光伏逆變器室外檢測平臺建設(shè)研究

郭斌 王麗娟

摘 要：隨著新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起，太陽能發(fā)電在我國被廣泛開發(fā)利用，結(jié)合國家建設(shè)和諧社會，堅持走綠色環(huán)保道路的可持續(xù)發(fā)展政策，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)將在我國掀起一陣熱潮。光伏發(fā)電系統(tǒng)作為太陽能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，其核心部件光伏逆變器的性能檢測一直被視為該行業(yè)的尖端技術(shù)，并被歐美國家?guī)状簖堫^公司壟斷。光能發(fā)電的綠色道路要想持續(xù)健康長遠(yuǎn)發(fā)展下去，逆變器性能測試平臺的完善勢在必行，甚至已到迫在眉睫的緊急狀態(tài)。而我國落后的光伏逆變器檢測技術(shù)一直停留在戶內(nèi)實(shí)驗(yàn)室檢測階段，該技術(shù)瓶頸嚴(yán)重阻礙發(fā)電行業(yè)發(fā)展。該文就該問題首先探討了光能發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀，在了解我國逆變器檢測平臺存在的問題后提出戶外檢測技術(shù)方案，并進(jìn)一步闡述逆變器室外檢測平臺的建設(shè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：光伏逆變器 檢測平臺 戶外檢測 綠色 研究

中圖分類號：TK514 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0065-02

太陽能發(fā)電技術(shù)中，最具技術(shù)含量的一項莫過于光伏發(fā)電技術(shù)，近年來隨著太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)已成為該行業(yè)的技術(shù)熱門。我國自2005年頒布《可再生能源法》以來，逐步加強(qiáng)了全國高新技術(shù)院校、研究所等對光能發(fā)電技術(shù)滲透研究。尤其是在十八屆一中全會以來，全國人民在習(xí)主席的堅強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，堅持走綠色環(huán)保道路，深化企業(yè)改革，積極引進(jìn)研究高新技術(shù)。太陽能發(fā)電在我國迎來春天，經(jīng)過幾年的努力，我國太陽能發(fā)電產(chǎn)量已占據(jù)世界40%的份額。盡管光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但是產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)卻一直掌握在西方國家手里。目前最為業(yè)界人士重視的光伏逆變器的測試研究在我國就存在著重大的技術(shù)瓶頸。在國家政策的支持下，國內(nèi)光能發(fā)電產(chǎn)業(yè)中也已成就不少逆變器生產(chǎn)企業(yè)，并且均在逆變器性能檢測技術(shù)方面涉足多年。因?yàn)槲覈I(yè)技術(shù)起步晚，初期又缺乏技術(shù)人才和理論支持，就技術(shù)層面講，國內(nèi)大部分企業(yè)的結(jié)構(gòu)工藝、智能化程度、轉(zhuǎn)化效率等方面與西方國家還存在很大的差距。

1 我國光能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

在全球環(huán)境持續(xù)惡化，不可再生資源消耗殆盡的今天，太陽能發(fā)電無疑是徹底解決“能源危機(jī)”“環(huán)境污染”的人類救星。應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展的全球戰(zhàn)略，光能發(fā)電成為世界最前沿的尖端技術(shù)。為了大力堅持鼓勵光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展，政府分別于2009年和2010年頒布了《太陽能光電建筑應(yīng)用財政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)的決定》，該政策都明確了我國將堅定發(fā)展多元化太陽能發(fā)電市場的決心，“十二五計劃”以來太陽能發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)再次被提上重要議題[1]。

據(jù)國家能源統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)報告顯示，僅截至到2013年我國太陽能發(fā)電的電源裝機(jī)量就達(dá)到了335.1%的增幅。借助國家政策對太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大扶持力度，整個光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生巨大變革，光能發(fā)電生產(chǎn)材料多硅晶及組件的成本降低又進(jìn)一步推動了我國光伏發(fā)電工程、裝機(jī)規(guī)模的迅猛發(fā)展[2]。2013年的數(shù)據(jù)顯示在我國光伏發(fā)電的裝機(jī)數(shù)量已突破1500萬kW。

