0.6%的畸變限值.

圖7 2次至8次電流偶次諧波含有率

由圖7可知，2、4、6次電流諧波均滿足低于1%的畸變限值要求，8次諧波僅在18∶30出現(xiàn)突變，超出限值.

圖8 10次至32次電流偶次諧波含有率

由圖8可知，除了30次電流諧波產(chǎn)生兩個(gè)大于0.6%的峰值外，其余10次至32次電流偶次諧波均符合低于0.6%的畸變限值.

2.2.3.2 電壓諧波及其波形畸變

電網(wǎng)中諧波電壓限值有相應(yīng)的規(guī)定，常用電壓總諧波畸變率來表示.總諧波畸變率的定義為周期性交流量中諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比，用THDu表示.電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為0.38 kV時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓(相電壓)總諧波畸變率應(yīng)為5%[7].

現(xiàn)將一天中電壓總諧波畸變率變化曲線作圖如下：

圖9 電壓總諧波畸變率

由圖9可知，一天中電壓總諧波畸變率均在5%以下，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

2.2.4 功率因數(shù)

功率因數(shù)是指有功功率和視在功率之比.根據(jù)GB/T19939-2005的規(guī)定，當(dāng)逆變器的輸出功率大于其額定輸出功率的50%時(shí)，系統(tǒng)的平均功率因數(shù)應(yīng)不小于0.9(超前或滯后)，一段時(shí)間內(nèi)的平均功率因數(shù)為：

式中：EREAL—有功電量(kW·h)；EREACTIVE—無功電量(kvarh).

選取某一天中逆變器輸出大于其額定輸出的50%的時(shí)段的數(shù)據(jù)，作圖如下：

圖10 一段時(shí)間內(nèi)平均功率因數(shù)變化圖

由圖10可知，該逆變器每一時(shí)刻的平均功率因數(shù)均在0.9以上，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

3 結(jié) 論

從對本校集中型55 kW光伏并網(wǎng)逆變器的測試數(shù)據(jù)來看，該逆變器的運(yùn)行性能中其運(yùn)行效率、電壓偏差、頻率偏差、功率因數(shù)等參數(shù)均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但該光伏系統(tǒng)輸出的電流畸變水平有部分不穩(wěn)定，部分諧波超出了規(guī)定的畸變限值，會對連接到電網(wǎng)的其他設(shè)備造成一些不利影響.本文測試對象為含變壓器的逆變器，測試數(shù)據(jù)會受變壓器影響有一定偏差，但大體符合逆變器的性能特征.本文通過對逆變器各項(xiàng)性能參數(shù)的測試分析，為其他逆變器檢測提供了依據(jù)，對進(jìn)一步提高逆變器性能提供了參考.

[1] 崔榮靖，李盛偉，李曉輝，等.光伏并網(wǎng)逆變器檢測技術(shù)初探[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2013，25(4)：103-107.

[2] 郭放，李大中.光伏并網(wǎng)逆變器性能檢測技術(shù)及智能檢測平臺系統(tǒng)研究[J].電力學(xué)報(bào)，2012，27(5)：498-501.

[3] 鄒建章，陳喬夫，張長征.光伏逆變器綜合性能測試平臺研究[J].電測與儀表，2010，47(536)：20-23.

[4] GB/T19939-2005，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S].

[5] GB/T12325-2008，電能質(zhì)量供電電壓偏差[S].

[6] GB/T15945-2008，電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差[S].

[7] GB/T14549-93，電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波[S].