光伏并網(wǎng)逆變器性能指標(biāo)檢測(cè)與分析研究

崔 劍 王金梅 陳 杰 楊國(guó)華

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

光伏并網(wǎng)逆變器性能指標(biāo)檢測(cè)與分析研究

崔 劍 王金梅 陳 杰 楊國(guó)華

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

光伏并網(wǎng)逆變器性能的優(yōu)劣直接影響電力設(shè)備、人員安全,以及整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)乃至電網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)逆變器性能指標(biāo)檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的研究，分析了不同性能測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試原理，對(duì)逆變器的電氣性能、保護(hù)性能進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了光伏并網(wǎng)逆變器的測(cè)試平臺(tái)，給出了性能測(cè)試流程，并通過(guò)實(shí)際環(huán)境設(shè)備測(cè)量驗(yàn)證其一致性。測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)光伏逆變器性能指標(biāo)的檢測(cè)與分析，設(shè)備配置合理，功能完善可靠。

光伏發(fā)電系統(tǒng) 并網(wǎng)逆變器 電能質(zhì)量 孤島檢測(cè) 檢測(cè)平臺(tái)

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，基于可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)成為解決上述問(wèn)題的有效措施之一。在可再生能源并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域中，由于太陽(yáng)能資源豐富，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注[1-3]。

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電比例不斷增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模接入將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響[4-5]。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，主要起到功率控制和能量變換等作用。光伏并網(wǎng)逆變器性能直接影響入網(wǎng)電流和功率等電能質(zhì)量，因此如何評(píng)估光伏并網(wǎng)逆變器的電氣性能是保證光伏產(chǎn)品有效推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的電氣性能評(píng)估問(wèn)題，結(jié)合北京鑒衡認(rèn)證中心發(fā)布的CGC/GF004:2011(CNCA/CTS00004-2009A)光伏并網(wǎng)發(fā)電專(zhuān)用逆變器技術(shù)條件，設(shè)計(jì)了光伏并網(wǎng)逆變器性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，給出了測(cè)試性能的流程圖，詳細(xì)分析了不同電氣性能測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試原理。最后，針對(duì)某實(shí)驗(yàn)性電站的光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了電氣性能測(cè)試，并分析了測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明了測(cè)試實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和有效性。

1 光伏逆變器性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

逆變器測(cè)試平臺(tái)由逆變器綜合性能測(cè)試分析系統(tǒng)和通信及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成[6-9]，如圖1所示。

圖1 逆變器性能測(cè)試分析系統(tǒng)

如圖1所示，逆變器綜合性能分析系統(tǒng)主要是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估，進(jìn)而確定逆變器是否能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

通信及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是系統(tǒng)中完成人機(jī)交互的核心部分，通過(guò)采集相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)(如變壓器、開(kāi)關(guān)等)以及逆變器測(cè)試設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)上傳至綜合分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并將用戶(hù)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和被試逆變器的性能反饋給試驗(yàn)人員，然后對(duì)實(shí)時(shí)收集系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示、記錄結(jié)果。軟件處理界面應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)要求，并支持直接輸出完整的測(cè)試報(bào)告的功能。

該平臺(tái)可對(duì)逆變器的電氣性能指標(biāo)、保護(hù)性能以及電磁兼容性進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試項(xiàng)目包括：逆變器效率測(cè)試、功率因數(shù)測(cè)試、電能質(zhì)量測(cè)試、直流分量測(cè)試、過(guò)流/短路保護(hù)測(cè)試、孤島保護(hù)測(cè)試、交流過(guò)/欠電壓保護(hù)測(cè)試、過(guò)/欠頻率保護(hù)測(cè)試、軟啟動(dòng)測(cè)試以及電壓波動(dòng)和閃爍測(cè)試等。

2 逆變器性能指標(biāo)測(cè)試

根據(jù)原理圖搭建檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行逆變器性能指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)流程圖如圖2所示[9]。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

2.1 逆變器電氣性能指標(biāo)測(cè)試

2.1.1 逆變效率測(cè)試

最大逆變效率(ηmax)發(fā)生時(shí)，逆變器輸出功率占額定功率的百分比(x%)由制造商和用戶(hù)協(xié)議確定。在逆變器輸出x%額定功率時(shí)，測(cè)量其直流輸入功率，計(jì)算出ηmax。