光伏發(fā)電整個產(chǎn)業(yè)鏈及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在我國已初具規(guī)模，主要包含了光能發(fā)電主要材料多晶硅的制造生產(chǎn)，太陽能電池的制造封裝，光能專用材料、設(shè)備的制造安裝維護(hù)等。與我國飛速發(fā)展的光伏制造業(yè)相比，在光伏應(yīng)用領(lǐng)域的前進(jìn)步伐明顯滯后于我國光伏制造業(yè)。2000年，我國太陽能電池產(chǎn)量僅為3 MW，到2007年年底達(dá)到1088 MW，超過歐洲（1062.8 MW）和日本（920 MW），躍居世界第一位。2010年，我國太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到8GW，約占全球光伏電池產(chǎn)量的一半，但2010年，我國新增光伏發(fā)電裝機(jī)約500 MW，累計僅800 MW。中國要達(dá)到國際能源署技術(shù)路線圖中提出的光伏發(fā)電比例的全球平均水平，累計光伏安裝量在2020年前需要達(dá)到60 GW光伏，2030年達(dá)270 GW[3]。

隨我國光伏市場外部環(huán)境的不斷變化，我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展局限性日益凸顯出來，具體表現(xiàn)在如下幾方面。

（1）規(guī)模龐大實(shí)力軟弱，因?yàn)槲覈I(yè)化程度低科研力量薄弱，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國際市場難以掙得話語權(quán)，雖然全年產(chǎn)品出口量巨大，但不能把握產(chǎn)品的價格走勢，短期內(nèi)會因全球市場的需求消耗而占據(jù)大部分市場份額，但這樣的情況會隨著技術(shù)落后差距逐漸消失。

（2）專業(yè)技術(shù)薄弱，我國的光伏產(chǎn)業(yè)一直受制于西方國家，其根本原因就是相關(guān)高新技術(shù)的缺失，在我國尚未建立一套全面完整的光伏科研創(chuàng)新體系，全國范圍內(nèi)與光伏相關(guān)的支撐產(chǎn)業(yè)如精密儀器、多晶硅材料等幾乎全部依賴于進(jìn)口，這就使得整個光伏產(chǎn)業(yè)只能屈服于整個產(chǎn)業(yè)鏈的低端，缺乏國際競爭力的產(chǎn)品往往只能獲得薄弱的利潤[4]。

（3）國內(nèi)需求不足，技術(shù)薄弱導(dǎo)致大部分生產(chǎn)原材料依靠進(jìn)口，這大大增加了國內(nèi)光伏發(fā)電成本，加之相關(guān)國家政策的短缺，目前為止我國當(dāng)年裝機(jī)量還不能達(dá)到全年產(chǎn)能的10%，這顯示出我國國內(nèi)光伏發(fā)電應(yīng)用市場的嚴(yán)重不足。

2 國內(nèi)光伏逆變器檢測平臺的應(yīng)用與存在的問題

光能發(fā)電創(chuàng)造可再生節(jié)能能源，符合全球應(yīng)對壞境惡化的整體趨勢，將成為世界技術(shù)領(lǐng)域最炙手可熱的科研項目是毋庸置疑的。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一個組成部件叫做“光伏逆變器”，其功能用最專業(yè)的解釋為：將光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電源通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整轉(zhuǎn)換為交流電，以便將光能轉(zhuǎn)換來的電接入實(shí)際應(yīng)用中的電力網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載[5]。近年來受生產(chǎn)組件價格的大幅降低和國內(nèi)標(biāo)桿電價政策的出臺，光伏逆變器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了巨大的提升。據(jù)業(yè)界專家介紹，逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中起功率調(diào)節(jié)的核心器件，因其特殊的功能地位使得行業(yè)對逆變器的生產(chǎn)加工等質(zhì)量的要求極高，僅造價成本就占據(jù)了整個系統(tǒng)15%左右的費(fèi)用。逆變器市場在我國雖具有光明的前景，但是國內(nèi)逆變器的生產(chǎn)質(zhì)量卻令人擔(dān)憂。在不完善的市場體制下，層次不齊的生產(chǎn)廠家根據(jù)不同的客戶需求及應(yīng)用要求生產(chǎn)質(zhì)量水準(zhǔn)不一致的產(chǎn)品，逆變器的技術(shù)改進(jìn)一直得不到市場推動，緩慢的產(chǎn)品更新速度嚴(yán)重制約著我國整個光伏發(fā)電行業(yè)的飛躍。展望光伏產(chǎn)業(yè)未來的無限前景，立足國際市場，我國的逆變器生產(chǎn)不僅僅需要量的激增，更加迫切需要質(zhì)的提高。