1) 無(wú)變壓器型逆變器的最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于96%；

2) 含變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于94%。

根據(jù)歐洲效率的公式，根據(jù)負(fù)載點(diǎn)為5%、10%、20%、30%、50%、100%時(shí)逆變器的效率，求得逆變器歐洲效率，并找出最大逆變效率[10]。

2.1.2 功率因數(shù)測(cè)試

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的PCC點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量，規(guī)定當(dāng)逆變器輸出有功功率大于其額定功率的50%時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.98(超前或滯后)；輸出有功功率在20%～50%之間時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.95(超前或滯后)。

一段時(shí)期內(nèi)的平均功率因數(shù)(powerfactor，PF)公式為：

(1)

式中：POUT為逆變器輸出的總有功功率，kW；QOUT為逆變器輸出的總無(wú)功功率，Var。

2.1.3 電能質(zhì)量測(cè)試

光伏并網(wǎng)變換器具有非線(xiàn)性特性，將會(huì)引起電流畸變，損壞電網(wǎng)電能質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，IEEE std.929-2000對(duì)并網(wǎng)諧波電流含量進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，要求光伏并網(wǎng)逆變器在運(yùn)行期間向電網(wǎng)注入的諧波電流必須控制在允許范圍內(nèi)。

將電能質(zhì)量分析儀放置在公共耦合點(diǎn)處，分別測(cè)量注入網(wǎng)電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率。規(guī)定入網(wǎng)電流總諧波畸變率小于5%，各次諧波中奇次諧波電流含量限值如表1所示。

表1 奇次諧波電流含量限值

偶次諧波電流含量限值如表2所示。

表2 偶次諧波電流含量限值

2.2 逆變器保護(hù)功能測(cè)試

2.2.1 過(guò)流/短路保護(hù)測(cè)試

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)交流側(cè)，模擬電網(wǎng)短路故障。當(dāng)逆變器檢測(cè)到交流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)停止向電網(wǎng)供電，并測(cè)量光伏逆變器輸出電流值以及與電網(wǎng)斷開(kāi)的時(shí)間。規(guī)定逆變器輸出的電流應(yīng)不大于額定值的150%，并在0.1 s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電，同時(shí)發(fā)出警示信號(hào)。故障排除后，逆變器應(yīng)能正常工作。如果在1 min之內(nèi)2次檢測(cè)到交流側(cè)發(fā)生保護(hù)，逆變器將不得再次接入電網(wǎng)。

2.2.2 交流過(guò)/欠電壓、頻率測(cè)試

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)異常電壓響應(yīng)動(dòng)作、時(shí)間的相關(guān)限值如表3所示。當(dāng)逆變器交流輸出電壓超過(guò)規(guī)定電壓范圍時(shí)，逆變器應(yīng)停止向電網(wǎng)供電，同時(shí)發(fā)出警示信號(hào)。在頻率測(cè)試中，首先需要設(shè)置交流電源輸出頻率，當(dāng)其頻率大于(50±0.5) Hz時(shí)，逆變器應(yīng)在0.2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電。

表3 異常電壓響應(yīng)時(shí)間

2.2.3 孤島保護(hù)測(cè)試

所謂孤島效應(yīng)，是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)未能檢測(cè)出停電狀態(tài)而脫離電網(wǎng)，仍然向周?chē)呢?fù)載提供電能，從而形成一個(gè)電力公司無(wú)法控制的自給供電孤島。孤島效應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)、各用戶(hù)端設(shè)備都會(huì)帶來(lái)很大危害，甚至?xí){線(xiàn)路檢修人員的人身安全。因此，光伏并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)檢測(cè)能力。當(dāng)電網(wǎng)停電檢修時(shí)，逆變器立刻停止對(duì)電網(wǎng)的供電，且響應(yīng)時(shí)間為2 s。防孤島效應(yīng)檢測(cè)原理如圖3所示[11-14]。

圖3 防孤島效應(yīng)檢測(cè)原理圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

前文對(duì)逆變器的電氣性能測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，在此針對(duì)國(guó)內(nèi)某廠(chǎng)家生產(chǎn)的三相SG10K3逆變器進(jìn)行電氣性能測(cè)試，并進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 電能質(zhì)量檢測(cè)