中國光伏專業(yè)委員介紹說，光伏發(fā)電系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定運(yùn)行很大部分上取決于逆變器的工作性能，其綜合性能直接關(guān)系到光伏系統(tǒng)的安全可靠性、能源利用率和負(fù)載供電質(zhì)量等[6]。為保證光伏系統(tǒng)的安全運(yùn)行，逆變器在投入使用前都會進(jìn)行性能檢測實(shí)驗(yàn)，目前國內(nèi)的逆變器性能檢測平臺多是采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的檢測方案。即通過利用人工模擬的光伏電池組進(jìn)行輸出試驗(yàn)，該模擬光伏電源可以簡便幫助實(shí)驗(yàn)人員完成逆變器的功率轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。而實(shí)際上，逆變器在被應(yīng)用到光伏系統(tǒng)中去后將要應(yīng)對各種復(fù)雜的外界環(huán)境，比如：陽光強(qiáng)度，空氣濕度，環(huán)境溫度，電網(wǎng)及設(shè)備的運(yùn)行狀況等因素。實(shí)驗(yàn)室中人工設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和電網(wǎng)條件根本無法模擬逆變器實(shí)際應(yīng)用中的各種客觀問題。這就導(dǎo)致國內(nèi)大部分逆變器出現(xiàn)能通過國實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量認(rèn)證卻能以長期穩(wěn)定的保證光伏系統(tǒng)運(yùn)行的情況發(fā)生。為保證光能產(chǎn)業(yè)長期安全的發(fā)展，盡快展開逆變器的室外研究、檢測是我們不能逃避的路障。但是在我國，逆變器的室外檢測平臺技術(shù)幾乎屬于空白內(nèi)容，由此可見，深化發(fā)展我們新能源技術(shù)尤其是光伏發(fā)電技術(shù)，當(dāng)務(wù)之急是加快逆變器的室外檢測平臺建設(shè)。

3 光伏逆變器戶外檢測技術(shù)方案

3.1 逆變器戶外檢測平臺設(shè)計方案

平臺的設(shè)計建設(shè)應(yīng)當(dāng)依托現(xiàn)有光伏電站開展，整個平臺系統(tǒng)由三部分組成：光伏發(fā)電系統(tǒng)即光伏電站，逆變器測試設(shè)備和逆變器綜合性能的分析系統(tǒng)。

其中光伏發(fā)電系統(tǒng)包括了光伏電站的部分內(nèi)容，光伏陣列、光伏防雷匯流箱、變壓器、負(fù)載電網(wǎng)等。對逆變器性能的檢測設(shè)備包括：氣象站、電能質(zhì)量分析儀、功率分析儀等。逆變器性能綜合分析系統(tǒng)將采集電站運(yùn)行及被檢測逆變器的測試信息，通過分析處理有效數(shù)據(jù)對逆變器在室外實(shí)際工作環(huán)境的性能表現(xiàn)做出評價。

3.2 逆變器綜合性能分析系統(tǒng)

逆變器綜合性能分析系統(tǒng)將采用LabVIEW和QT等軟件開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。在該平臺做逆變器檢測時，分析系統(tǒng)可以根據(jù)檢測要求調(diào)整出符合條件的具體工作環(huán)境，同時，分析系統(tǒng)還將自動收集、分析、處理相關(guān)數(shù)據(jù)。測試結(jié)束后，整個實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)際數(shù)據(jù)都將儲存在分析系統(tǒng)中，由系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的性能要求標(biāo)準(zhǔn)給予被檢測逆變器綜合評分。

3.3 逆變器戶外測試方案

目前專業(yè)的光伏測試系統(tǒng)對逆變器的監(jiān)測項目包括：逆變器跟蹤太陽輻照度，轉(zhuǎn)換效率，功率因數(shù)、輸出電壓穩(wěn)定度、輸出電能質(zhì)量，軟啟動，通訊功能等，該文就幾項重要性能測試方案給予闡述。

3.4 逆變器跟蹤太陽輻照度的性能測試

按照逆變器的功能要求設(shè)計，逆變器應(yīng)當(dāng)對發(fā)生劇變的氣象參數(shù)尤其是輻照度及時有效的做出相應(yīng)，以滿足光伏系統(tǒng)的發(fā)電要求。但是輻照度急劇的變化會產(chǎn)生震蕩功率，這將沖擊逆變器內(nèi)部元件甚至導(dǎo)致逆變器跳機(jī)情況發(fā)生[7]。逆變器如果響應(yīng)遲鈍失效最終將影響光伏系統(tǒng)的產(chǎn)量。測試方案是利用分析系統(tǒng)對比分析氣象監(jiān)測系統(tǒng)和功率分析儀、電能分析儀的三方數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)對比輻照度和功率波形之間的變化關(guān)系最終評定逆變器跟蹤輻照度的性能指數(shù)。

3.5 轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)換效率最直接的代表了逆變器的本質(zhì)功能，即光能轉(zhuǎn)換的直流電再轉(zhuǎn)換為交流電的效率。目前業(yè)界普遍采用的是“歐洲效率”進(jìn)行計算測試，歐洲效率是加和逆變器分別在i%額定輸出功率下的轉(zhuǎn)換效率的一種加權(quán)平均值[8]。功率試驗(yàn)利用分析系統(tǒng)綜合計算、分析功率分析儀實(shí)時監(jiān)測到的全部數(shù)據(jù)，并最終給予功率轉(zhuǎn)換性能指數(shù)。

3.6 輸出電壓穩(wěn)定度測試

輸出電壓穩(wěn)定度表征了逆變器輸出穩(wěn)定電壓的能力。當(dāng)前大部分逆變器的性能要求中普遍存在電壓調(diào)整率一項，電壓調(diào)整率表示給逆變器輸入在允許范圍內(nèi)的波動電壓時，逆變器得到的輸出電壓的偏差百分比。而工作要求嚴(yán)格的逆變器還需要提供一項敷在調(diào)整率的參數(shù)，表示逆變器負(fù)載在0%到100%范圍內(nèi)變動時，其輸出電壓的偏差百分比。

3.7 諧波測試

按照國際要求，逆變器在額定功率負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)，注入電流諧波的總畸變概率不得超過5%，其他負(fù)載狀況下，逆變器注入電網(wǎng)的各次諧波電流值不得逆變器額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時可接受的各次諧波電流值[9]。在該檢測平臺中將利用電能質(zhì)量分析儀實(shí)時監(jiān)測并記錄逆變器的諧波情況，最后將數(shù)據(jù)輸送給逆變器綜合性能分析系統(tǒng)，并對逆變器的諧波性能做出分析評價。

4 光伏逆變器戶外檢測平臺建設(shè)目標(biāo)

長期以來，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有巨大發(fā)展?jié)撃?，無論時經(jīng)濟(jì)市場融資組建光伏產(chǎn)業(yè)，還是我國豐富的光照資源，都為光伏產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。但是因我國工業(yè)化進(jìn)程起步晚，專業(yè)人才缺失，大部分理論知識被歐美國家壟斷，我國光能事業(yè)的進(jìn)一步拓展被緊緊的捆綁在技術(shù)落后的小辮子上。逆變器室外檢測平臺作為國內(nèi)技術(shù)空白的突破性科研項目，其被賦予和寄托了多方面的目標(biāo)和希望。

技術(shù)目標(biāo)：光伏逆變器戶外測試平臺的建立不僅彌補(bǔ)了我國在太陽能利用方面的技術(shù)空白，通過戶外測試平臺的測試研究將進(jìn)一步完善光伏產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水準(zhǔn)[10]。戶外測試平臺將徹底解決逆變器室內(nèi)檢測達(dá)標(biāo)實(shí)際應(yīng)用不過關(guān)的情況，在對逆變器的整體測試實(shí)驗(yàn)中，逆變器與光伏電站運(yùn)營變化的對應(yīng)反映，將有助于電站的進(jìn)一步提升，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是將成為光能開發(fā)利用理論研究的寶貴資料。

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)：戶外測試平臺一旦開發(fā)建設(shè)成功，可將其投入商業(yè)運(yùn)作，開放式的管理模式既能規(guī)范我國逆變器生產(chǎn)市場又能帶動一大批新的高科技產(chǎn)業(yè)。戶外檢測平臺將被納入到光伏產(chǎn)業(yè)鏈中，立足于前景無限的新能源市場，戶外檢測平臺將引領(lǐng)新一批的光能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)高潮。

社會效益目標(biāo)：光伏逆變器檢測平臺在研究之初就被賦予眾望，我國光伏市場仍處于雜散亂多的狀況中，市場的深化改革需要技術(shù)的支持，只有不斷保障逆變器的性能指標(biāo)，整個光伏市場才能夠向更高更科學(xué)的遠(yuǎn)方前進(jìn)。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電在我國還有很遠(yuǎn)的路要走，就目前國際形勢來看，光伏發(fā)電無論是在中國還是在全世界都有廣闊的發(fā)展前景，但是我國的光伏產(chǎn)業(yè)不僅僅需要政府、政策的積極引導(dǎo)和支持，廣大科研人員應(yīng)當(dāng)擔(dān)負(fù)起重任，勵志攻克技術(shù)難關(guān)，突破國外產(chǎn)權(quán)枷鎖，為我國的光伏產(chǎn)業(yè)塑造強(qiáng)勁的“發(fā)動機(jī)”，作為光伏產(chǎn)業(yè)的一員，光伏企業(yè)更應(yīng)當(dāng)積極配合國家相關(guān)法律法規(guī)的實(shí)施要求，承擔(dān)社會責(zé)任，努力營造良好的光伏發(fā)展氛圍。

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