首先對(duì)三相SG10K3進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，將電能質(zhì)量分析儀放置在PCC，測(cè)試入網(wǎng)電流，得到的數(shù)據(jù)圖如圖4所示。圖4(a)和圖4(b)分別給出了入網(wǎng)電流偶數(shù)和奇數(shù)諧波含量，將其與表1和表2進(jìn)行對(duì)比可知，并網(wǎng)電流諧波含量均在允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 逆變器輸出電流諧波含量

3.2 防孤島檢測(cè)

前文對(duì)并網(wǎng)逆變器的電能質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試和分析，在此主要對(duì)逆變器的防孤島效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。首先啟動(dòng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)，當(dāng)逆變器并網(wǎng)后，根據(jù)防孤島效應(yīng)檢測(cè)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 防孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，在0.2 s之前并網(wǎng)逆變器處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài);在0.2 s時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生孤島；在0.26 s時(shí)，逆變器檢測(cè)出孤島發(fā)生并停止向電網(wǎng)供電，使電流為零，孤島檢測(cè)時(shí)間滿(mǎn)足要求。

3.3 逆變器效率檢測(cè)

對(duì)送變器進(jìn)行效率測(cè)試，所得效率曲線(xiàn)圖如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)逆變器效率曲線(xiàn)

由圖6可以看出，光伏并網(wǎng)逆變器在負(fù)載點(diǎn)為60%時(shí)能夠獲得最大逆變效率，約為95.7%，依據(jù)歐洲效率計(jì)算公式，得出逆變器的歐洲效率為93.91%。

在某實(shí)驗(yàn)電站，取10月份的某一晴天進(jìn)行逆變器效率測(cè)試，針對(duì)不同負(fù)載點(diǎn)，測(cè)試逆變器效率結(jié)果如表4所示。

表4 各負(fù)載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率值表

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中受日照輻射、風(fēng)速、溫度等影響，光伏逆變器很難達(dá)到負(fù)載點(diǎn)為100%，因此取一個(gè)近似值來(lái)代表100%負(fù)載點(diǎn)中的值。根據(jù)歐洲效率計(jì)算公式，得出逆變器歐洲效率為92.06%。

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與實(shí)際設(shè)備測(cè)量的結(jié)果基本一致，測(cè)試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了效率測(cè)試的有效性。同時(shí)由于太陽(yáng)能受自然條件的限制及天氣因素的影響，在戶(hù)外測(cè)得的逆變器效率略低于測(cè)試數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了光伏并網(wǎng)逆變器的檢測(cè)方法，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的光伏并網(wǎng)逆變器檢測(cè)平臺(tái)，分析了并網(wǎng)逆變器不同性能標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試原理，設(shè)計(jì)了測(cè)試流程，最后對(duì)某三相SG10K3逆變器進(jìn)行檢測(cè)、分析，并與戶(hù)外實(shí)驗(yàn)電站取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。平臺(tái)設(shè)備配置合理，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行情況良好，測(cè)量精度高，能有效完成對(duì)逆變器的電氣性能指標(biāo)、保護(hù)功能等測(cè)試，為其他實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持，確保了發(fā)電系統(tǒng)及電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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Performance Index Detection and Analysis Research for PV Grid-connected Inverter

The performance of photovoltaic (PV) grid-connected inverter directly affects safety of electrical equipment and personnel as well as the stability of entire power generation system even the power grid. Through researching the detection technologies and standards about performance indexes of inverters, different international standards and testing principles are analyzed. The electrical performance and protection performance of the inverters are detected, and the test platform for PV grid-connected inverters is designed. The performance testing process is given, and the consistency is verified through actual environment measurement equipment. The results show that this test platform can realize the detection and analysis for performance indexes of the PV inverters; it is reasonable in equipment configuration and its functions are comprehensive and reliable.

PV power generation system Grid-connected inverter Power quality Islanding detection Detection platform

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51167015、71263043)；

國(guó)家國(guó)際科技合作基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011DFA11780)。

崔劍(1989-)，男，現(xiàn)為寧夏大學(xué)電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)方面的研究。

TM464

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509021

修改稿收到日期：2015-01-30。